DE1751075A1

DE1751075A1 - Druckaustauscher,insbesondere fuer Gasturbinenstrahltriebwerke

Info

Publication number: DE1751075A1
Application number: DE19681751075
Authority: DE
Inventors: Williamson Douglas Herbert
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1967-03-30
Filing date: 1968-03-28
Publication date: 1970-12-10
Also published as: US3486686A; FR1557384A; GB1181813A

Description

DlPL-ING. GONTHER KOCH DR. TINO HAIBACH

s München χ 2δ.März 1968

UNSE« ZEICHEN: 11295 -

Rolls-Royce Limited, Derby, Derbyshire, England.

Druckaustauscher, insbesondere für Gasturbinenstrahltriebwerke

Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckaustauscher, insbesondere aber nicht ausschließlich für Gasturbinenstrahltriebwerke.

Unter einem "Druckaustauscher" soll hierbei eine Maschine verstanden werden, bei der Kompression und Expansion gleichzeitig durch Druckwellen zwischen Gasmengen auftreten, die in Berührung miteinander stehen. Der Prozeß findet in Zellen mit offenen Enden statt, die relativ zu einer Vielzahl von öffnungen drehbar sind, durch die die Gasmengen unter unterschiedlichen Drücken nach den Zellen und von diesen fort geleitet werden. ™

Es ist allgemein üblich, die Zellen am Umfang eines Rotors anzuordnen, der sich dreht und die Enden der Zellen aufeinanderfolgend mit öffnungen in Verbindung bringt, die in Endplatten oder Gehäusen angeordnet sind, in denen der Rotor sich dreht.

Bei der Konstruktion von Druckaustauschern für Gasturbinentriebwerke und andere Maschinen, z.B. sich drehende regenerative Wärme-

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austauscher, bei denen die in die Zellen einströmenden und aus diesen herausströmenden Gase verschiedene Temperatur in unterschiedlichen Teilen des Rotors aufweisen, ergibt sich das Problem, den stirnseitigen Zwischenraum zwischen den Enden des Rotors und der Stirnplatten oder dem Gehäuse genügend klein zu halten, um das Austreten von Gasen aus dem Rotor infolge der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung des Rotors zu vermeiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckaustauscher zu schaffen, bei dem der Zwischenraum zwischen dem Stirnende des Rotors und den Endplatten im wesentlichen konstant gehalten wird.

Gemäß der Erfindung ist ein Druckaustauscher mit einem Rotor,der von zwei Endplatten oder Gehäusen drehbar gelagert wird, in der Weise ausgebildet, daß wenigstens eine der Endplatten oder Gehäuse von einer festen Baueinheit über zwei Membranen getragen wird, wobei diese Membranen so flexibleLund so angeordnet sind, daß eine gesteuerte Axialbewegung der entsprechenden Stirnplatte möglich wird, während eine Radialversetzung der Stirnplatte verhindert wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform stehen die öffnungen in den Stirnplatten oder Gehäusen mit Kanälen in Verbindung, durch die die Gase in die Zellen ein- und aus diesen austreten können, und die Kanäle stehen mit der betreffenden beweglichen Stirnplatte oder dem Gehäuse derart in Verbindung, daß diese Axialbewegung der Stirnplatte oder der Gehäuse stattfinden kann.

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Vorzugsweise sind Mittel vorgesehen, um die Belastung zu vermindern, die auf den Lagern infolge der Kräfte ruhen, die Rotor und Stirnplatten oder Gehäuse zu trennen suchen. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, daß die Membran so ausgebildet wird, daß sie eine geschlossene Kammer bildet, in die unter relativ hohem Druck stehende Luft eingeführt wird und indem die wirksamen Flächen der Membranen, auf denen der Hochdruck lastet, in ihrer Fläche ungleich ausgebildet werden, so daß eine resultierende Kraft in der erforderlichen Richtung wirkt, die der Lagerbelastung entgegenwirkt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Druckaustauscher in einem Gasturbinentriebwerk benutzt, das einen Kompressor, eine Verbrennungseinrichtung und eine Turbine besitzt, wobei der Druckaustauscher die den Kompressor verlassende Luft verdichtet, bevor diese nach der Verbrennungseinrichtung gelangt, und wobei gleichzeitig die heißen Gase, die die Verbrennungseinrich· tung verlassen, expandiert werden, bevor sie nach der Turbine gelangen.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der ä Druckaustauscher ein solcher mit umgekehrter Strömungsrichtung, d.h. ein Druckaustauscher, bei dem die Gase an einem Ende des Rotors in die Zellen einströmen, einer Richtungsumkehr unterworfen werden und die Zellen am gleichen Ende des Rotors verlassen, an dem sie einströmen.

i einer derartigen Anordnung liegt eine der Endplatten an jenem e-#s§r3&*uckftttstäuscherrotGrs, das benachbart der Verbrennungsliegt j und im folgenden als "heißes Snde" bezeichnet.

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werden soll. Die Stirnplatte bildet einen integralen Bestandteil eines Gehäuses, in dem öffnungen angeordnet sind, die mit einer Vielzahl"von Kanälen in Verbindung stehen. Einige der Kanäle leiten die heißen Gase von der Verbrennungseinrichtung in die Zellen des Druckaustauscherrotors und die übrigen Kanäle leiten die heißen Gase von den Zellen nach der Turbine. Die andere Stirnplatt eliegt an jenem Ende des Druckaustauscherrotors, das am weitesten von der Verbrennungseinrichtung entfernt liegt und im folgenden als "kaltes Ende" bezeichnet werden soll, und diese Platte bildet einen integralen Bestandteil eines Gehäuses, in dem öffnungen angeordnet sind, die mit einer Vielzahl anderer Leitungen in Verbindung stehen. Einige dieser Kanäle leiten die komprimierten Gase von dem Kompressor in die Zellen des Bruckaustauschers und die übrigen Kanäle leiten die Gase, die durch den Druckaustauscher weiter komprimiert wurden, von den Zellen nach der Verbrennungseinrichtung.

Vorzugsweise ist es das kalte Endgehäuse, das mittels der Membranen getragen wird,und die Luft zur Füllung der durch die Membranen gebildeten Kammer ist Luft, die von öffnungen des kalten Endes oder Kanälen abgezapft ist, die die komprimierte Luft vom Kompressor nach dem Druckaustauscherrotor leiten.

Der Rotor ist vorzugsweise wenigstens am heißen Ende mit hohlen Schaufeln ausgestattet, durch die ein Kühlmittel hindurchtreten kann.

Bin AusfUhrungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

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BAD

Pig. 1 einen Schnitt einer Hälfte eines Gasturbinentriebwerks mit dem Druckaustauscher gemäß der Erfindung,

Pig. 2 eine Schnittansieht des Druckaustauschers nach Pig.I,

Pig. 5 eine der Pig.2 ähnkliche Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Druckaustauscher,

Fig. 4 eine den Fig.2 und 3 ähnliche Ansicht einer dritten Ausführungsform eines Druckaustauschers gemäß der Erfindung,

Pig. 5 eine Schnittansicht eines Gasturbinentriebwerks mit dem Druckaustauscher nach

Pig.l zeigt ein Gasturbinenstrahltriebwerk mit einem Kompressor 1^:, der drei axial aufeinanderfolgende Stufen 2 und eine Zentrifugalstufe J5 besitzt'. Der Kompressor 1 wird über eine Welle 4 durch eine zweistufige Hochdruckturbine 5 angetrieben. Die Welle 4 wird dreh- ' bar von Lagern 6 getragen, von denen nur eines dargestellt ist und sie liegt konzentrisch innerhalb einer zweiten Welle 7. Die zweite Wd-Ie 7 wird von nicht-dargestellten Lagern getragen, und durch eine zweistufige Niederdruckturbine 8 angetrieben,und sie treibt ein Zahnrad 9* das die Antriebskraft von der Welle 7 über ein Getriebe 11 einer Ausgangswelle 10 überträgt.

Zur Führung der Luft vom Auslaß der Zentrifugalkompressorstufe 3 nach einem Druckaustauscher 14,der am rückwärtigen Ende des Triebwerks liegt, d.h. an dem dem Kompressor 1 gegenüberliegenden Ende, ist ein Kanal 13 vorgesehen. ·

Der Druckaustauscher weist einen Rotor 15 mit mehreren Schaufeln am Umfang auf. Die Schaufeln 16 sind in Umfangsrichtung mit Abstand

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angeordnet und bilden zwischen sich eine Vielzahl von Zellen mit offenen Enden, in denen eine Kompression und Expansion von Luft und Verbrennungsgasen stattfinden kann. Komprimierte Luft von dem Kanal IJ tritt in die Zellen des Druckaustauscher ein und wird darin weiter komprimiert und verläßt dann den Druckaustauscher über einen Kanal 17, der strichllert dargestellt ist und zur Führung der Luft dient, die weiter durch den Druckaustauscher komprimiert wird unc nach der Verbrennungseinrichtung l8 gelangt, in der die Luft mit Brennstoff vermischt und verbrannt wird. Die aus der Brennkammer austretenden Gase strömen über eine Leitung 19 nach jenem Ende des Druckaustauschers, das jenem Ende gegenüberliegt, an welchem die komprimierte Luft ausströmt, und die Gase werden in den Zellen expandiert, wodurch die Luft, die jenem gegenüberliegenden Ende über den Kanal I5 vom Niededruckkompressor geliefert wird, verdichtet wird. Die expandierten Gase treten aus dem Druckaustauscher nach der Hochdruckturbine 5 über einen Kanal 20 ein und schließlich strömen sie durch die Niederdruckturbine 8 und einen Abgaskanal 21 in die Atmosphäre aus.

