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Regenerativ-Wärmetauscher einer Gasturbine
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Regenerativ-Wärmetauscher einer
Gasturbine, dessen keramische Wärmetauscherschei.be von einem metallischen Zahnkranz
unten Bildung eines Ringraumes koaxial umgeben ist, in dem Blattfederelemente angeordnet
sind, die sich jeweils mit zwei Endabschnitten aT< der Innenscite des Zahnkranzes
und mit einem konvexen Mittelabschnitt an einer mit einer Haftschicht am Rand der
Wärmetauscherschei.be anliegenden Mitnehmerplatte unter Vorspannung abstützen.
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Bei einem bekannten derartigen Wärmetauscher (DE-OS 24 14 069) ist
jede Mitnehmerplatte an ihrer konvexen Oberseite mit dem konvexen Mittelabschnitt
des zugehörigen Blattfederelementes an einer verllältnismäßig kleinen Berührungsstelle,
beispielsweise durch Schweinen, verbunden und liegt mit einer an ihrer Unterseite
angeordneten elastichen Haftschicht am Rand der Wärmetauscherscheibe an. Um ein
ausreichendes Haften der Mitnelmerplatten auf dem glatten Rand der Wärmetauscherscheibe
zu erhalten, sind verhältnismäßig hohe Federkräfte zlotwend:i.g. Dies bedeutet eine
starke Belastung der Wärmetauscherscheibe, die infolge ihrer dünnwandigen Kanäle
aus sprödem keramischen Werkstoff empfindlich gegen mechanische Beanspru-
chungen
ist. Ferner führt ein zeitliches Auswandern der Mitnehmerscheibe während des Betriebes
zu einer Verwindung der Blattfedern und damit zu einer ungleichen Belastung der
Mitnehmerplatten und damit des Randes der Wärmetauscherscheibe.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Mängel zu beheben
und die Drehmomentübertragung vom Zahnkranz auf die Wärmetauscherscheibe zu verbessern
und dabei die Wärmetauscherscheibe von stärkeren und von ungleichmäßig verteilten
Federkräften zu entlasten. Dies geschieht nach der Erfindung dadurch, daß die Mitnehmerplatten
an ihrer Oberseite jeweils eine im Längsschnitt konkave Vertiefung aufweisen, in
der der Mittelabschnitt des Blattfedereiementes anliegt, und die an ihrer Unterseite
eine im Querschnitt konvexe Wölbung aufweisen, die an einer in Umfangsrichtung verlaufenden
und mit einer Haftschicht ausgekleideten konkaven Vertiefung am Rand der Wärmetauscherscheibe
anliegen. Während die konkave Vertiefung der Mitnehmerplatten eine gute Anlage der
Blattferelemente und damit eine gttte Verteilung der Federkräfte ermöglicht, verhindert
die durch die konvexe Wölbung erreichte Führune der Mitnehmerplatten eine ungleichmäßige
Belastung der Wärmetauscherscheibe durch die Blattfedern. Der durch je eine Haftschicht
an den Mitnehmerplatten und am Rand der Wärmetauscherscheibe erzielte günstige Haftreibwert
ermöglicht eine Herabsetzung der Federkräfte. Bei gleich guter Mitnahme der Wärmetauscherscheibe
wird deren mechanische Belastung herabgesetzt. Dies bedeutet, daß eine glltC r)rehmom(!ntiibortragung
auch auf empfindlichere Hochtemperaturscheiben m(itlic11 ist, ohne deren Festigkeit,
be-
sonders bei instationärem Betrieb der Gasturbine, zu gefährden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der Beschreibung angegeben.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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Es zeigen Figur 1 eie Stirnansicht eines Teiles eines Regenerativ-Wärmetauschers
mit einer Mitnehmerplatte im Längsmittelschnitt und Figur 2 einen Schnitt durch
diesen Teil des Regenerativ-Wärmetauschers nach der Linie II-II der Figur 1.
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Der dargestellte Regenerativ-Wärmetauscher der der Erwärmung der Verbrennungsluft
einer Kraftfahrzeug-Gasturbine dient, weist eine Wärmetauscherscheibe 11 auf, die
unter Bildung eines Ringraumes 12 von einem Zahnkranz 13 koaxial umgeben ist. In
dem Ringraum 12 sind in gleichem Abstand voneinander Blattfederelemente 14 angeordnet,
die sich jeweils am Zahnkranz 13 und an einer am Rand 15 der Wärmer tauscherscheibe
11 anliegenden Mitnehmerplatte 16 abstützen. Die Mitnehmerplatten 16 verringern
durch ihre große Fläche die von den Blattfederelementen 14 bewirkte Flächenpressung
am Rand 15 der Wärmetauscherscheibe 11.
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Die Wärmetauscherscheibe 11 ist aus einem keramischen Werkstoff hergestellt.
Sie weist eine Vielzahl kleiner axialer Durchgangskanäle 17 auf, die wechselweise
von heißen Abgasen der Gas turbine und der zu erwärmenden Verbrennungsluft durchströmt
worden.
