DE4118777A1 - Gasturbinentriebwerk mit waermetauscher - Google Patents
Gasturbinentriebwerk mit waermetauscherInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kompakten Verbindung
eines Gasturbinentriebwerks mit einem Rekuperativ-Abgaswärmetauscher
der eine vom Turbinenabgas umströmte Rohrmatrix sowie nebeneinander
verlaufende Rohre - als Verteiler- und Sammelrohr wirkend - für
die Führung vom Verdichter geförderter Luft in die Matrix bzw. für
die Abführung der über die Matrix aufgeheizten Verdichterluft auf
weist.
Zur Optimierung des Kreisprozesses von Gasturbinen, insbesondere im
Teillastbetrieb, werden häufig Wärmetauscher eingesetzt. Hierfür
eignen sich Austauschelemente, auch Matrix genannt, wie in der
DE-PS 36 35 548 offenbart, wobei die Matrix haarnadelförmige Lanzet
ten oder Rohrbündel aufweist. Diese Bündel sind an Rohren, welche die
Funktion von Verteiler bzw. Sammler der zu erwärmenden Luft ausüben,
befestigt.
Die kompakte Verbindung von Wärmetauschern mit Gasturbinen bereitete
bisher erhebliche Probleme, da nicht nur Belastungen aus Eigengewicht
und Beschleunigungskräften auf das Triebwerk übertragen werden mußten
sondern auch Belastungen aufgrund der großen Temperaturdifferenzen
gering gehalten werden müssen. Beim vorgesehenen Einsatz des Trieb
werkes in Fahrzeugen, erfordern die beschränkten Platzverhältnisse
eine raumsparende Bauweise; diese wiederum erschwert eine konsequente
Leichtbauweise.
Bei einer bekannten Ausführung gemäß der DE-PS 35 29 457 ist das
Wärmetauschergehäuse als tragende Struktur ausgeführt und an einem
Ende freitragend an die Turbine angeflanscht. Somit werden die auf
die Matrix einwirkenden Kräfte, Eigengewicht und Beschleunigungs
kräfte vom Wärmetauschergehäuse aufgenommen, wobei relativ große
Dehnungsbewegungen insbesondere bei vertikalen Beschleunigungen am
gegenüberliegenden Ende nicht vermieden werden können. Entsprechend
aufwendig hinsichtlich der Versteifung, gestaltet sich die Konstruk
tion des Gehäuses. Zudem erweist sich diese Konstruktion als be
sonders gewichtsintensiv. Als nachteilig wirkt sich diese Ausführung
für eine raumsparende und enge Befestigung der Matrix an der Turbine
aus, da die Lager- und Gehäusegestaltung zusätzlichen Raum zwischen
Matrix und Gasturbine beansprucht.
Ferner ist aus der US-Patentschrift 39 68 834 eine Gasturbine mit
einer Wärmetauscherbefestigung bekannt, bei welcher ein steifer
Rahmen zur Aufnahme des Wärmetauscherkerns den selben umfaßt.
Dieser Rahmen wiederum ist über ein Rohrgerüst auf dem Triebwerk
gelagert. Der Wärmetauscherkern selbst ist an zwei gegenüberliegenden
Seiten über zwei Zapfen im Rahmen aufgehängt, wobei eine Maßnahme
zur axialen Festlegung des Kerns nicht vorgesehen ist. Diese punkt
artige Einleitung der Wärmetauscherlasten in den Rahmen provoziert
Spannungsspitzen in der Aufhängung und somit, besonders beim vorge
schlagenen Einsatz in Fahrzeugen, Spannungsrisse im Wärmetauscher.
Nicht zuletzt erweist sich die Kraftflußführung vom Wärmetauscherkern
über Zapfen, Rahmen, Gestell und Lagerung nicht nur als konstruktiv
aufwendig sondern auch unbrauchbar für eine effektive Leichtbauweise.
Hiervon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine
gattungsgemäße Vorrichtung derart auszubilden, daß sie eine raum- und
gewichtssparende Einheit von Gasturbine und Wärmetauscher ermöglicht,
bei Gewährleistung einer weitgehend spannungsfreien Wärmeausdehnung
von Matrix und Wärmetauschergehäuse. Eine einfache Austauschbarkeit
von Wärmetauscherkomponenten ist vorzusehen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Wärme
tauscher an den Enden der Rohre über Zwischenplatten am Triebwerksge
häuse gelagert ist, wobei die Lagerung der Rohre in angepaßten Durch
brüchen einer ersten Zwischenplatte erfolgt, und die Rohre am anderen
Ende zur radialen Lagerung axial verschieblich über eine zweite
Zwischenplatte mit dem Triebwerksgehäuse verbunden sind.
Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, daß durch die Ablei
tung der Wärmetauscherlasten direkt über die Zwischenplatten das
lastfreie Wärmetauschergehäuse elastisch und in Leichtbauweise ausge
führt werden kann, was zu einer Gewichts- und Kostenreduzierung
führt. Die direkte Befestigung der Matrix nahe der Gasturbine
ermöglicht eine wesentliche Raumersparnis, zudem erübrigen sich
zusätzliche Heißgaszuführungsleitungen. Durch eine relativ hohe
Nachgiebigkeit der Matrix in allen Ebenen, der spannungsarmen
Zwei-Punktelagerung der Rohre in den Zwischenplatten wird unter
Einsparung von weiteren Dehnungsausgleichselementen und unter Redu
zierung der thermisch und mechanisch bedingten Relativbewegungen der
Bauelemente thermische Spannungen weitgehend vermieden. Das Schadens
risiko während der Betriebszeit wird somit reduziert. Hierzu trägt
die freie Dehnbarkeit der Rohre und des Wärmetauschergehäuses bei.
Eine einfache Austauschbarkeit ist dadurch gewährleistet, daß der
Wärmetauscher lediglich durch Lösen von den Zwischenplatten vorzugs
weise durch Lösen weniger Schraubverbindungen getrennt werden kann.
Ein zeit- und kostensparender Austausch schadhafter Wärmetauscherkom
ponenten ist somit möglich. Weiterhin führt die erfindungsgemäße
Bauweise zu einem geringeren Bauvolumen der gesamten Antriebseinheit
aufgrund kurzer Abstände zwischen der Gasturbine und dem Wärme
tauscher.
Eine vorteilhafte Ausführung zum Ausgleich eines thermisch bedingten
Versatzes zwischen den beiden Zwischenplatten ergibt sich dadurch,
daß die Lagerung in Durchbrüchen ein axiales Lagerspiel aufweist,
welches kleine Pendelbewegungen der Rohre um die Lagerstelle ermög
licht. Erhöhte Spannungen in den Bauteilen werden somit vermieden.
Die bevorzugte Ausgestaltung der Rohrlagerung in der ersten Zwischen
platte gemäß der Ansprüche 3 oder 4 dient einer spannungsarmen Last
übertragung bei gleichzeitiger Beweglichkeit der Rohre zum Ausgleich
thermischer Verspannungen. Eine Verschraubung der miteinander ver
bundenen Bauteile berücksichtigt die einfache Montierbarkeit.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Loslagers mit Hilfe einer Pen
delstütze gemäß Anspruch 5 erlaubt eine schnelle und einfache Trenn
barkeit des Wärmetauschers von der Gasturbine im Falle eines Aus
tausches unter Berücksichtigung der für den Betrieb notwendigen
Axialbeweglichkeit der Rohre und des Wärmetauschergehäuses. Auch kann
eine unterschiedliche Wärmedehnung der Rohre durch die beweglich
gehaltene Zwischenplatte ausgeglichen werden, wobei hier das leicht
und elastisch ausgeführte Wärmetauschergehäuse die Bewegung der
Zwischenplatte ermöglicht. Die lösbare Verbindung des Wärmetauscher
gehäuses mit den Zwischenplatten trägt zur weiteren Gewichtseinspa
rung bei einfacher Montierbarkeit bei.
Die Verwendung der Abschlußdeckel gemäß Anspruch 6 ermöglicht gleich
zeitig den Verschluß der Rohre und die Lagerung derselben in der
zweiten Zwischenplatte. Durch die lösbare Verbindung können die
Deckel nach einem Wenden der Matrix auch auf das andere Ende der
Rohre gesetzt werden.
Einen spannungsarmen Anschluß des Verteilerrohres ergibt sich durch
die Ausführung der Erfindung nach Anspruch 7 und 8.
Eine Maßnahme zur Einsparung von gewichtigen und voluminösen Deh
nungsausgleichsgliedern stellt die Ausführung gemäß Anspruch 9 dar.
