DE970032C

DE970032C - Heat exchanger for gas turbines

Info

Publication number: DE970032C
Application number: DEH21439A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Alfred Schuette
Original assignee: Henschel and Sohn GmbH
Current assignee: Henschel and Sohn GmbH
Priority date: 1954-09-11
Filing date: 1954-09-11
Publication date: 1958-08-14

Description

Wärmeaustauscher für Gasturbinen Der Wärmeaustauscher ist derjenige Bauteil einer Gasturbinenanlage, der das größte Gewicht und den größten Raumbedarf hat. Es bereitet daher oft erhebliche Schwierigkeiten, den Wärmeaustauscher zweckmäßig anzuordnen. An einen guten Wärmeaustauscher muß man folgende Forderungen stellen i. Er soll bei möglichst geringer Austauschfläche und geringen Druckverlusten einen möglichst hohen Ausnutzungsgrad ermöglichen, 2. er soll so angeordnet werden können, daß die Zu- und Ableitungen für Luft und Abgase zum und vom Wärmeaustauscher möglichst kurz sind; 3. es soll wenig oder, wenn möglich, gar kein zusätzlicher Platz durch den Wärmeaustauscher beansprucht werden; q.. er soll billig in der Herstellung sein; 5. schadhafte Rohre sollen sich leicht auswechseln lassen. Es sind Wärmeaustauscher für Gasturbinen bekannt, bei denen die vom Casturbinenverdichter kommende.Luft im Innern von zahlreichen kleinen Wärmeaustauschrohren strömt, während die Abgase der Gasturbine die Wärmeaustauschrohre außen umspülen, und bei denen ein Zuführungsrohr für die zu erhitzende Luft großen Durchmessers zentral im Wärmeaustauscher angeordnet ist, während die zahlreichen kleinen, den eigentlichen Wärmeaustausch vermittelnden Rohre auf konzentrischen Kreisen um das Rohr großen Durchmessers herumgruppiert sind.Heat exchanger for gas turbines The heat exchanger is the one Component of a gas turbine system that has the greatest weight and the greatest space requirement Has. It therefore often causes considerable difficulties in making the heat exchanger suitable to arrange. The following requirements must be made of a good heat exchanger i. It should have the smallest possible exchange surface and low pressure losses enable the highest possible degree of utilization, 2. it should be able to be arranged in such a way that that the supply and discharge lines for air and exhaust gases to and from the heat exchanger as possible are short; 3. There should be little or, if possible, no additional space the heat exchanger are stressed; q .. it should be cheap to manufacture; 5. Damaged pipes should be easy to replace. They are heat exchangers known for gas turbines, in which the air coming from the cast turbine compressor is in the Inside of numerous small heat exchange tubes flows, while the exhaust gases of the Gas turbine flush around the outside of the heat exchange pipes, and where a supply pipe for the large diameter air to be heated, arranged centrally in the heat exchanger is, while the numerous small ones mediate the actual heat exchange Pipes grouped in concentric circles around the large diameter pipe are.

Bei diesen bekannten Wärmeaustauschern durchdringt das große zentrale Rohr den einen Luftsammelraum, in dem die den Wärmeaustausch vermittelnden Rohre kleinen Durchmessers befestigt sind, und mündet in den zweitenLuftsammelraum ein.In these known heat exchangers, the large central part penetrates Tube the one air-collecting space in which the tubes mediating the heat exchange small diameter are attached, and opens into the second air plenum.

Außerdem sind schon ähnlich gestaltete Wärmeaustauscher vorgeschlagen worden, bei denen das die Rohre kleinen Durchmessers umspülende Mittel im Gegenstrom zu dem die Rohre durchfließenden Mittel strömt.In addition, similarly designed heat exchangers have already been proposed been where the washing around the small diameter pipes Agent flows in countercurrent to the agent flowing through the tubes.

Erfindungsgemäß sollen derartige Wärmeaustauscher für Gasturbinen dadurch verbessert werden, daß die kleinen, den Wärmeaustausch vermittelnden Rohre an beiden Enden in. etwa halbkugelförmigen an sich bekannten Luftsammelräumen befestigt sind. Diese Luftsammelräume können an- beiden Enden gleich ausgeführt werden und verbilligen damit die Fertigung. Außerdem sind diese Teile durch ihre halbkugelförmige Ausbildung geringem beansprucht als irgendwie anders geartete Sammelkästen.According to the invention, such heat exchangers for gas turbines can be improved by the fact that the small tubes which convey the heat exchange Attached at both ends in approximately hemispherical air-collecting spaces known per se are. These air plenums can be made the same at both ends and thus make manufacturing cheaper. Also, these parts are hemispherical due to their shape Training is less stressed than any other type of collection box.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung besteht der die Turbinengase führende Teil des Wärmeaustauschers aus zwei birnenförmigen Hohlkörpern und einem zylindrischen Teil, wobei die birnenförmigen Hohlkörper die halbkugeligen-Luftsammelbehälter und der zylindrische Teil die zahlreichen kleinen Röhre umgeben.According to a further feature of the invention, there is the turbine gases leading part of the heat exchanger made of two pear-shaped hollow bodies and one cylindrical part, the pear-shaped hollow body being the hemispherical air-collecting container and the cylindrical part is surrounded by numerous small tubes.