Sämtliche über der Mittellinie der Pig.l liegende Teile muß man sich verdoppelt vorstellen, da eine gleiche Zahl unter dieser Mittellinie liegt. Demgemäß sind zwei Brennkammern 18, zwei Abgaskanäle 21, zwei Kanaäle 17 usw. vorgesehen. Gemäß einer abgewandelten Anordnung kann auch eine ringförmige Ausbildung von Brennkammern 18 vorgesehen werden und demgemäß eine Vielzahl von Kanälen 13,17,19 und 20.

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Der Druckaustauscher ist von der Bauart mit umgekehrter Strömung, d.h. die Luft oder die Gase, die in die Zellen an einem Ende des Rotors des Druckaustauscher eintreten, werden in die entgegengesetzte Richtung abgelenkt und verlassen die Zellen am gleichen Ende des Rotors. Dies ist jedoch für die erfindungsgemäße Ausbildung nicht wichtig und es können stattdessen auch andere Druckaustauscher benutzt werden.

Der Druckaustauscher 1st mittels Wellenstummeln 22 drehbar in Lagern 2j5 angeordnet. Der Druckaustauscher wird durch die Gase angetrieben, die in die Zellen hinein-und aus diesen herausströmen und bei dieser Ausbildung geschieht dies dadurch, daß die Gase, die in die Zellendes Druckaustauschers eintreten, auf die Schaufeln 16 mit einem geeigneten Einfallswinkel auftreffen. Gemäß abgewandelten AusfUhrungsformen können die Schaufeln des Rotors aber auch in geeigneter Welse gekrümmt sein oder die Bruckaus· tauscherwelle 22 kann von der Welle 4 über ein geeignetes Zahngetriebe angetrieben werden oder über einen unabhängigen Antrieb, z.B. einen Elektromotor, wobei der Antrieb auf einen der Wellenstummel wirkt.

Die Enden der Kanäle 19 und 20 in der Nähe des Druckaustauscher kommen zusammen und bilden ein Gehäuse 25, das einstückig mit einer Stirnplatte 26 hergestellt 1st. Die Stirnplatte weist vier Öffnungen auf,und zwar ^e eine Öffnung für jeden Kanal 19 und 20. * Die Öffnungen stehen mit den Zellen des Rotors in Verbindung, so ύ&Β Qftae von der Verbrennungskammer nach dem Druckaustauscher

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überführt werden. Das Gehäuse 25* das als Gehäuse am "heißen Ende" bezeichnet werden soll« ist an der festen Baueinheit 28 festgelegt und bewegt sich daher nicht wesentlich in Axialrichtung gegenüber dem Rotor 15, der durch das Lager 23 am Gehäuse 25 befestigt ist. Bs kann jedoch eine geringe Relativbewegung zwischen der Stirnplatte 26 des Gehäuses 25 und der entsprechenden Stirnfläche des Rotors 15 stattfinden« wenn eine differentielle thermische Expansion zwischen dem Gehäuse des Lagers 23 und des Wellenstumpfes 22 auftritt. Es wird daher ein geringer Spielraum zwischen dem Ende des Rotors und der Stirnplatte 26 vorgesehen, damit eine gewisse Verzerrung an diesen Stirnflächen stattfinden kann.

In gleicher Weise bilden die Kanäle 13 und 17 in der Nähe des Druckaustauschers ein Gehäuse 30, das einstückig mit einer Stirnplatte 31 hergestellt ist, in der vier Offnungen, und zwar Je eine Öffnung für Jeden Kanal 13 und 17, vorgesehen sind.

Ein Gehäuse 29 ist am Gehäuse 28 befestigt. Das Gehäuse 30 ist am Oehäuse 29 über drei flexible Ringmembranen 40,41,42 befestigt, so daß das Gehäuse 30 sich axial relativ zu dem festen Gehäuse 25 bewegen kann. Die Membranen sind genügend steif in Radialrichtung, daß eine MtBausrichtung von Gehäuse 30 mit Gehäuse 25 und Rotor 15 verhindert wird. Ein geringes Spiel 32 ist zwischen dem Ende des Rotors und der Stirnplatte 31 vorgesehen.

Im folgenden wird auf Fig.2 der Zeichnung bezuggenommen, in der der Druckaustauscher und seine Lager in einzelnen dargestellt sind.

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Wiederum sind nur Jene Teile des Triebwerks über der Mittellinie dargestellt und die unter der Mittellinie liegenden Teile sind von identischer Gestalt.

Das Gehäuse 29, die Ringmembraif^O und 41 bilden zusammen mit einem im
/ wesentlichen konischen Bauteil 43, der sich von dem kalten Endg^iäuse 30 erstreckt, eine geschlossene Kammer 44, in die Niederdruckluft vom Druckaustauscherrotor in Form eines Leckstromes eintreten kann.

Eine zweite geschlossene Kammer 45 wird durch das Gehäuse 28, die Membran 40, den Fortsatz 43 und ein zylindrisches Dichtungsgehäuse 46 gebildet, das sich vom Gehäuse 25 am heißen Ende erstreckt. Das Dichtungsgehäuse 46 trägt eine axial flexible Dichtung 47, die an einen Flansch 48 des Gehäuses 30 am kalten Ende anstößt, wodurch verhindert wird, daß Hochdruckgase in die Kammer 45 einströmen. Die Kammer 45 ist durch Anzapföffnungen 49 und 50 im Gehäuse 28 nach der Atmosphäre hin entlüftet, wodurch eine Druckdifferenz über der Membran 40 und dem konischen Bauteil 43 auftritt, die | nach dem Gehäuse 25 am heißen Ende wirkt.

Eine dritte abgeschlossene Kammer 51 wird durch die Membran 4l, das Gehäuse 30 am kalten Ende, die Membran 42 und einen weiteren Gehäusebauteil 52 gebildet, der an einem Flansch 53 des Gehäuses 29 befestigt ist. Die Kammer 51 *Lrd mit Hochdruckluft direkt aus dem Kanal 13 im Gehäuse 30 am kalten Ende gespeist und diese Luft steht unter einem höheren Druck als die Leckstromluft, die der Kammer 44 zugeführt wird, weil der Leckluftetrom einen Druckverlust

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beim Hindurchtreten durch den Zwischenraum 32,durch die Dichtung hindurch und durch einen Kanal 34 erfährt, aus dem er in die Kammer 44 eintritt. Daher besteht eine Druckdifferenz über der Membran 41, wodurch eine Druckkraft auf das Oehäuse 30 am kalten Ende nach dem Gehäuse 25 am heißen Ende ausgeübt wird, und es entsteht eine Druckdifferenz über der Membran 42, welche eine Druckkraft auf das Oeffiuse am kalten Ende von dem Ende des heißen Gehäuses Ö5 wegbewirkt. Die Flächen der Membranen 4o,4l und 42 und des konischen Bauteils 43 sind so gewählt, daß die Gesamtdruckkraft in einer Richtung verläuft, in der das Gehäuse am kalten Ende nach dem Gehäuse am heißen Ende gedrückt wird. Hierdurch wird die Lagerbelastung auf einen zulässigen Wert vermindert und das Lagerspiel wird voll aufgenommen, wenn der minimale Endzwischenraum zwischen den Stirnflächen des Rotors und den Gehäusen mit den Offnungen besteht. Die Membran kann vorgespannt sein, um eine Kraft zu erzeugen, die das bewegliche Gehäuse am kalten Ende nach dem festen Oehäuse am heißen Ende drückt, damit im Übergangsbereich,das heißt beim Einlassen, keine Belastungsumkehr an den Lagern stattfindet.

Im Betrieb wird der Rotor infolge der heißen Oase aufgeheizt, die

und in die Zellen hinein/aus diesen herausströmen. Da das Oehäuse 25 am heißen Ende starr an den festen Bauteil befestigt 1st und da der Rotor von dem Gehäuse 25 durch das Lager 23 getragen wird und da keine oder nur eine geringe Temperaturdifferenz zwischen dem heißen Oehäuse 25 und den heißen Ende des Rotors besteht, ergibt sich fast keine Relativbewegung zwischen dem Oehäua· 25 und dm \ Rotor 15« durch dl· der Zwischenraum 29 verändert werden kOnnte. 1

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Die thermische Ausdehnung des Rotors relativ zu dem Gehäuse 30 am kalten Ende bewirkt, daß der Rotor wächst und den Zwischenraum 32 zu schließen sucht. Bei der erfindungagemäflen Anordnung, bei der das kalte Gehäuse axial beweglich ist, wird die Bewegung des kalten Endes des Rotors 15 über das Lager 23 am kalten Ende und über Verriegelungsorgane 55,56 und 57 aufgenommen, wodurch die Bewegung auf das Gehäuse 30 übertragen wird. Das Oehäuse 30 bewegt sich somit mit dem kalben Ende des Rotors 15 infolge der Flexibilität der Membrafiⁿ4o,4l und 42, wodurch der Zwischenraum 32 im wesentlichen konstant gehalten wird. ™

Die Druckbelastung der Membranen 4o,4l und 42 sucht die von den Lagern 23 aufgenommene Last zu vermindern, so daß die Lager kleiner und kompakter gestaltet werden können und dies wiederum hilft,die Gesarattriebwerksgröße zu vermindern. Wie oben erwähnt, wird auch das Seitenspiel der Lager 23 aufgenommen.