Die Differenz der thermischen Ausdehnung zwischen den Anschlüssen der
Rohre wird von der Matrix durch ihre hohe Elastizität in allen Ebe
nen, wie sie beispielsweise für eine Ausführung nach der DE-PS 36 35 548
typisch ist, aufgenommen.
Vorteilhafte Maßnahmen zur Vermeidung von Heißgas- oder Verdichter
luftleckage ergibt sich durch die Verwendung von Niederdruck- bzw.
Hochdruckdichtungen zwischen Bauteilen mit geringerer Relativbewe
gung.
Einen unmittelbaren und damit raumsparenden Anschluß des Sammelrohres
an die Brennkammer wird durch die Ausführung der Erfindung gemäß
Anspruch 11 erzielt. Die Verbindung der ersten Zwischenplatte mit dem
Triebwerks- bzw. Brennkammergehäuse nahe dem Eintrittsgehäuse ver
meidet hohe Temperaturunterschiede und somit weitere Dehnungsaus
gleichsglieder.
Durch die Möglichkeit, die Matrix wechselseitig in die Zwischen
platten einsetzen zu können, ergibt sich eine erhebliche Lebens
dauerverlängerung der Matrix.
Eine separate gewichtige Heißgaszuführung zum Wärmetauscher wird
durch eine Umfassung des Triebwerkes vom Wärmetauschergehäuse ein
gespart.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezug
nahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch
Gasturbine und Wärmetauscher,
Fig. 2 einen Querschnitt durch das Triebwerk gemäß Fig. 1,
Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt der ersten Zwischenplatte mit
den Lagerstellen,
Fig. 4 ein weiter vergrößerter Ausschnitt aus Fig. 3 und
Fig. 5 einen vergrößerten Ausschnitt der geteilten Zwischenplatte
und steifer Rohrleitung.
Fig. 1 zeigt eine Gasturbine 1 mit Rekuperativ-Abgaswärmetauscher 2
und einem angeflanschten Getriebe 3. In bekannter Ausführung besteht
die Gasturbine aus einem Verdichter 4, welcher über eine Turbinen
welle 5 von der Turbine 6 angetrieben wird und einer Brennkammer 7.
Das Getriebe 3 wird, von einer nachgeschalteten Nutzleistungsturbine 8
angetrieben. Der Wärmetauscher 2 setzt sich aus dem Austauschelement,
Matrix 9 genannt, den beiden Rohren 10a, 10b, den Zwischenplatten 11,
12, und dem Wärmetauschergehäuse 13 zusammen. Zur Führung der
Verdichterluft V zur Matrix 9 dient eine Rohrleitung 14 mit zwei
Dehnungsausgleichsgliedern 15, wobei die Brennkammer 7 zur Zuführung
der aufgeheizten Verdichterluft V über ihr Eintrittsgehäuse 16 direkt
an das Sammelrohr 10a angeschlossen ist. Die Matrix 9 besteht aus
haarnadelförmigen Lanzetten oder Rohrbündeln. Diese Bündel sind an
den Rohren 10a, 10b, welche die Funktion von Verteiler bzw. Sammler
der zu erwärmenden Verdichterluft V ausüben, befestigt.
Die verdichtete Luft V strömt durch die Rohrleitung 14 in das Ver
teilerrohr 10b und von dort durch die Lanzetten- bzw. Rohrbündel in
das Sammelrohr 10b. Das heiße Abgas A der Gasturbine 1 umströmt die
Rohrbündel; dabei wird jedes einzelne Lanzett bzw. Rohr an der Außen
wandung vom Abgas A umströmt und Wärmeenergie an die innen strömende
verdichtete Luft V abgegeben.
