DE3209008C2

DE3209008C2 - Regenerativ-Wärmetauscher einer Gasturbine

Info

Publication number: DE3209008C2
Application number: DE19823209008
Authority: DE
Inventors: Karlheinz 7310 Plochingen Kinast; Klaus 7300 Esslingen Wiegard
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1982-03-12
Filing date: 1982-03-12
Publication date: 1985-02-21
Also published as: DE3209008A1

Abstract

Die Wärmetauscherscheibe eines Regenerativ-Wärmetauschers für eine Gasturbine besteht aus einem keramischen Werkstoff. In einem Ringraum zwischen dem Rand der Wärmetauscherscheibe und einem diese koaxial mit Abstand umgebenden metallischem Zahnkranz sind Blattfederelemente angeordnet, die sich jeweils mit Endabschnitten an der Innenseite des Zahnkranzes und mit einem konvexen Mittelabschnitt in einer im Längsschnitt konkaven Vertiefung an der Oberseite einer Mitnehmerplatte abstützen. Diese liegen jeweils mit einer im Querschnitt konvexen Wölbung an einer in Umfangsrichtung verlaufenden konkaven Vertiefung am Rand der Wärmetauscherscheibe an. Die Unterseite jeder Mitnehmerplatte und der Rand der Wärmetauscherscheibe sind mit je einer Haftschicht versehen. Die Gestalt der Mitnehmerplatten ergibt eine günstige Übertragung der Federkräfte und im Zusammenwirken mit den Haftschichten eine gute und schonende Übertragung des Antriebsdrehmomentes auf die gegen mechanische Beanspruchungen empfindliche Wärmetau scherscheibe.

Description

a) die Mitnehmerplatten (16) weisen an ihrer Oberseite (20) jeweils eine Vertiefung (19) auf, die in Längsrichtung der Mitnehmerplatte (16) eine konkave Form hat und in der der Mittelabschnitt (18) eines Blattfederelementes (14) anliegt,

b) die Mitnehmerplatten (16) weisen an ihrer Unterseite (30) jeweils eine Wölbung (31) auf, die in Querrichtung der Mitnehmerplatte (16) eine konvexe Form hat,

c) die Mitnehmerplatten (16) liegen mit diesen Wölbungen (31) in einer in Umfangsrichtung verlaufenden und mit einer Haftschicht (34) ausgekleideten konkaven Vertiefung (32) der Wärmetauscherscheibe (11).

2. Regenerativ-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftschicht (33) der Mitnehmerplatte (15) durch ihre aufgerauhte Unterseite (30) gebildet ist.

3. Regenerativ-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftschicht (33) der Mitnehmerplatte (16) durch aufgelötete Metallteilchen gebildet ist.

4. Regenerativ-Wärmetauscher nach den vorangehenden Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftschicht (34) der Wärmetauscherscheibe (11) als Glasfasergewebe besteht.

5. Regenerativ-Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftschicht (34) der Wärmetauscherscheibe (11) mit einem Keramikkleber befestigt ist.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Regenerativ-Wärmetauscher einer Gasturbine, dessen keramische Wärmetauscherscheibe von einem metallischen Zahnkranz unter Bildung eines Ringraumes koaxial umgeben ist, in dem Blattfederelemente angeordnet sind, die sich jeweils mit zwei Endabschnitten an der Innenseite des Zahnkranzes und mit einem konvexen Mittelabschnitt an einer mi* einer Haftschicht am Rand der Wärmetauscherscheibe anliegenden Mitnehmerplatte unter Vorspannung abstützen.

Bei einem aus der DE-OS 24 14 069 bekannten Wärmetauscher dieser Art ist jede Mitnehmerplatte an ihrer konvexen Oberseite mit dem konvexen Mittelabschnitt des zugehörigen Blattfederelementes an einer verhältnismäßig kleinen Berührungsstelle, beispielsweise durch Schweißen, verbunden und liegt mit einer an ihrer Unterseite angeordneten elastischen Haftschicht am Rand der Wärmetauscherscheibe an. Um ein ausreichendes Haften der Mitnehmerplatten auf dem glatten Rand der Wärmetauscherscheibe zu erhalten, sind verhältnismäßig hohe Federkräfte notvendig. Dies bedeutet eine starke Belastung der Wärmetauscherscheibe, die infolge ihrer dünnwandigen Kanäle aus sprödem keramischen Werkstoff empfindlich gegen mechanische Beanspruchungen ist. Ferner führt ein seitliches 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.

Anstelle von Mitnehmerplatten zeigt die DE-OS 16 01 192 in Randteile der Wärmetauscherscheibe paris aUel zu desen Achse einzementierte massive Einlagen. Diese Einlagen können unter dem Druck der Federelemente und der Einwirkung von Temperaturschwankungen in dem feinen Gefüge aus sprödem keramischen Werkstoff Spannungen hervorrufen, die zu Einrissen an den angrenzenden sehr dünnen Wandteilen der Gaskanäle und zu weiteren Schäden führen. Beim Betrieb von Gasturbinen gelegentlich auftretende stoßartige Belastungen in Umfangsrichtung des Zahnkranzes wirken die dabei zusammengedrückten Federelemente schlagartig mit erhöhter Kraft auf den Scheibenrand und verursachen ein Eindrücken des empfindliciicn Gefüges der Wärme'auscherscheibe.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die geschilderten Mängel zu beheben und die Drehmomentübertragung vom Zahnkranz auf die Wärmetauscherscheibe von stärkeren und ungleichmäßig verteilten Federkräften zu entlasten.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmalenach Anspruch 1 gelöst.