Durch gleiche Ausführung der beiden birnenförmigen Hohlkörper wird eine weitere Vereinfachung der Fertigung erzielt. Der für die Abströmung der Abgase verfügbare Zwischenraum zwischen dem. oberen halbkugelförmigen Luftsammelr aum und dem oberen birnenförmigen Hohlkörper ermöglicht bei entsprechender Formgebung eine Diffusorwirkung, welche die Druckverluste des Wärmeaustauschers verringert. Schließlich wird der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher in an sich bekannter Weise stehend unmittelbar über dem Austrittsstutzen der Gasturbine angeordnet. Die Abgase treten also unmittelbar aus der Turbine in den Wärmeaustauscher ein. Die Luft wird ebenfalls am unteren Ende des W ärmeaustauschers eingeführt und in einem zentral angeordneten Rohr großen Durchmessers durch den unteren halbkugelförmigen Luftsammelraum hindurch zum oberen Luftsammelraum geleitet. Von dort wird sie durch die kleinen Rohre zum unteren Luftsammelraum geführt, aus dem sie senkrecht zur Achse des Wärmeaustauschers zur Brennkammer abgeleitet wird.With the same design of the two pear-shaped hollow bodies a further simplification of the production achieved. The one for the outflow of the exhaust gases available space between the. upper hemispherical air collector aum and the upper pear-shaped hollow body allows an appropriate shape Diffuser effect, which reduces the pressure drop in the heat exchanger. In the end the heat exchanger according to the invention is directly standing in a manner known per se Arranged above the outlet nozzle of the gas turbine. The exhaust gases occur immediately from the turbine into the heat exchanger. The air is also at the bottom End of the heat exchanger inserted and large in a centrally located tube Diameter through the lower hemispherical air plenum to the upper one Air plenum directed. From there, through the small pipes, it becomes the lower air plenum out of which it is derived perpendicular to the axis of the heat exchanger to the combustion chamber will.

Die erfindungsgemäße Anordnung hat außerordentliche Vorteile. Besonders günstig wirln sich die erfindungsgemäße Anordnung bei sogenannten Einwellengasturbinen aus, da sich hier .für die Luft vom Verdichter zum Wärmeaustauscher und vom Wärmeaustauscher zur Brennkammer die kürzesten, überhaupt möglichen Rohrlängen ergeben. Eine Abgasleitung von der Turbine zum Wärmeaustauscher ist praktisch nicht vorhanden; da der Wärmeaustauscher unmittelbar auf den Austrit'sstutzen der Turbine aufgesetzt wird. Das Auswechseln schadhafter Rohre läßt sich leicht durchführen, da die Rohre gerade und keine Trennwände vorhanden sind. Die leichte Zugänglichkeit zu den Rohren ist vom oberen und unteren Luftsammelraum, die geteilt ausgeführt werden können, ebenfalls gegeben.The arrangement according to the invention has extraordinary advantages. Particularly The arrangement according to the invention is favorable in so-called single-shaft gas turbines because here .for the air from the compressor to the heat exchanger and from the heat exchanger result in the shortest possible pipe lengths to the combustion chamber. An exhaust pipe from the turbine to the heat exchanger is practically non-existent; because the heat exchanger is placed directly on the outlet nozzle of the turbine. The replacement Damaged pipes can be carried out easily because the pipes are straight and no partitions available. The easy access to the pipes is from the top and bottom Air plenum spaces that can be split are also given.

Bei Schiffsanlagen ist die erfindungsgemäße Anordnung des Wärmeaustauschers außerordentlich vorteilhaft, da durch den Wärmeaustauscher praktisch überhaupt kein zusätzlicher Raum beansprucht wird. Über der Maschinenanlage befindet sich immer der Maschinenschacht mit dem Schornstein. Hier läßt sich-der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher, der ja nichts anderes als eine im Durchmesser vergrößerte Abgasleitung darstellt, leicht anordnen.In ship systems, the inventive arrangement of the heat exchanger extremely advantageous since practically none at all due to the heat exchanger additional space is required. There is always above the machine system the machine shaft with the chimney. Here, the heat exchanger according to the invention, which is nothing more than an exhaust pipe with an enlarged diameter, easily arrange.

In den beiden Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.An exemplary embodiment of the invention is shown schematically in the two figures shown.

Fig. i zeigt den erfindungsgemäßen Wärmeauseauscher im Längsschritt und Fig.2 die Anordnung des Wärmeaustauschers an einer Einwellenanlage.Fig. I shows the heat exchanger according to the invention in longitudinal step and FIG. 2 shows the arrangement of the heat exchanger on a single-shaft system.

Die vom Verdichter kommende Luft tritt hei i in den Wärmeaustauscher ein und strömt in dem zentral im Wärmeaustauscher angeordneten Rohr 2 in den oberen Luftsammelbehälter 3. Von hier tritt die Luft durch die zahlreichen kleinen Rohre q., die den Wärmeaustausch vermitteln, in den unteren Luftsammelraum 5. Die nun vorgewärmte Luft tritt durch die Leitung 6 in die nicht dargestellte Brennkammer ein. Die aus der Turbine austretenden Abgase gehangen bei 7 in den unteren birnenförmigen Abgasraum 8, der den Luftsammelbehälter 5 umgibt, umströmen dann im zylindrischen Teil 9 die kleinen Rohre q. im Gegenstrom und werden im birnenförmigen Abgasraum io, der den oberen Luftsammelraum 3 umgibt, gesammelt. Durch den Austrittsstutzen i i verlassen sie den Wärmeaustauscher.The air coming from the compressor enters the heat exchanger hot and flows into the upper tube 2, which is arranged centrally in the heat exchanger Air collection container 3. From here the air passes through the numerous small pipes q., which mediate the heat exchange, in the lower air plenum 5. The now preheated air passes through line 6 into the combustion chamber, not shown a. The exhaust gases emerging from the turbine hung at 7 in the lower pear-shaped Exhaust gas space 8, which surrounds the air collecting container 5, then flow around in the cylindrical Part 9 the small pipes q. in countercurrent and are in the pear-shaped exhaust space io, which surrounds the upper air plenum 3, collected. Through the outlet nozzle i i leave the heat exchanger.

In Fig. 2 saugt der Verdichter 2o die Luft bei 21 an, verdichtet sie und drückt sie über die Leitung. 22 dem Wärmeaustauscher 23 zu. Die im Wärmeaustauscher erwärmte Luft gelangt durch die Leitung 2¢ zur Brennkammer 25, in die durch die Einspritzdüse 26 Brennstoff eingespritzt wird. Die erzeugten Verbrennungsgase treten in das Zuströmgehäuse 27 der Turbine 28. Nach der Entspannung verlassen sie durch das Austrittsgehäuse 29 die Turbine und durchströmen den Wärmeaustauscher 23, in dem sie die ihnen noch innewohnende Wärme zum größten Teil an die verdichtete Luft abgeben. Durch die Abgasleitung 30 gelangen die Verbrennungsgase in, die Atmosphäre. Die Turbine 28 treibt außer dem Verdichter 2o noch einen elektrischen Stromerzeuger 31 911-In Fig. 2, the compressor 2o sucks in the air at 21, compresses it and pushes it through the line. 22 to the heat exchanger 23. The air heated in the heat exchanger passes through the line 2 [to the combustion chamber 25, into which fuel is injected through the injection nozzle 26. The combustion gases generated enter the inflow housing 27 of the turbine 28. After the expansion, they leave the turbine through the outlet housing 29 and flow through the heat exchanger 23, in which they emit most of the heat still inherent in them to the compressed air. The combustion gases enter the atmosphere through the exhaust pipe 30. In addition to the compressor 2o, the turbine 28 also drives an electrical power generator 31 911-

Claims

PATENT CLAIMS-i. - Heat exchanger for gas turbines, in which the Air coming from the gas turbine compressor inside numerous small heat exchanger tubes flows while the exhaust gases from the gas turbine flow through the heat exchanger tubes in countercurrent flush around the outside, and with a large diameter tube in the center of the heat exchanger is arranged while the numerous small, the actual heat exchange mediating pipes on concentric circles around the large diameter pipe are grouped and fixed in collecting containers at both ends, the pipe large diameter penetrates the one collecting container and into the second collecting container opens, characterized in that the collecting tank of the pipes of small diameter are designed in a manner known per se half spherical and that the turbine exhaust gases leading part of the heat exchanger made of two pear-shaped hollow bodies and one cylindrical part, the pear-shaped hollow body being hemispherical The collecting tank and the cylindrical part are the numerous that convey the heat exchange surrounded by small tubes.

2. Countercurrent heat exchanger according to claim 1, characterized in that the heat exchanger standing vertically in a manner known per se above the outlet nozzle of the gas turbine and the supply pipe from the compressor to the heat exchanger and the discharge pipe for the preheated air from the heat exchanger to the combustion chamber perpendicular to the axis of the heat exchanger are arranged. Considered publications: German Patent Nos. 890 349, 880 752, 3 0 1 142, 154 663, 154 660; Swiss Patent No. 246 795; U.S. Patent No. 2,594,761; U 11 m an ns "Encyclopedia of Industrial Chemistry", Vol. 1, 1951, p.269; "The Oil Engine and Gas Turbine", March 1951, p. 348; "Engineering", February 23, 1951, pp. 21o and 211.