Zur Befestigung der Matrix 9 am Triebwerk sind die Enden der Rohre
10a und 10b in den Zwischenplatten 11 und 12 gelagert. Hierzu ist die
erste Zwischenplatte 11 mit zwei Durchbrüchen 17 (Fig. 2, 3 und 5)
versehen, in welchen die Rohre 10a und 10b an ihrem einen Ende mit
tels mehrteiliger Lagerschalen 18 radial und axial gelagert sind. Die
Lagerschalen 18 sind mit der Zwischenplatte 11 verschraubt (Fig. 3 und
4). Die Rohre 10a und 10b werden von den Lagerschalen 18 umfaßt,
wobei ein Wulst 19 der Lagerschale 18 in eine umlaufende Nut 20 an
den Rohrenden eingreift (Fig. 4). Ein hinreichend bemessenes axiales
Lagerspiel erlaubt kleine Pendelbewegungen Rohre 10a, 10b um die
Lagerstelle, zum Ausgleich thermisch bedingter Versetzungen zwischen
den Zwischenplatten 11, 12 und innerhalb der Matrix 9. Am anderen Ende
sind die beiden Rohre 10a und 10b jeweils mit einem abnehmbaren
Abschlußdeckel 21 versehen, der die Rohre 10a und 10b verschließt und
über Lagerzapfen 22 die Rohre 10a und 10b axial verschieblich in
jeweils einer Lagerbuchse 23 der zweiten Zwischenplatte 12 lagert.
Die Kontaktlänge zwischen Lagerzapfen 22 und Lagerbuchse 23 ist dabei
so bemessen, daß sie der Zwischenplatte 12 kleine Schrägstellungen
zum Ausgleich von Versetzungen klemmungsfrei ermöglicht. An der den
Rohren 10a und 10b abgewandte Seite ist die Zwischenplatte 12 über
eine Pendelstütze 24 pendelnd und axial verschieblich am an der
Gasturbine 1 angeflanschten Getriebe 3 gelagert. Hierzu ist die
Pendelstütze 24 an ihrem einen Ende über ein Kugelgelenk 25 mit der
Zwischenplatte 12 und am anderen Ende über einen Drehzapfen 26 mit
dem Getriebe 3 verbunden. Die zweite Zwischenplatte 12 ist über das
mit ihr verschraubte Wärmetauschergehäuse 13 mit der ersten Zwischen
platte 11 verbunden.
Zur wechselseitigen Einsetzbarkeit der Matrix 9 in die Zwischen
platten 11 und 12 sind die Rohre 10 an beiden Enden mit der Nut 20
versehen. Auch lassen sich die Abschlußdeckel 21 an beide Enden der
Rohre 10a und 10b montieren.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch das Triebwerk mit geschnittenem
Eintrittsgehäuse 16 der Brennkammer 7 und angedeuteter Matrix 9.
In Fig. 5 ist eine alternative Ausführung der Vorrichtung darge
stellt, bei welcher die erste Zwischenplatte 11 geteilt ist.
In der ersten Teilplatte 27a ist das Verteilerrohr 10b gelagert und
mit der steifen Rohrleitung 14 zur Zuführung der Verdichterluft V in
die Matrix 9 verschraubt. Ein Teil der Matrixlasten wird somit über
die Rohrleitung 14 an das Triebwerksgehäuse 28 abgeführt.
In der zweiten Teilplatte 27b ist das Sammelrohr 10a gelagert und mit
dem Eintrittsgehäuse 16 zur Zuführung der aufgeheizten Verdichterluft
V zur Brennkammer 7 verschraubt. Die Lagerlasten aus der zweiten
Teilplatte 27b werden daher über das Eintrittsgehäuse 16, welches ein
Teil des Triebwerksgehäuses 28 bildet, an dieses weitergeführt.
Verschiebungen zwischen den beiden Rohren 10a und 10b bzw. gegenüber
dem Wärmetauschergehäuse 13 können sich spannungsarm ausbilden und
werden durch die Eigenelastizität der Matrix 9 und der beweglichen
zweiten Zwischenplatte 12 ausgeglichen.
Da die Rohre 10a und 10b und die Zuleitungen mit Verdichterdruck
beaufschlagt werden, sind zwischen den Verbindungsstellen elastische
Hochdruckdichtungen 29 angeordnet, die Bewegungen in den Verbin
dungsstellen dichtend ausgleichen können (Fig. 3 und 5).
Zur Abdichtung gegen Abgasaustritt zwischen den Teilplatten 27a, 27b
und dem Wärmetauschergehäuse 13 dienen elastischen Niederdruckdich
tungen 39, die Verschiebungen dichtend ausgleichen können (Fig. 5).
Alternativ ist es möglich, daß Wärmetauschergehäuse 13 statt an der
ersten Teilplatte 27a an der zweiten Teilplatte 27b zu befestigen.
Die Dichtungen wären dann entsprechend anzupassen.
