DE7106189U

DE7106189U - Thermal regenerator, especially for gas turbines

Info

Publication number: DE7106189U
Application number: DE7106189U
Authority: DE
Original assignee: Leyland Gas Turbines Ltd
Current assignee: Leyland Gas Turbines Ltd
Priority date: 1970-02-27
Publication date: 1973-06-14

Description

PATENTANWÄLTEPATENT LAWYERS

dr. W. Schalk · dipl.-inc. P. Wirth · dipl.-ing. G. Dannenberg DR. V. SCHMIED-KOWARZIK · DR. P. WE I N HOLD · DR. D. G U DE Ldr. W. Schalk dipl.-inc. P. Wirth dipl.-ing. G. Dannenberg DR. V. SCHMIED-KOWARZIK · DR. P. WE I N HOLD · DR. D. G U DE L

6 FRANKFURT AM MAIN6 FRANKFURT AM MAIN

Da/Kt
17.2.1971Da / Kt
February 17, 1971

Leyland Gas Turbines Limited Solihull, V/arwickshire, EnglandLeyland Gas Turbines Limited Solihull, V / Arwickshire, England

Thermischer Regenerator„ insbesondere für GasturbinenThermal regenerator " especially for gas turbines

Die Erfindung bezieht sich auf thermische Regeneratoren (sonst auch als regenerative Wärmetauscher bekannt) von der Art, die eine bewegbare Matrix, z.B. eine drehbare scheibenförmige Matrix, verwendet.The invention relates to thermal regenerators (otherwise also known as regenerative heat exchangers) from of the type using a moveable matrix such as a rotatable disk-shaped matrix.

Thermische Regeneratoren dieser Art werden gewöhnlich in Gasturbinenanlagen verwendet, um den Abgasen V/ärme zu entziehen und (^;iese der komprimierten Eingangsluft zuzuführen, bevor diese in die Verbrennungskammer der Gasturbine eintritt. Die normalerweise verwendete drehbare, scheibenförmige Matrix ist im Gehäuse der Turbine untergebracht und weist einen porösen, feuerfesten Kern (z.B. aus keramischem oder glas-keramischem Material) mit einer Vielzahl offenendiger, dünnwandiger Kanäle auf, die im wesentlichen parallel zu ihrer Drehachse liegen. Sektorartige Zonen dieses Kerns kommen (infolge seiner Drehung) abwechselnd mit der Strömung der Abgase und der Strömung der komprimierten Eingangsluft in Berührung. Auf diese Weise wird die gewünschte Wärmeübertragung bewirkt.Thermal regenerators of this type are commonly used in gas turbine plants for the exhaust gases V to withdraw / Slee and ^(. Hese supplied to the input compressed air before it enters the combustion chamber of the gas turbine The rotatable disc-shaped matrix commonly used is accommodated in the housing of the turbine and has a porous, refractory core (e.g. made of ceramic or glass-ceramic material) with a large number of open-ended, thin-walled channels, which are essentially parallel to its axis of rotation and the flow of compressed input air in contact, thus effecting the desired heat transfer.

Natürlich ist es unbedingt erforderlich, daß die beiden gasförmigen Strömungen jederzeit voneinander getrennt gehalten werden und daß ein Übertritt bzw. ein Durchsickern zwischen der Hochdruckzone, die von der komprimierten Eingangsluft eingenommen wird, und der Mederdruokzone, in der die Abgase sich befinden, auf einem Minimum gehalten wird. Zu diesem Zweck ist es üblich, ein Dichtungselement zu verwenden, das in reibender Berührung mit der entsprechenden Oberfläche der Matrix bzw. des Wärmeübertragungskörpers steht und das an einem am Turbinengehäuse befestigten flexiblen Glied gelagert ist. Der beabsichtigte Zweck der flexiblen Lagerung ist die Aufrechterhaltung der Berührung zwischen der Oberfläche der Matrix und d-r Gegenfläche des Dichtungselementes zum Abdichten der Hochdruckluft trotz der recht beträchtlichen unterschiedlichen Ausdehnung, die zwischen dem Turbinengehäuse und dcjr Matrix bei hohen Temperaturen auftritt. Hier ergibt sich die Schwierigkeit, bei Änderungen des Luftdrucks das Maß der Reibungsbelastung innerhalb bestimmter Grenzen zu · halten, die einerseits durch das Erfordernis zuverlässiger Abdichtung durch die Dichtungseinrichtung und andererseits dadurch gegeben sind, daß übermäßige Reibungsbelastungen (die zu Beschädigungen oder zu raschem Verschleiß oder beidem führen können) vermieden werden müssen. Die gleiche Dichtungseinheit kann auch dazu verwendet werden, Belastungen vonseiten der Matrixscheibe aufzunehmen, sowie dazu beizutragen, sie in ihrer korrekten Lage zu halten.Of course, it is imperative that the two gaseous flows be separated from one another at all times be held and that a crossover or a seepage between the high pressure zone, which is compressed by the Inlet air is taken, and the Mederdruokzone, in which the exhaust gases are, is kept to a minimum. For this purpose it is common to use a To use sealing element that is in frictional contact with the corresponding surface of the matrix or the Heat transfer body is and which is mounted on a flexible member attached to the turbine housing. Of the The intended purpose of the flexible storage is to maintain contact between the surface of the matrix and the mating surface of the sealing element for sealing off the high pressure air in spite of the rather considerable differences Expansion that occurs between the turbine housing and the matrix at high temperatures. Here results the difficulty of adjusting the amount of frictional load within certain limits when the air pressure changes keep, on the one hand by the requirement of reliable sealing by the sealing device and on the other hand are given by excessive frictional loads (which lead to damage or rapid wear or can lead to both) must be avoided. The same sealing unit can also be used to relieve loads on the part of the matrix disc, as well as helping to keep it in its correct position.

Die Erfindung schafft nun einen thermischen Regenerator der genannten Art, der den genannten Problemen dadurch Rechnung trägt, daß eine die folgenden Einzelteile aufweisende Abdichteinrichtung vorgesehen ist: eine durchgehende bzw. endlose Dichtungsauflage in.reibender Berührung mit der . entsprechenden Oberfläche der Matrix: ein die Dichtungsauflage tragender Stützring; eine biegsame DichtungsschürzeThe invention now creates a thermal regenerator of the type mentioned, which takes account of the problems mentioned carries that a sealing device comprising the following items is provided: a continuous or endless seal pad in rubbing contact with the. corresponding surface of the matrix: a the sealing pad load-bearing support ring; a flexible sealing skirt

aus sehr dünnem Metall, die um eine Kante schwenkbar am Stützring befestigt ist und sich .schräg über den Soalt zwischen dem Dichtring und dem Gehäuse erstreckt; ein elastisches Stützglied aus dickerem Metallblech als die Schürze, das am Stützring befestigt ist, die Schürze abstützt und zugleich eine schwache Federwirkung auf die Dichtungsauflage in Richtung gegen die Matrix ausübt; und eine Halteeinrichtung, welche die Dichtungsauflage mit Spiel in Richtung senkrecht zur Oberfläche c"er Matrix hält und zugleich das durch Reibung beim Drehen der Kp' ;£ sie übertragene Drehmoment aufnimmt.Made of very thin metal, which is attached to the support ring so that it can pivot about an edge and extends over the base between the sealing ring and the housing; an elastic support member made of thicker sheet metal than the apron, which is fastened to the support ring, supports the apron and at the same time exerts a weak spring effect on the sealing support in the direction against the matrix; and a holding device which holds the sealing support with play in the direction perpendicular to the surface of the matrix and at the same time absorbs the torque transmitted by friction when the Kp '; £ it is rotated.