Infolge der Bewegung des Gehäuses 30 muß eine gewisse Flexibilität in den Kanälen 13 und 17 aufgebaut werden und dies geschi ...« durch λ Einführung von Balgen 58 und 59 in die Kanäle 13 und ¹^ (Fig.l). Die Balge werden in die radial inneren Schleifen eines jeden Kanals 13 und 17 eingeführt, wodurch bewirkt wird, daß die Gasbelastungen, die auf die Kanäle durch die Gase ausgeübt werden, um l8o° an den Biegungen bei 60 umgelenkt werden und auf die feste Baueinheit und nicht auf das kühle Gehäuse 30 übertragen werden.

Ein gleicher Balg 47 ist im Gehäuse 46 vorgesehen, um eine Bewegung des Gehäuses 30 zu ermöglichen.

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Durch Verwendung von Membranen, die eine Bewegung des kalten Gehäuses j5O ermöglichen, sind sämtliche Dichtungsprobleme, die den Gleitverbindungen eigen sind, überwunden.

Der Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht jedoch darin, daß sich das gesamte Gehäuse 30 bewegt und nicht nur die Endplatte 31 und daß es deshalb nicht notwendig ist, eine weitere Gleitverbindung zwischen dem Gehäuse und den Endplatten vorzusehen.

™ Das flexible Dichtungsorgan 47 hält eine DichtungsbdrUhrung mit dem Flansch 48 aufrecht, unabhängig von der Bewegung des kalten Gehäuses.

Indem nur das kalte Gehäuse beweglich angeordnet wird, 1st nur eine Gruppe von Dichtungen und Membranen erforderlich, um den Zwischenraum 32 konstant zu halten und die Grüße der Membranen kann geringer gehalten werden, weil sie unter niedrigeren Temperaturen arbeiten.

Dadurch, daß die Membranen Druckkammern bilden, fällt die Lagerbelastung infolge von Gasbelastungen weg, die das kalte und heiße Gehäuse voneinander zu trennen suchen und demgemäß können kleinere Lager benutzt werden oder stattdessen kann die Lebensdauer des Lagers erhöht werden.

Gemäß dem AusfUhrungsbeispiel wurden drei Membranen benutzt, stattdessen kann die Lagerbelastung jedoch auch ausgeglichen werden, wenn nur zwei Membranen Anwendung finden, die eine Druckkam-

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mer bilden, wie dies nachstehend unter Bezugnahme auf Big.Z> und erläutert wird oder es kann auch sogar nur eine einzige Membran in Verbindung mit einem flexiblen Balg benutzt werden, wie dies nachstehend in Verbindung mit Fig.4 erläutert wird.

Bei dem in Fig.3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Triebwerk selbst im wesentlichen das gleiche wie nach Fig.l und deshalb im einzelnen nicht dargestellt. Wiederum leitet der Khal 13 komprimierte Luft nach dem Druckaustauscher 16 und diese Luft wird weiter in dem Druckaustauscher komprimiert und durch nicht-dargesteilte Kanäle in eine Brennkammer (nicht dargestellt) ausgeblasen. Von der Brennkammer strömen die Oase durch die Leitungen 19 in den Druckaustauscher 16 und dort komprimieren sie die über den Kanal IJ einströmenden Gase. Nachdem die Gase diese Kompression durchgeführt haben, verlassen sie den Druckaustauscher über die Kanäle 20.

Der Druckaustauscherrotor selbst ist identisch jenem nach Fig.l und es ist die gleiche Lageranordnung vorgesehen, so daß eine Beschreibung dieser Teile entbehrlich ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Lagerung des Endgehäuses,das die kalten Gase führt (das kalte Gehäuse) ziemlieh unterschiedlich gestaltet. ^üle Abschnitte 28 und 29 sind bei diesem Ausführungsbeispiel denen des vorherbeschriebenen Ausführungsbeispiels ähnlich, jedoch fehlt der Bauteil 42. Das Endgehäuse 350 ist auf einem Fortsatz 29 auf zwei Ringmambranen 61,62 gelagert und diese Membranen trSgen an ihrem inneren Umfang einen Fortsatz 63 des Gehäuses 30

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der sich um die Außenseite des Druckaustauschers 14 erstreckt. Der Portsatz 6} bildet zusammen mit den Membranen 61 und 62 und dem Gehäusebauteil 29 einen abgedichteten Raum« dem Anzapfluft über eine Anzapfleitung 64 zugeführt wird. Die Anzapfleitung 64 steht mit dem kalten Oehäuse^O in Verbindung. Es ist natürlich auch möglich, diese Leitung mit einem erforderlichen Druckpegel an einem anderen Teil des Triebwerks in Verbindung zu setzen.

Zur Vervollständigung der Umhüllung des Druckaustauscher 14 P dient ein weiterer zylindrischer Gehäusebauteil 65, der sich vom heißen Gehäuse 25 erstreckt und an seinem Ende*das diesem Gehäuse entfernt liegt, eine Balgdichtung 66 trägt, die gegen den inneren Umfang der Membran 61 anstößt. Der durch diesen Fortsatz 65 umschlossene Raum« die Membran 61 und das Gehäuse 28 ist über eine Öffnung 67 nach der Atmosphäre entlüftet.

Im Betrieb wird die durch den Kanal 64 hindurchtretende Luft auf einen vorbestimmten Druck gebracht und demgemäß steht das Luftvolumen, das zwischen den Membranen 61 und 62 eingeschlossen ist, auf diesem vorbestimmten Druck.

Dieser Druck, der auf die Differentialfläche zwischen den Membranen 6l und 62 arbeitet, erzeugt eine resultierende Kraft, die den Fortsatz 63 nach dem heißen Gehäuse 25 stößt. Wie oben erwähnt, wird es hierdurch möglich, den Zwischenraum des Druckaustauscherrotors auf eine« minimalen Betrag zu halten, so daß das Bndspiel in den Druckaustauecherrotor-Lagern aufgenommen wird, so daß dies« Lager mit beste· Wirkungsgrad arbeiten können. Bei der Ausbildung

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nach PIgO sind nur zwei Membranen vorgesehen, die eine einzige abgedichtete Kammer bilden» während die Anordnung nach Flg.2 eine etwas aufwendigere Ausbildung zeigt.

Es sind natürlich einige Dichtungsanordnungen erforderlich, damit das kalte Gehäuse 20 ein gewisses axiales Spiel hat und dies wird wiederum durch Balge 28 gewährleistet.

Bei dem AusfUhrungsbeispiel nach Pig.4 1st der Druckaustauscher 14 wiederum unverändert und wiederum sind das heiße Gehäuse 25, die ( Oehäuseteile 28 und 29 im wesentlichen den vorbeschriebenen Teilen identisch. Bei dieser Ausführungsform ist jedoch das kalte Gehäuse 20 von einen weiteren Gehäuse 70 umgeben, das an dem Gehäuseteil 29 am Ende befestigt 1st. Der Gehäuseteil 70 ist im wesentlichen kegelstumpfförmlg gestaltet und umschließt die Balge 71 und 72 und ist gegenüber diesen Balgen abgedichtet, die zwischen dem Teil 70 und dem kalten Gehäuse 20 ausgebildet sind. Der innere Umfang des Gehäuses 70 ist gegenüber der Druckaustauscher-Rotorwelle mittels eines Gehäusefortsatzes 72 und einer Labyrinthluftdic ung 78 abgedichtet. Die Anordnung der Membranen, die das kalte Gehäuse 20 tragen, entspricht der Ausbildung nach Pig.2· Es sind zwei Membranen 74 und 75 an ihrem äußeren Umfang mit den Gehäuseteilen 29 und an ihrem inneren Umfang mit dem Gehäusefortsatz 76 des kalten Gehäuses verbunden. Der innere Umfang der Membran 74 1st wiederum am heißen Gehäuse 25 dichtend befestigt und zwar in diesem Falle eiittch über die Balgdichtung 77·

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Die durch den Oehäusebauteil 28 gebildete Kammer, die Membran 74 und der innere Teil 77 ist gegenüber der Atmosphäre entlüftet, aber die durch das Oehäuse 29, die Membranen 74 und 75 und den Innenbauteil 76 gebildete Kammer ist nach der Atmosphäre entlüftet oder stattdessen steht sie mit einer Zone niedrigen Druckes (z.B. dem Triebwerksgetriebe oder dem ölsumpf) in Verbindung.

Es gibt kein Druckdifferential über dem Bauteil 28 und über der Membran 74 herrscht entweder kein Druckdifferential oder nur ein ψ sehr kleines.

