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Wärmetauscher
EP0199321A1
European Patent Office
- Other languages
English French - Inventor
Klaus Dipl.-Ing. Hagemeister Bernhard Dr. Wöhrl - Current Assignee
- MTU Aero Engines AG
Description
translated from
-
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. -
[0002] Bei einem derartigen, z.B. aus der US-PS 4,475,586 bekannten Wärmetauscher ist es erforderlich, eine Berandungsleitwand im Bereich der Umlenkung der zu U-förmigei Bügeln geformten Rohre anzuordnen. Derartige Berandungen wurden bislang beispielsweise als Blechflügel ausgeführt, die ausschließlich der bogenförmigen außenständigen Kontur der Rohrbügel im Bereich der Umlenkung folgen. Da eine solche Berandung konstruktionsbedingt Bestandteil einer anderen, die Wärmetauscherrohrmatrix ummantelnden Gehäusebaueinheit ist, deren Temperatur- und Dehnungsver- .läufe sich von denen der Wärmetauscherrohrmatrix unterscheiden, erfordert eine derartige Anordnung, um das Prinzip der freien Verschieblichkeit der randständigen Rohrbügel der Matrix nicht zu gefährden, einen dementsprechenden Abstand zwischen dem Blechflügel und der randständigen Reihe von Rohrbügeln der Matrix. -
[0003] Für das eine Arbeitsmedium, also das Heißgas, bewirkt ein solcher Abstand einen verhältnismäßig großen Teilleckfluß. -
[0004] Daraus ergeben sich zwei wesentliche, die Effektivität des Wärmetauschers beeinträchtigende Nachteile: - Es ist dies erstens die Tatsache, daß diese Heißgasleckmenge nicht am Wärmetauschprozeß teilnimmt, und zweitens, daß sie am Austritt aus dem Spalt mit verhältnismäßig großer Strömungsgeschwindigkeit in das natürliche Heißgasabströmgebiet stromab der Profilrohrmatrix "schießt", wodurch Mischturbulenzen in diesem Abströmgebiet, und damit also verhältnismäßig starke Strömungsungleichförmigkeiten entstehen, die zusammen mit dem ersten Nachteilsfaktor zu einer verhältnismäßig starken Verringerung des Wärmetauschgrades führen.
-
[0005] Bei einem weiteren aus der US-PS 3,746,083 bekannten Wärmetauscher ist die der Matrixumlenkung.mit Abstand folgende Berandungsleitwand fester Bestandteil des die Heißgase führenden Gehäuses und stützt sich dabei unmittelbar mittels den Spalt zwischen Berandungsleitwand und Matrixrohrbügeln überbrückender Druckstücke an den letzteren ab. Hierdurch kann zwar der äußere Heißgasleckflußspalt teilweise abgedichtet werden mit der gleichzeitigen Folge eines jedoch undefinierbaren Wärmeaustauschprozesses im Bereich der äußeren Rohrbügelumlenkung. Eine homogen entlang des äußeren Umlenkbereiches der Matrixrohrbügel geführte Heißgasströmung kann somit'nicht gewährleistet sein. Insbesondere im Umlenkungsbereich hervorgerufene, thermisch bedingte Differenzdehnungen zwischen den Rohrbügeln selbst sowie zwischen Rohrmatrix und Gehäuse bzw. äußerer Berandungsleitwand finden im vorliegenden bekannten Fall keinerlei Berücksichtigung. -
[0006] Im Rahmen des zuvor erörterten Standes der Technik finden ferner betriebsbedingte Relativbewegungen der Matrixrohrbündel als Ursache von Rohrschwingungen und -Auslenkungen keinerlei Berücksichtigung. Darüber hinaus sind zu Bekanntem keinerlei Mittel aufgezeigt, die im Rahmen des besprochenen Problemkreises in der Lage wären, unter gleichzeitiger Kompensation der genannten Relativbewegungen der Rohrmatrix deren Schwingungen zu dämpfen. -
[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erwähnten Nachteile zu beseitigen und einen Wärmetauscher nach der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Relativbewegungen der einzelnen Profilrohre untereinander sowie zwischen den letzteren und der die Matrix umschließenden Heißgasgehäusestruktur beherrschbar und zugleich insbesondere der bogenförmige äußere Profilrandbereich der Matrix weitestgehend mit in den Wärmetauschprozeß einbeziehbar ist, ohne die Homogenität des heißgasseitigen Abströmgebietes am Matrixaustritt zu gefährden. -
[0008] Die gestellte Aufgabe ist gemäß den Merkmalen des Kennzeichnungsteils des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst. -
[0009] Das erfindungsgemäße Dichtelement ist somit in der Lage, die als Ursache von unterschiedlichen Temperaturen, Schwingungen oder elastischen Auslenkungen verursachten Relativbewegungen der einzelnen Matrix-Rohrbügel zu kompensieren und zugleich dabei den unerwünschten, zuvor definierten Heißgasleckspalt konsequent abzusperren, und zwar so, daß auch der äußere randständige Matrixumlenkungsbereich im Rahmen der Heißgashauptdurchströmrichtung in den Wärmetauschprozeß einbeziehbar ist. -
[0010] Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 15. Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläutert; es zeigen: - Fig. 1 eine schematische wiedergegebene Grundausführung des Wärmetauschers, worin eine Stirnseite der Profilrohrmatrix nebst Rohrführungen im Wege einergänzlich geschnittenen Gehäusestruktur sowie die Nachteile zu Bekanntem verdeutlicht sind,
- Fig. 2 die Profilrohrmatrix nach Fig. 1 in schematischer perspektivischer Ansicht im Bereich der Umlenkung unter Weglassung der Berandungsleitwand,
- Fig. 3 eine im Gegensatz zu Fig. 1 seitlich von zwei benachbarten Sammelrohren U-förmig auskragende Rohrmatrix unter Zuordnung des Erfindungsgegehstandes im Wege eines Teillängsschnitts der - Gehäuse- und Berandungsleitwandstruktur,
- Fig. 4 ein beipielsweise das thermisch bedingte Ausdehnungskompensationserfordernis der Rohrmatrix unter Bezug auf die Berandungsleitwand verkörperndes Schema zum Wärmetauscher nach Fig. 3,
- Fig. 5 ein die Relativbewegung einzelner Rohrbögen verdeutlichendes Schema gemäß Schnitt A-A der Fig. 4,
- Fig. 6 eine Metall-Filz-Matten-Matrix-Querschnittssektion, worin die Metall-Filz-Matte mit Ausnehmungen für anströmseitige Matrixprofilenden ausgestaltet ist,
- Fig. 7 einen Abschnitt der blechbeschichteten Metall- Filz-Matte gemäß Blickrichtung C der Fig. 6,
- Fig. 8 einen Schnitt gemäß D-D der Fig. 7 unter Zu- ' ordnung der Matrix nebst Sammelrohren nach Fig. 6, insbesondere aber auch Fig. 3,
- Fig. 9 einen Gehäuse-Dichtungs-Teillängsschnitt im Berandungsleitwandbereich mit stromabwärtig federelastisch abgedichteter Gaszuströmpassage zur . Gasteilstromablenkung über die Metall-Filz-Matte sowie, im Sinne eines Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauscherprozesses, über die der Matte zumindest unmittelbar benachbarte Matrix-Rohrbogen-Sektion,
- Fig. 10 eine perspektivisch dargestellte Wärmetauscheralternative zu den Fig. 1,3,8 und 9 und
- Fig. 11 eine für die genannten Wärmetauscherbeispiele geeignete Matrix-Profilquerschnitts-Sektion, die sich aus einem der Heißgashauptströmungsrichtung G folgenden Matrixschnitt ergibt.
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[0011] Der in Fig. 1 und 2 veranschaulichte Wärmetauscher besteht aus einer ersten, als Sammelbehälter 15 ausgebildeten Rohrführung, einer im wesentlichen parallel dazu verlaufenden, ebenfalls als Sammelrohrbehälter 16 ausgebildeten zweiten Rohrführung und aus einer von Heißgasen G umströmbaren Rohrmatrix 1, die eintrittsseitig für die Zuführung eines aufzuheizenden Arbeitsmediums, z.B. Druckluft (Pfeil D) an den ersten Sammelbehälter 15 und für die Abführung der aufgeheizten Druckluft (Pfeil D') austrittsseitig an den zweiten Sammelbehälter 16 angeschlossen ist. Die Rohrmatrix 1 besteht aus seitlich von beiden Sammelbehältern 15, 16 quer gegen die Heißgasströmungsrichtung G auskragenden, U-förmigen Matrixrohrbügeln 2, deren äußerer Umlenkungsbereich von einer Berandungsleitwand 3 umgeben ist, die zu- und abströmseitig mit der Wandstruktur des Heißgasgehäuses verbunden ist. -
[0012] Die Rohrmatrix 1 besteht also aus einem Feld von mit Abstand nebeneinander sowie - als Querschnitt gesehen - verschachtelt im wesentlichen gleichförmig räumlich zueinander versetzt angeordneten Matrixrohrbügeln 2 (s.h. auch Fig. 11). -
[0013] Die beiden Rohrführungen für die voneinander getrennte Druckluftzufuhr in die Rohrmatrix bzw. Druckluftabführung aus der Rohrmatrix könnten auch in ein gemeinsames Sammelrohr integriert sein, wie dies aus der US-PS 3,746,083 bekannt ist. -
[0014] Wie auch anhand der Fig. 4 verdeutlicht, muß zwischen der Berandungsleitwand 3 und den unmittelbar benachbarten Sektionen der Matrixrohrbügel 2 im äußeren Matrixumlenkungsbereich ein verhältnismäßig großer Abstand eingehalten werden, der zugleich, gemäß Fig. 1 wiederum einen verhältnismäßig großen Heißgasteilleckfluß A erzwingen würde, der wiederum einen verminderten Wärmetauschgrad nach sich ziehen würde, weil der Heißgasteilleckfluß A, losgelöst von Heißgashauptstrom G, im wesentlichen nur den genannten Abstandsspalt durchströmt, nicht jedoch die im äußeren Randbereich befindlichen Matrixprofilbögen umströmt. Zugleich würde dem genannten Heißgasteilleckfluß A gegenüber dem Heißgashauptstrom G ein verhältnismäßig großer Geschwindigkeits- überschuß zuteil, der zu Mischturbulenzen beim Wiedereinströmen in den die Matrix verlassenden Hauptstrom G und damit ebenfalls zu Ungleichförmigkeiten des Wärmetauschprozesses führen könnte. -
[0015] Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für im wesentlichen unveränderte Bauteile gegenüber Fig. 1 verkörpert in Fig. 4 a den Abstand der Matrixrohrbügel 2 zum Gehäuse bzw. zur Berandungsleitwand 3 in kaltem Zustand und b den betreffenden erforderlichen Abstand im heißen Zustand, der die zuvor beschriebenen Nachteile beim Wärmetauschprozeß zeitigt, andererseits aber unbedingt eingehalten werden muß, um z.B. Scheuerbewegungen der Matrix am Gehäuse bzw. an der Berandungsleitwand 3 zu verhindern, wobei diese Scheuerbewegungen z.B. ursächlich für betriebsbedingte Matrixschwingungen sein können (stoßweise Fahrbetrieb). -
[0016] Insbesondere muß besagter Abstand a (Fig. 4) baulich berücksichtigt werden, um betrieblich bedingte Differenzdehnungen der Matrixrohrbügel 2 bzw. stets eine freie Dehnbarkeit der letzteren gegenüber dem Gehäuse bzw. der Berandungsleitwand 3 sicherstellen zu können. -
[0017] Fig. 5 verkörpert variable Relativbewegungsmöglichkeitun dreier Matrixrohrbügel 2, 2', 2" untereinander, die sich zum einen in einem seitlichen Versatz c des Rohrbügels 2, zum anderen in einem in Matrixlängsrichtung von der Berandungsleitwand 3 wegführenden Versatz d des Rohrbügels 2' sowie z.B. in einem gegen die Berandungsleitwand 3 gerichteten, in Matrixlängsrichtung verlaufenden Versatz e des Rohrbügels 2" äußern können. -
[0018] Zur Lösung des in Rede stehenden und unter anderem über die Fig. 1, 4 und 5 verdeutlichten Problems soll gemäß Fig. 3 der zwischen dem äußeren Umlenkungsbereich der Rohrbügelmatrix 1 und der daran angrenzenden Berandungsleitwand 3 befindliche Heißgasleckspalt (Beißgasmindestleckspalt b - Fig. 4) durch mindestens ein flexibles, elastisches Dichtelement 17 abgesperrt sein. Durch dieses Dichtelement 17 gelingt es zunächst, die Wärmeverluste entsprechend gering zu halten; mit anderen Worten wird der verlustreiche Heißgasleckstromanteil A gemäß Fig. 1 vermieden, d.h., der Heißgashauptstrom G erfährt lediglich im U-förmigen Matrixumlenkbereich einen durch das genannte Dichtelement 17 erzwungenen, leieht seitlich auspendelnden Stromungsverlauf 6' der zugieich eine unbehinderte, nahezu vollständige Heißgasumströmung des Matrixrohrbügels, z.B. 2, also auch im äußeren Randbereich der Matrix 1 ermöglicht. -
[0019] Eine weitere Aufgabe des Dichtungselementes 17 ist es, die unterschiedlichen Temperaturdehnungen zwischen Rohrbündel und gekühltem, bzw. isoliertem Gehäuse 12 aufzunehmen Wie zuvor anhand der Fig. 4 erläutert. Die Rohrbündel erfahren untereinander Relativbewegungen infolge unterschiedlicher Temperaturen, Schwingungen oder elastischer Auslenkungen. Das Dichtungselement 17 soll diese unterschiedlichen Bewegungen aufnehmen können, wie sie im übrigen auch schon in Fig. 5 zuvor erläutert worden sind. -
[0020] Dabei kann dieses Dichtelement 17 (Fig. 3) den äußeren Umlenkungsbereich der Rohrbügelmatrix 1 teilweise bzw. im wesentlichen - wie dargestellt - oder aber auch gänzlich umschließen. -
[0021] Gemäß Fig.6 oder 8 oder 9 kann das Dichtelement 17 in besonders vorteilhafter Ausgestaltung als eine flexible, aus elastischem Metallfilz gefertigte Matte ausgebildet seih. -
[0022] Die flexible Matte paßt sich den zu Fig. 5 beispielhaft genannten Relativbewegungen der einzelnen Matrixrohr- bügel 2, 2', 2", der Matrix 1 an und ist auch ih der Lage, die Schwingungen der betreffenden Matrixrohrbügel aufzunehmen bzw. stark zu dämpfen, also in der Art eines "Schwingungsdämpfungspolsters". -
[0023] Wie ferner z.B. aus Fig. 3,4,5 oder 9 ersichtlich, kann die Berandungsleitwand 3 zumindest einschließlich zugehöriger heißgasan- und -abströmseitiger Wandstruktur des Gehäuses 12 auf der der Rohrmatrix 1 bzw. dem Dichtelement 17 zugekehrten Seite mit einer thermischen Isolierung 18 ausgekleidet sein, um das Gehäuse 12 möglichst kühl zu halten, und damit also keinen nennenswerten, heißgasbedingten thermischen Dehnungen auszusetzen. -
[0024] Gemäß Fig. 9 soll das Dichtelement 17, als Metallfilzmatte, auf der von der Rohrbügelmatrix 1 abgewandten.Seite mittels eines dünnen Bleches 19 abgedeckt sein, das gegenüber der Berandungsleitwand 3 bzw. deren Isolierung 18 unter Belassung einer bogenförmigen Gaszuströmpassage 20 angeordnet ist, die am stromabwärtigen Ende durch eine nach außen abgebogene Sektion des Bleches 19 als federnde Dichtung 21 zugleich abgesperrt ist, indem diese Sektion am Gehäuse 12 bzw. an der Berandungsleitwand 3 fixiert sein soll, z.B. im Wege einer Schraubverbindung 22. Dabei verkörpert die gestrichelte wiedergegebene Kontur des Bleches 19 die erfindungsgemäße thermische Kompensation als Folge dieser federelastischen Dichtungs-Absperr-Kombination. -
[0025] Fig. 9 verdeutlicht also ferner, das die Gaszuströmpassage 20 zur Abzweigung eines Teils der in Hauptströmungs- richtung gegen die Matrix 1 gerichteten Heißgase G ausgebildet sein soll. -
[0026] Erfindungsgemäß kann aber auch anstelle des Bleches 19 (Fig. 11) eine Folie vorgesehen sein. -
[0027] Nicht weiter dargestellt, können ferner einzelne Sektionen des Bleches 19 oder der Folie durch Löten, Falzen oder klammerartig mit der Metall-Filz-Matte verbunden sein. -
[0028] Im Hinblick auf das Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 ist es ferner besonders vorteilhaft, wenn das Abdeckblech 19 oder die Folie mit Durchbrüchen 23,24,25 versehen ist, die mit der Gaszuströmpassage 20 kommunizieren und über welche (23,24,25) die im äußeren Umlenkungsbereich befindliche Rohrbügelmatrix 1 über das als Metall-Filz-Matte ausgebildete Dichtelement 17 in Querrichtung umströmbar ist. Auf diese Weise kann also auch im äußeren Matrixumlenkbereich ein Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauschprozeß ermöglicht werden. Die Pfeile F kennzeichnen den Heißgasfluß aus der Gaszuströmpassage 20, durch die Metall-Filz-Matte hindurch, über den äußeren randständigen Matrixrohrbügel 2 hinweg. -
[0029] Gemäß Fig. 6 weist das als Metall-Filz-Matte ausgebildete Dichtelement 17 an der Kontaktzone für die unmittelbar benachbarten Rohrbügel 2 des Matrixumlenkbereiches entsprechend der anströmseitigen Profilkontur gemäß vorprofilierte Ausformungen 26 auf. -
[0030] Auf diese Weise kann eine weitere Stabilisierung der Profilrohrmatrix, insbesondere im äußeren randständigen Umlenkungsbereich, erreicht werden. Ferner kann hierdurch die Abdichtwirkung verbessert werden. -
[0031] Wie ferner anhand der Fig. 7 verdeutlicht, können die Durchbrüche 23,24,25 in der Weise örtlich unterschiedlich dimensioniert und verteilt sein, daß ein im Betrieb stets vorhandener Differenzgasdruck eine lastabhängige, abdichtende Anpreßkraft der von einem Blech 19 oder einer Folie ummantelten Metall-Filz-Matte gegen die daran angrenzenden Rohrbögen 2 der Rohrbügelmatrix 1 ausübt. -
[0032] Da die Filzmatte mit dem durchbrochenen äußeren Blech/ Folie für das Heißgas einen durch Variation der Durchbruchsfläche anpaßbaren Widerstand bietet, übt die dabei entstehende Druckdifferenz eine Anpreßkraft in Richtung Rohrbogen aus. Diese Anpreßkraft erhöht die Dichtwirkung. Die Anpreßkraft ist dabei lastabhängig. Beim Einsatz dieses Wärmetauschers, z.B. in einer Fahrzeuggasturbine, hat dies den Vorteil, daß bei Leerlauf der Turbine und bei Stillstand des Fahrzeugs die Anpreßkraft gering ist (es treten dabei keine äußeren Kräfte auf, die zu Relativbewegungen der Rohrbündel führen). Im Fahrbetrieb, wo Stöße und Schwingungen die Rohrbündel auslenken können, wird durch verstärkte Anpreßkraft infolge höheren Differenzdruckes Δp bei höherer Triebwerksdrehzahl die Dichtwirkung erhöht und das Rohrbündel stabilisiert. -
[0033] Im Fahrbetrieb ergibt sich also ein erhöhter Gesamtmassendurchsatz durch das Gasturbinentriebwerk. Die dabei erhöhte Anpresskraft des z.B. als Metall-Filz-Matte ausgebildeten Dichtelements 17 resultiert aus der Druckdifferenz Δp zwischen dem auf der einen Seite in der Gaszuströmpassage 20 (Fig. 9) sich als Ursache der vorgewählten Drosselwirkung über die Durchbrüche 23, 24, 25 (Fig. 7) ausbildenden Heißgasstaudruck p, der den Heißgasdruck p' in der Matrix, hinter der Metall-Filz-Matte, übersteigt (p> pl). -
[0034] In sinngemäßer Anlehnung an Fig. 9 sind auch in Fig. 8 die Heißgashauptströmungsrichtung mit G, die davon abgespaltenen, das als Metall-Filz-Matte ausgebildete Dichtelement 17 durchströmenden Heißgasstromanteile mit F bezeichnet. -
[0035] Bei den Ausführungsbeispielen, z.B. nach Fig. 3, 8 und 9, sind die voneinander getrennten Druckluftführungen15, 16 jeweils durch separate Sammelrohre 29, 30 gebildet. Stattdessen kann z.B. auch ein einzelnes Sammelrohr 31 zur Aufnahme von beiden getrennten Druckluftführungen 15, 16 ausgebildet sein, wie dies bei einem Wärmetauscher nach Fig. 10 verdeutlicht ist, dessen Wirkungsweise grundsätzlicht hinsichtlich der übrigen Bezugszeichen 1, D, D', G mit Fig. 1 identisch ist. -
[0036] Wie ferner aus dem.Matrixquerschnitt nach Fig. 11 entnehmbar, sollen die einzelnen Rohrbügel 2 der Matrix 1 vorzugsweise aerodynamisch optimierte, im Querschnitt lan- zetten- oder linsenförmige Hohlprofilkörper sein, die jeweils zwei durch einen mittleren Quersteg 7' voneinander getrennte innere Druckluftkanäle 8', 9' aufweisen, die eine dreieckförmige, im Sinne der an- und abströmseitigen Enden zugespitzt auslaufende Konturierung aufweisen. -
[0037] Gemäß dem Matrixfeld nach Fig. 11 greifen dabei die einzelnen Profilreihen der Matrixrohrbügel 2 unter Gewährleistung der zulässigen HeiBgasversperrung räumlich verschachtelt ineinander.