V/eitere Einzelheiten der Erfindung sind der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der schematischen Zeichnung zu entnehmen, die abgebrochen und in Draufsicht einen Schnitt durch eine Abdichtungseinrichtung nach der Erfindung in Anwendung auf einen mit rotierender Scheibe versehenen Regenerator einer Gasturbine zeigt.Further details of the invention can be found in the following description of an exemplary embodiment on the basis of the schematic Referring to the drawing, the broken off and a plan view of a section through a sealing device shows according to the invention applied to a rotating disk regenerator of a gas turbine.

Gemäß dem in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Gehäuse 1 vorgesehen (das während des Betriebs der Gasturbine von zwei getrennten Strömungen gasförmiger, wärmetauschender Medien durchquert wird), welches eine drehbare scheibenförmige Matrix 2 eines thermischen Regenerators einschlie3t. Letzterer ist mit einer Abdichtungseinrichtung versehen, die eine kontinuierliche bzw. endlose Dichtungjauflage 3 in reibender Berührung mit der entsprechenden Oberfläche der Matrix 2 aufweist sowie einen die Dichtungsauflage 3 tragenden Stützring 4, eine biegsame Dichtungsschürze 5 aus sehr dünnem Metall, die am Stützring 4 so befestigt ist, daß sie um eine Kante 5 desselben schwenkbar ist, und die sich schräg über den Spalt 7According to the embodiment shown in the drawing, a housing 1 is provided (which during operation of the Gas turbine is traversed by two separate flows of gaseous, heat-exchanging media), which one includes rotatable disc-shaped matrix 2 of a thermal regenerator. The latter is provided with a sealing device which is continuous or endless Dichtjauflage 3 in rubbing contact with the corresponding Has surface of the matrix 2 as well as a support ring 4 carrying the sealing support 3, a flexible one Sealing skirt 5 made of very thin metal, which is attached to the support ring 4 so that it is around an edge 5 of the same is pivotable, and which extends obliquely over the gap 7

719618914.6.73719618914.6.73

zwischen dem Stützring 4 und dem Gehäuse 1 erstreckt. Ferner ist ein elastisches Stützglied 8 von dickerem Blech als die Schürze 5 vorgesehen und eine Halteeinrichtung 9. Die Hochdruckzone, die von der komprimierten Eingangsluft durchquert wird, bevor sie die Matrix 2 durchströmt, ist mit 10 bezeichnet, und die Niederdruckzone, die von den Abgasen eingenommen wird, ist mit 11 bezeichnet.extends between the support ring 4 and the housing 1. Furthermore, an elastic support member 8 is made of thicker sheet metal than that Apron 5 is provided and a holding device 9. The high pressure zone, which is traversed by the compressed inlet air before it flows through the matrix 2 is denoted by 10, and the low pressure zone occupied by the exhaust gases is indicated by 11.

Die mit ihrer Gegenfläche aii der Matrix 2 aufliegende Dichtungsauflage 3 enthält vorzugsweise ein Material wie weicher (niedrig gekohlter) Stahl, dessen Härte gering genug ist, um zu gewährleisten, daß thermische oder andere physikalische Verzerrungen durch die Druckluftbelastung kompensiert werden, um die Auflage 3 in Berührung mit der Oberfläche der Matrixscheibe 2 zu halten, und das doch kräftig genug ist, um den Belastungen durch die Druckdifferenz zu widerstehen, ebenso wie anderen Belastungen, beispielsweise durch das infolge der Reibung zwischen der rotierenden Scheibe 2 und der ortsfesten Dichtungsauflage 3 auftretende Drehmoment. Wenn die Dichtungsauflage 3 aus verschiedenem Material zusammengesetzt ist, so sollte das Material für die Grundlage (d.h. die Hauptkomponente) auch einen geeigneten Ausdehnungskoeffizienten haben, damit das Material sich mit den verschiedenen möglichen Überzügen, wie beispielsweise Nickeloxyd, verträgt oder auch mit aufgebrachten Blöcken oder Platten aus Gleitmaterial, wie beispielsweise Graphit. Im Rahmen der Erfindung kann die Dichtungsauflage 3 jede Art von Überzug oder Belag erhalten, der für ihre Dichtungsfunktion geeignet ist. The one lying on the matrix 2 with its opposite surface aii Sealing pad 3 preferably contains a material such as soft (low carbon) steel, the hardness of which is low enough to ensure that it is thermal or other physical Distortions caused by the compressed air load are compensated for by keeping the support 3 in contact with the surface the matrix disc 2, and yet strong enough to withstand the stresses caused by the pressure difference withstand, as well as other loads, for example due to the friction between the rotating Washer 2 and the stationary seal support 3 occurring torque. If the sealing pad 3 is made of different Material is composed, the material for the base (i.e. the main component) should also be a suitable one Have expansion coefficients so that the material can be used with the various possible coatings, such as Nickel oxide, tolerates or with applied blocks or plates made of sliding material, such as graphite. In the context of the invention, the sealing pad 3 can have any type of coating or covering that is suitable for its sealing function.