Der durch die Membran 75, das Oehäuse 30 und die weiteren Oehäuseteile 70 und 72 umschlossene Raum ist jedoch abgedichtet und wird mit Luft unter vorbestimmtem Druck gespeist. Demgemäß wird die Membran 75 einer Druckdifferenz auegesetzt, die bedingt ist durch den atmosphärischen Aussendruck oder einem sonstigen niedrigen Druck und dem Druck in dem letztgenannten Raum andererseits. Der Druck wirkt nicht nur auf die Membran 75«sondern infolge der vollständigen Umschließung am rechten Teil der Kammer,der das kalte Rotorlager umschließt, wirkt dieser Druck über die gesamte Fläche des kalten Oehäuses.

Die Arbeitsweise dieser Anordnung besteht darin, daß das Druckdl ff erential, das nicht nur über die Membran 75«sondern auch über das kalte Bndlagergehäuse wirkt, wiederum eine resultierende Kraft erzeugt, die das Oehäuse 30 nach dem Oehäuse 25 hin zu verschieben trachtet. Wiederum ermöglicht diese Kraft,dass ein minimaler

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Zwischenraum erhalten wird und daß das Lagerspiel aufgenommen wird. Bei dieser AusfUhrungsform ist eine große Fläche vorhanden, die infolge des entstehenden Differentialdruckes die erforderliche Kraft liefert. Daher ist es nicht notwendig, einen solch hohen Druck in der eingeschlossenen Kammer vorzusehen und die Membran kann wesentlich dünner sein und/oder eine geringere Festigkeit haben,als dies sonst der Fall sein müßte.

V/eil der weitere Gehäusebauteil 70 am Gehäuse 29 und dem Kanal fixiert ist, kann die Notwendigkeit bestehen, einen Balgeaepansions- ^ abschnitt in dem Kanal 13 anzubringen. Jedoch findet dort eine Differentialbewegung zwischen dem kalten Endgehäuse 30 und dem Gehäuseteil 70 statt und die Balgendichtungen 71 und 72 ermöglichen diese relative Expansion.

Fig.3 und 4 veranschaulichen eine Abwandlung des Triebwerks nach Fig.l, wobei eine unterschiedliche Aufhängung für das Gehäuse und die Balge 58 und 59 benutzt wird. Es wäre möglich, diese Konstruktion auf andere Triebwerksausbildungen anzuwenden und Fig.5 zeigt, wie die AusfUhrungsform nach Fig.3 auf eine andere Triebwerksausbildung angewandt werden könnte.

Fig.5 zeigt im Schnitt ein Gasturbinenstrahltriebwerk mit einem Lufteinlaß 80 und einem Kompressor 81, der drei Axialstufen und eine Zentrifugalstufe besitzt. Die Zentrifugalstufe liefert die

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Luft in eine Schnecke, aus welcher die Luft über ein Übergangsstück und weitere Kanäle 83 nach dem Druckaustauscher 84 gelangen kann.

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Aus diesem Druckaustauscher wird Luft, die aus den Kanälen 83 eintritt und komprimiert wurde, über Leitungen 85 nach der Brennkammer 86 geleitet. Der Auslaß 87 der Brennkammer führt die Oase in den Druckaustauscher 84 und im Druckaustauscher komprimieren die Abgase das vom Kompressor 8l einströmende Gas.

Die Oase, die aus dem Druckaustauscher 84 austreten, fließen Über Leitungen 88, eine antrlebsmäflig mit dem Kompressor 81 verbundene Turbine 89 und über eine zweite Niederdruckturbine 90 ab, die antriebsmäßig mit einem Ausgangsgetriebe 91 verbunden ist. Aus diesem Ausgangsgetriebe wird der Hauptabtrieb abgenommen.

Die Abgase der Turbine 90 treten durch einen Ring 92 hindurch und werden dann nach einem Strahlrohr und einer nicht-dargfcstellten Schubdüse geleitet, um den Restschub auszunutzen.

Die Aufhängung des kalten Gehäuses, das mit den Kanälen 85 und 85 verbunden ist, entspricht jenem nach Pig.3, aber in dieeem Fall sind die Membranen 61 und 62 umgekehrt ebenso wie der Oehäusebauteil 28 und der Portsatz und die Balge 65 und 66. Dies ist notwendig, weil das heiße bzw. das kalte Gehäuse in diesem Falle umgekehrt sind und das heiße Qehausβ rechts liegt, während das kalte Oehäuse links liegt. Dies steht im Gegensatz zu der AusfUhrungsform nach Fig.l, bei welcher das kalte Oehäuse das rechte Gehäuse war und das heiße Oehäuse das linke.

Bei den vorbeschriebenen AusfUhrungebelplelen war die Auebildung jeweils so getroffen, daß das heiß« Gehäuse feststeht, während das

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kalte Oehäuse sich differentiell bewegen kann. DleJst in der Tat eine zweckmäßige Anordnung, da es nicht notwendig ist, Dichtungen vorzusehen, die hohen Temperaturen standhalten können, wenn nur das kalte Oehäuse bewegt wird. Ss 1st jedoch auch möglich, das heiße Oehäuse beweglich zu machen, wenn es beispielsweise erforderlich 1st, die umgekehrte Anordnung gemäß dem letzten AusfUhrungsbeispiel zu benutzen.