Die konkave Vertiefung der Mitnehmerplatten ermöglicht eine gute Anlage der Blattfederelemente und damit eine gute Verteilung der Federkräfte und die durch die konvexe Wölbung erreichte Führung der Mitnehmerplatten verhindert eine ungleichmäßige BeIastung 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 gute Drehmomentübertragung auch auf empfindlichere Hochtemperaturscheiben möglich ist, ohne deren Festigkeit, besonders bei instationärem Betrieb der Gasturbine, zu gefährden.

so Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Stirnansicht eines Teiles eines Regenerativ-Wärmetauschers mit einer Mitnehmerplatte im Längsmittelschnitt und
F i g. 2 einen Schnitt durch diesen Teil des Renegerativ-Wärmetauschers nach der Linie H-II der F i g. 1.

Der dargestellte Regenerativ-Wärmeiauscher 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 {4 angeordnet, die sich jeweils am Zahnkranz 13 und an einer am Rand 15 der Wärmetauscher-

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scheibe 11 anliegenden Mitnehmerplatte 16 abstützen. stalt hat, wird die Festigkeit im Bereich des empfindli-Die Mitnehmerplatten 16 verringern durch ihre große chen Randes 15 nicht beeinträchtigt, so daß ein Ausbre-Fläche die von den Blattfederelementen 14 bewirkte chen vermieden wird. Auf den Rand 15 der Wärmetau-Flächenpressung am Rand 15 der Wärmetauscherschei- scherscheibe 11 ist eine Haftschicht 34 aus Glasfasergebell. 5 webe mit einem Keramikkleber befestigt. Das Glasfa

Die Wärmetauscherscheibe 11 ist aus einem kerami- sergewebe kann auch mit einem Stahlfaden verwoben sehen Werkstoff hergestellt Sie weis; eine Vielzahl klei- sein oder eine Stahldrahteinlage enthalten. Die Haftreiner axialer Durchgangskanäle 17 auf, die wechselweise bung zwischen den rauhen Oberflächen der Haftschicht von heißen Abgasen der Gasturbine und der zu erwär- 34 aus Glasfasergewebe und der an dieser anliegenden menden Verbrennungsluft durchströmt werden. 10 Haftschicht 33 aus Nickelspänen wird dadurch wesent-

Der Zahnkranz 13 besteht aus legiertem Stahl und ist lieh erhöht und damit die Drehmomentübertragung von in dem nicht dargestellten Gehäuse der Gasturbine den Mitnehmerplatten 16 auf die Wärmetauscherscheidrehbar gelagert Er dient dem Antrieb der Wärmetau- be Il weiter verbessert Außerdem verstärkt die durch scherscheibe 11 und wird seinerseits durch ein nicht den KeramikkJeber befestigte Haftschicht 34 aus Glasdargestelltes Ritzel eines Nebenantriebes der Gasturbi- 15 fasergewebe den Rand 15 der Wärmetauscherscheibe nein Drehung versetzt. 11, so daß dieser stärker belastet werden kann, zumal

Die Blattfederelemenle 14 übertragen das Antriebs- die eine gewisse Dicke aufweisende und damit verhältdrehmoment vom Zahnkranz 13 über die Mitnehmer- nismäßig elastische Haftschicht 34 aus Glasfasergewebe platten 16 auf die Wärmetauscherscheibe 11. Sie sind eine bessere Druckverteilung ergibt. Schließlich wird aus einem hochwarmfesten Chromnickelstahl herge- 20 durch diese Maßnahme die hohe Temperaturen aufwei-,stellt und weisen eine symmetrische Gestalt auf. Jedes sende Wärmetauscherscheibe wärmeisoliert, so daß in 'Blattfederelement 14 weist einen etwa kreisbogenför- vorteilhafter Weise die der Gasturbine zugeführte Vermigen Mittelabschnitt 18 auf, der in einer im Längs- brennungsluft stärker erhitzt und gleichzeitig die Mitschnitt konkaven Vertiefung 19 an der der Oberseite 20 nehmerplatten 16 weniger stark erwärmt werden.

der gegenüberliegenden Mitnehmerplatte Ib anliegt 25

und dabei die seitlichen Ränder 21 der Vertiefung 19 Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

leicht berührt. Die beiden an dem Mittelabschnitt 18

angrenzenden Abschnitte 22 des Blattfederelementes 14 sind über dem Mittelabschnitt 18 einwärts gebogen und gehen in dessen mittleren Bereich in zwei schräg auswärtsgerichtete Schenkel 23 über, deren als ösen 24 ausgebildete Enden an der Innenseite 25 des Zahnkranzes 13 anliegen.

Im Bereich der ösen 24 jedes Blattfederelementes 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.

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 "'erlaufenden 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 aufge-

i, löteten Nickelspänen besteht. Die Haftschicht 33 kann

statt dessen auch aus anderen Metallteilchen bestehen oder durch Aufrauhen der Unterseite 30 der Mitnehmerplatten hergestellt werden.

Da die muldenförmige Vertiefung 32 am Rand 15 der aus verhältnismäßig sprödem keramischen Werkstoff hergestellten Wärmetauscherscheibe 11 eine flache Ge-

Claims

Patentansprüche:

1. Regenerativ-Wärmetauscher einer Gasturbine, dessen keramische Wärmetauscherscheibe von einem metallischen Zahnkranz unter Bildung eines Ringraumes koaxial umgeben ist, in dem Blattfederelemente angeordnet sind, die sich jeweils mit zwei Endabschnitten an der Innenseite des Zahnkranzes und mit einem konvexen Mittelabschnitt an einer mit einer Haftschicht am Rand der Wärmetauscherscheibe anliegenden Mitnehmerplatte unter Vorspannung abstützen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: