DE4118777A1 - Gasturbinentriebwerk mit waermetauscher - Google Patents

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.