Claims (14)
1. Vorrichtung zur kompakten Verbindung eines Gasturbinentriebwerks
mit einem Rekuperativ-Abgaswärmetauscher, der eine vom Turbinen
abgas umströmte Rohrmatrix sowie nebeneinander verlaufende Rohre
- als Verteiler- und Sammelrohr wirkend - für die Führung vom
Verdichter geförderter Luft in die Matrix bzw. für die Abführung
der über die Matrix aufgeheizten Verdichterluft aufweist, dadurch
gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (2) an den Enden der Rohre
(10a, 10b) über Zwischenplatten (11, 12) am Triebwerksgehäuse (28)
gelagert ist, wobei die Lagerung der Rohre (10a, b) in angepaßten
Durchbrüchen (17) einer ersten Zwischenplatte (11) erfolgt, und
die Rohre (10a, 10b) am anderen Ende zur radialen Lagerung axial
verschieblich über eine zweite Zwischenplatte (12) mit dem Trieb
werksgehäuse (28) verbunden sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die La
gerung in den Durchbrüchen (17) ein axiales Lagerspiel aufweist,
welches kleine Pendelbewegungen der Rohre (10a, b) um die Lager
stelle ermöglicht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
koaxial zu den Durchbrüchen (17) der ersten Zwischenplatte (11)
jeweils eine mehrteilige Lagerschale (18) mit der Zwischenplatte
(11) lösbar verbunden ist, in welcher jeweils ein Rohr (10a, b)
gelagert ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die La
gerschalen (18) radial innen einen Wulst (19) und die Rohre
(10a, b) an ihrem Ende eine umlaufende Nut (20) aufweisen, welche
nutfederartig ineinander greifen und die Rohre (10a, b) mit
axialem Spiel lagern.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die zweite Zwischenplatte (12) über eine, mit
dieser gelenkig verbundenen Pendelstütze (24) mit dem Triebwerks
gehäuse (28) axial verschieblich verbunden ist und über das Wär
metauschergehäuse (13) mit der ersten Zwischenplatte (11) lösbar
verbunden ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Rohre (10a, b) über Abschlußdeckel (21) in
der zweiten Zwischenplatte (12) gelagert sind und die Deckel (21)
mit den Rohren (10a, 10b) lösbar verbunden sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
das Verteilerrohr (10b) über eine Rohrleitung (14) an den Ver
dichterausgang (32) zur Verdichterluftführung angeschlossen ist
und die Rohrleitung (14) Dehnungsausgleichsglieder (15) aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Rohrleitung (14) mit der ersten Zwischenplatte (11) lösbar ver
bunden ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß die erste Zwischenplatte (11) geteilt ist und
eine erste Teilplatte (27a) mit einer steifen Rohrleitung (14),
welche zur Verdichterluftführung an das Verteilerrohr (10b) und
an den Verdichterausgang (32) angeschlossen ist, lösbar verbun
den ist und eine zweite Teilplatte (27b) mit dem Triebwerksge
häuse (28) verbunden ist, in welcher das Sammelrohr (10a) gela
gert ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen
den Teilplatten (27a, b) elastische Niederdruckdichtungen (30) zur
Abdichtung gegen Heißgasaustritt angeordnet sind.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß das Sammelrohr (10a) an ein Ein
trittsgehäuse (16) der Brennkammer (7) zur Verdichterluftführung
angeschlossen ist und das Eintrittsgehäuse (16) mit der ersten
Zwischenplatte (11) verbunden ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
gekennzeichnet, daß zwischen den Rohren (10a, b) einerseits und
der Rohrleitung (14) bzw. dem Eintrittsgehäuse (16) der Brennkam
mer (7) andererseits elastische Hochdruckdichtungen (29) zur Ab
dichtung gegen Verdichterluftaustritt angeordnet sind.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch ge
kennzeichnet, daß die Lagerstellen der Rohre (10a, b) bzw. Zwi
schenplatten (11, 12) identisch ausgeführt sind, so daß die Rohre
(10a, b) wechselweise als Sammel- (10a) oder Verteilerrohr (10b)
wirkend in den Lagerstellen einsetzbar sind.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Wärmetauschergehäuse (13) das Triebwerk
umfaßt und zwischen diesen Dichtungen (31) gegen Heißgasaustritt
angeordnet sind.
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