Das elastische Stützglied 8 kann beispielsweise aus 0,254 mm (0,01 Zoll) starkem Blech hergestellt sein, insbesondere aus einer Legierung auf Nickelbasis, die 2O?6 Cr, 3% Ife, einige geringere weitere Anteile und im übrigen Ni enthält.The elastic support member 8 can be made, for example, from 0.254 mm (0.01 inch) thick sheet metal, in particular from a nickel-based alloy which contains 20-6 Cr, 3% Ife, some minor other proportions and the remainder Ni.

Dieses Stützglied 8 v/eistThis support member 8 v / eist

über seine freie Breite sich ersrreckende (nicht gezeigte) Schlitze auf, die in Bohrungen enden, um ein Einreißen oder Entstehen von Rissen zu verhindern. Diese etwa parallel zur Erzeugenden des von dem Stützglied 8 gebildeten Kegelmantels verlaufenden Schlitze schaffen zusammenwirkende federnde Zungen, so daß das Stützglied zugleich als eine schwache Feder wirkt, welche die Dichtungsfläche der Auflage 3 in Berührung mit der Scheibe bzw. der Matrix 2 hält. Außerdem wird durch das Stützglied 8 die sehr dünne Dichtungsschürze 5 abgestützt, so daß sie der Druckdifferenz zwischen den Zonen 10 und 11 standhalten kann, welche Druckdifferenz 3,5 kg/cm (50 psi) oder mehr betragen kann. Die Ausmaße der Dichtungsauflage 3 und des Stützgliedes 8 sind so gewählt, daß sie den durch den Luftdruck auftretenden Belastungen an der Dichtungsfläche und der Scheibenoberfläche standhalten.extending beyond its free width (not shown) Open slots that end in bores to prevent tearing or cracking. This roughly parallel to Generating slots formed by the conical jacket formed by the support member 8 create co-operating resilient ones Tongues, so that the support member also acts as a weak spring, which the sealing surface of the support 3 in Contact with the disc or the matrix 2 holds. In addition, the very thin sealing apron is made by the support member 8 5 supported so that it can withstand the pressure difference between the zones 10 and 11, which pressure difference Can be 3.5 kg / cm (50 psi) or more. The dimensions of the sealing pad 3 and the support member 8 are as follows chosen so that they can withstand the loads on the sealing surface and the disc surface caused by the air pressure withstand.