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Der Zahnkranz 13 besteht aus legiertem Stahl und ist in dem nicht
dargestellten Gehäuse der Gasturbine drehbar gelagert. Er dient dem Antrieb der
Wärmetauscherscheibe 11 und wird seinerseits durch ein nicht darge stelltes Ritzel
eines Nebenabtriebes der Gasturbine in Drehung versetzt.
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Die Blattfederelemente 14 übertragen das Antriebsdrehmoment vom Zahnkranz
13 über die Mitnehmerplatten 16 auf die Wärmetauscherscheibe ll.Sie sind aus einem
hochwarmfesten Chromnickelstahl hergestellt und weisen eine symmetrische Gestalt
auf. Der mittlere Abschnitt jedes Blattfederelementes 1 bildet ein etwa kreisbogenförmiges
Bodenstück 18, das in einer im Längsschnitt konkaven Vertiefung 19 an der der Oberseite
20 der gegenüberliegenden Mitnehmerplatte 16 anliegt und dabei die seitlichen Ränder
21 der Vertiefung 19 leicht berührt. Die beiden an das Bodenstück 18 angrenzenden
Abschnitte 22 des Blattfederelementes 14 sind über dem Bodenstück 18 einwärts gebogen
und gehen in dessen mittlerem Bereich in zwei schräg auswärtsgerichtete Schenkel
23 über, deren als Ösen 24 ausgebildete Enden an der Innenseite 25 des Zahnkranzes
13 anliegen.
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Im Bereich der Ösen 24 jedes Blattfedereleme-ntes 14 ist jeweils ein
Laschenpaar 26 angeordnet, das den Zahnkranz 13 umgreift und an dessen Seitenflächen
27 anliegt. Ein Laschenpaar 26 rastet dabei in Nuten 28 an den Seitenflächen 27
ein und stellt damit eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Blattfederelement
14 und dem Zahnkranz 13 her. Das andere Laschenpaar 26 kann dagegen in
den
etwas breiteren Nuten 29 in Umfangsrichtung gleiten und erleichtert damit Formänderungen
der Blattfederelemente 14, mit denen diese die unterschiedlichen Wärmedehnungen
zwischen der Wärmetauscherscheibe 11 und dem Zahnkranz 13 ausgleichen können.
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Die entsprechend dem Radius der Wärmetauscherscheibe 11 gebogenen
Mitnehmerplatten 16 sind aus einem warmfesten metallischen Werkstoff hergestellt.
Sie können Jedoch auch aus einem keramischen Werkstoff bestehen.- An ihrer Unterseite
30 weisen sie eine im Querschnitt konvexe Wölbung 31 auf, mit der sie in einer entsprechenden,
in Umfangsrichtung verlaufenden konkaven Vertiefung 32 am Rand 15 der Wärmetauscherscheibe
11 anliegen. Dadurch erhalten die Mitnehmerplatten 16 eine seitliche Führung, die
eine Querverschiebung während des Betriebes des Regenerativ-Wärmetauschers verhindert.
Zur besseren Übertragung des Antriebsdrehmomentes auf die Wärmetauscherscheibe 11
sind die Mitnehmerplatten 16 an ihrer Unterseite 30 mit einer Haftschicht 33 versehen,
die aus aufgelöteten Nickelspänen besteht. Die Haftschicht 33 kann statt dessen
auch aus anderen Metallteilchen bestehen oder durch Aufrauhen der Unterseite 30
der Mitnehmerplatten hergestellt werden.
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Da die muldenförmige Vertiefung 32 am Rand 15 der aus verhältnismäßig
sprödem keramischen Werkstoff hergestellten Wärmetauscherscheibe 11 eine flache
Gestalt hat, wird die Festigkeit im Bereich des empfindlichen Randes 15 nicht beeinträchtigt,
so daß ein Ausbrechen vermieden wird.
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Auf den Rand 15 der Wärmetauscherscheibe 11 ist eine Haftschicht 34
aus Glasfasergewebe mit einem eramiklcleber befestigt. Das Glasfasergewebe kann
auch mit einem Stahlfaden verwoben scin oder eine Stahldrahtolnlage enthalten.
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Die llaftreibung zwischen den rauhen Oberflächen der Haft-
schicht
34 aus Glasfasergewebe und der an dieser anliegenden Haftschicht 33 aus Nickel spänen
wird dadurch wesentlich erhöht und damit die Drehmomentübertragung von den Mitnehmerplatten
16 auf die Wärmetauscherscheibe 11 weiter verbessert. Außerdem verstärkt die durch
den Keramikkleber befestigte Haftschicht 34 aus Glasfasergewebe den Rand 15 der
Wärmetauscherscheibe 11, so daß dieser stärker belastet werden kann, zumal die eine
gewisse Dicke aufweisende und damit verhältnismäßig elastische Haftschicht 34 aus
Glasfasergewebe eine bessere Druckverteilung ergibt. Schließlich wird durch diese
Maßnahme die hohe Temperaturen aufweisende Wärmetauscherscheibe wärmeisoliert, so
daß in vorteilhafter Weise die der Gasturbine zugeführte Verbrennungsluft stärker
erhitzt und gleichzeitig die Mitnehmerplatten 16 weniger stark erwärmt werden.