Die Dichtungsschürze 5 aus Metallblech kann aus nickelplattiertem Kupferblech von etwa 0,0508 mm (0,002 Zoll) Stärke hergestellt werden, welches sich leicht verformt zur Anpassung an das Stützglied 8 und das Gehäuse 1. Der Luftdruck hält den Bereich 5A an der freien Kante der Schürze 5 fest gegen das Gehäuse 1 und bewirkt dadurch an dieser Stelle eine Abdichtung. Um die Wirksamkeit dieser Abdichtung zu steigern, kann zweckmäßig ein dünner Überzug aus Silikonkautschuk an der Unterseite des Bereichs 5A, v/elcher dem Gehäuse 1 aufliegt, angebracht werden.The sheet metal sealing skirt 5 may be made of nickel-plated copper sheet of about 0.0508 mm (0.002 inches) Strength can be produced, which is easily deformed to Adaptation to the support member 8 and the housing 1. The air pressure holds the area 5A at the free edge of the skirt 5 firmly against the housing 1 and thereby causes this Make a seal. In order to increase the effectiveness of this seal, a thin coating of silicone rubber can expediently be used on the underside of the area 5A, on which the housing 1 rests.

Wenn der Luftdruck bzw. der Überdruck in der Zone 10 nachläßt oder aufhört, kann es erforderlich werden, die Dichtungsschürze 5 aus Metallblech zwangsläufig in Berührung oder fast in Berührung mit dem Gehäuse 1 zu halten. DiesIf the air pressure or the overpressure in zone 10 decreases or ceases, it may be necessary to remove the sealing skirt 5 made of sheet metal inevitably to keep in contact or almost in contact with the housing 1. this

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läßt sich in idealer Weise dadurch erreichen, daß. der Bereich 5A der Schürze nicht schräg, wie der übrige Teil 5, sondern flach geformt ist, so daß beim Anlaufen der Turbine, wenn der Luftdruck bzw. Überdruck in der Zone 10 erst aufgebaut wird, die Schürze 5 schon bei sehr niedrigem Druck abdichtet, noch bevor die Turbine ihre Leerlaufdrehzahl erreicht. Es können jedoch auch andere Mittel verwendet werden, wie beispielsweise eine (nicht gezeigte) Fangplatte, welche die freie Kante des Bereichs 5A an der Schürze 5 gegen die Oberfläche des Gehäuses 1 hält, oder es kann für den gleichen Zweck eine Anordnung von Federn über den ganzen Bereich 5A verwendet werden, und diese Federn können zweckmäßig zugleich das Stützglied 8 darin unterstützen, die Dichtungsauflage 3 gegen die Scheibe bzw. Matrix 2 zu drücken, solange der Luftdruck noch im Entstehen begriffen ist, bei spiel sv/ei se während des Startens der Turbine.can ideally be achieved in that. the area 5A of the apron is not sloping like the rest of part 5, but is flat shaped, so that when the turbine starts up, when the air pressure or overpressure in zone 10 has only built up is, the skirt 5 already seals at very low pressure, even before the turbine reaches its idle speed achieved. However, other means can also be used, such as a catch plate (not shown), which holds the free edge of the area 5A on the skirt 5 against the surface of the housing 1, or it can be used for the same purpose an arrangement of springs over the whole area 5A can be used, and these springs can expediently at the same time support the support member 8 in closing the sealing support 3 against the disk or matrix 2 Press while the air pressure is still developing, for example sv / ei se while the turbine is starting.

Die Ilalteeinrichtung 9 weist drei am Gehäuse 1 befestigte Zapfen 12 auf, die über den Umfang des Stützrings 4 verteilt sind, der entsprechend drei Schlitze' 13 zur Aufnahme der Zapfen 12 aufweist. Diese Halteeinrichtung gestattet daher eine freie Bewegung der Dichtungsauflage 3 in Richtung senkrecht zur Oberfläche der Matrix 2, und sie ist zugleich geeignet, das durch Reibung infolge .der Rotation der Matrix 2 auf die Dichtungsauflage 3 übertragene Drehmoment aufzunehmen. The holding device 9 has three fastened to the housing 1 Pin 12, which are distributed over the circumference of the support ring 4, the corresponding three slots' 13 for receiving the pin 12 has. This holding device is permitted therefore a free movement of the sealing pad 3 in the direction perpendicular to the surface of the matrix 2, and it is at the same time suitable to absorb the torque transmitted to the sealing support 3 by friction as a result of the rotation of the matrix 2.

Um Axiallasten der Scheibe 2 in Richtung gegen die Oberfläche des Gehäuses 1, an welcher die Abdichtungseinrichtung gelagert ist, aufzunehmen und ein Zusammendrücken des Stützgliedes 8 und der Dichtungsschürze 5 zu verhindern, können (nicht gezeigte) Anschläge an geeigneten Stellen hinter der Dichtungsauflage 3 bzw. dem Ring 4 vorgesehenTo axial loads of the disc 2 in the direction against the surface of the housing 1 on which the sealing device is mounted to receive and to prevent compression of the support member 8 and the sealing skirt 5, stops (not shown) can be provided at suitable points behind the sealing support 3 or the ring 4

71β61β9ι*.6.7871β61β9ι * .6.78

sein. Eine axiale (parallel zur Richtung der Zapfen 12) Bewegung der Scheibe 2 in der einen Richtung bewirkt dann, daß die Dichtungsauflage 3 in Berührung mit den Anschlägen kommt und dadurch die Bewegung der Scheibe 2 begrenzt. Bei axialer Bewegung der Scheibe 2, in geringem Ausmaß, in entgegengesetzter Richtung bewirkt der Luftdruck, daß die Dichtungseinrichtung der Scheibe folgt, so daß auch in diesem Falle die Dichtungsauflage 3 in Berührung mit der Scheibe 2 bleibt. Hierbei und als Folge dessen vergrößert sich der Winkel zwischen der Basis der Dichtungseinheit 3,^ und dem Stützglied 8 (und damit der Dichtungsschürze 5), und die freie Kante bzw. der Bereich 5A der Schürze schleift auf der Oberfläche des Gehäuses 1, so daß aus diesem Grunde die freie Kante bzw. der Bereich 5A der Schürze ein bestimmtes Kaß an Bewegungsfreiheit haben muß.be. An axial (parallel to the direction of the pin 12) movement of the disc 2 in one direction then causes that the sealing support 3 comes into contact with the stops and thereby limits the movement of the disk 2. at axial movement of the disc 2, to a small extent, in the opposite direction, the air pressure causes the Sealing device of the disc follows, so that also in this case the sealing pad 3 in contact with the Disk 2 remains. Here and as a result, the angle between the base of the sealing unit 3, ^ increases and the support member 8 (and thus the sealing skirt 5), and the free edge or the area 5A of the skirt rubs on the surface of the housing 1, so that for this reason the free edge or the area 5A of the apron must have a certain amount of freedom of movement.

Claims

Da / Kt Leyland Gas Turbines Limited February 17, 1971 Protection claims:

1. Thermal regenerator, in particular for gas turbine systems, which has a rotatable disk-shaped matrix within a housing which is traversed by two separate, gaseous, heat-exchanging flows, characterized in that a sealing device is provided which has the following individual parts: a continuous, or endless sealing pad (3) in rubbing contact with the corresponding surface of the matrix (2); a support ring (4) carrying the seal support; a flexible sealing skirt (5) made of very thin metal, which is attached to the support ring so as to be pivotable about an edge (6) and which extends obliquely over the gap between the sealing ring and the housing (1); an elastic support member (8) made of thicker sheet metal. a as the apron, which is attached to the support ring (4), supports the apron (5) and at the same time exerts a weak spring effect on the sealing support (-3) in the direction towards the matrix (2); and a holding device (9) which holds the sealing support (3) with play in the direction perpendicular to the surface of the matrix and at the same time absorbs the torque transmitted to it by friction when the matrix is rotated.

2. Device according to claim 1, characterized in that that the sealing skirt (5) made of nickel-plated copper sheet with a thickness of about 0.0508 mm (0.002 inches).

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the sealing skirt (5) on the

Underside of a section (5A) resting against the housing (1) has a thin coating of silicone rubber wearing.

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the elastic support member (8) from a piece of sheet metal approximately 0.254 mm (0.01 inch) thick made of a nickel-based alloy.

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