Patentansprüche :

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Claims

Patentansprüche:

1. Druckaustauscher, Insbesondere für Oasturblnenstrahltriebwerke, mit einem Rotor, der von zwei Endplatten drehbar gelagert wird, dadurch gekennzeichnet ,

daß wenigstens eine der Endplatten (26,31) von einem festen Bauteil (28,29) über zwei Membranen (40,4l; 6l,62; 7^,75) getragen wird, daß die Membranen genügend flexibel und so angeordnet sind, daß sie eine gesteuerte Axialbewegung der jeweiligen Endplatte (31) ermöglichen, während wesentliche Radialver-™ Setzungen dieser Endplatte verhindert werden.

2. Druckaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens die bewegliche Endplatte (30 einstückig mit einem Oehäuse (30) hergestellt ist, daß beide Endplatten (26,31) mit mehreren Offnungen ausgestattet sind, die mit Leitungen (13,17) in Verbindung stehen, welch letztere genügend flexibel sind, um die Axialbewegung des Gehäuses ausgleichen^ können.

3· Druckaustauscher nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Membranen im Betrieb einem Differentialdruck ausgesetzt ist, so daß eine resultierende Druckkraft erzeugt wird, die das bewegliche Oehäuse (30) in Axialrichtung belastet.

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4. Druckaustauscher nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet , daß er eine mit einem Gehäuse (3>0,;>l) integral verbundene Endplatte aufweist, die gegenüber dem festen Bauteil (28,29) beweglich ist,und daß die aus einer Endplatte und dem Gehäuse (25, 26) bestehende Baueinheit gegenüber der festen Baueinheit starr angeordnet ist, daß die Membranen die bewegliche, aus Gehäuse und Endplatte bestehende Baueinheit tragen und zwei Seiten einer ersten abgeschlossenen Kammer bilden, wobei gegenüberliegende Seiten wenigstens einer Membran im Betrieb unterschiedli- μ chen Drücken ausgesetzt sind, und daß die wirksamen Flächen der Membranen, die den Drücken ausgesetzt sind, derart bemessen sind, daß eine resultierende Kraft erzeugt wird, die das bewegliche Gehäuse in Achsrichtung des Rotors bewegt.

5· Druckaustauscher nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet,

daß zwei Membranen (4o,4l) vorgesehen sind, die einen abgeschlossenen Raum begrenzen, und daß eine weitere Membran (42) mit einer der beiden erstgenannten Membranen einen zweiten abge- " schlossenen Raum bilden und daß Mittel (j54) vorgesehen sind, um dem ersten und zweiten Raum unterschiedliche Drücke zuzuführen.

6. Dnuckaustauscher nach Anspruch J,

dadurch gekennzeichnet,

daß die zweite abgeschlossene Kammer zwischen einer Membran (75) und einem im wesentlichen kegelstumpfförmigen Gehäuse (70) gebildet wird, daß das bewegliche Gehäuse umgibt, daß die zwei-

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te aogeschlossene Kammer im Betrieb mit Druckluft gespeist wird, und daß die erste Kammer im Betrieb einem niedrigeren Druck ausgesetzt ist, indem sie nach der Atmosphäre oder einem Raum mit geeignetem niedrigem Druck geöffnet ist.

?. Druckaustauscher nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kammer sich über das gesamte Ende des Druckaus tauscherrotors erstreckt.

8. Druckaustauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß das Gehäuse (70) starr an dem festen Bauteil (29) angeordnet ist und daß der Kanal (I?) von den Bndplatten flexibel (71,73) mit dem Gehäuse verbunden ist.

9. Druckaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Druckaustauscher ein Druckaustauscher der Bauart mit umgekehrter Strömungsführung ist.

10. Druckaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Schaufeln des Druckaustauscherrotors Kühlmittelkanäle aufweisen.

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11. Gasturbinenstrahltriebwerk mit einem Kompressor, einer Verbrennungseinrichtung und einer Turbine, dadurch gekennzeichnet ,

daß ein Druckaustauscher nach Anspruch 1 derart angeordnet ist, daß sx die den Kompressor verlassende Luft in die Verbrennungseinrichtung gelangt, während gleichzeitig heiße Oase, die die Verbrennungseinrichtung verlassen, expandiert werden, bevor diese nach der Turbine gelangen.

12. Gasturbinenstrahltriebwerk nach Anspruch 4 und 11, dadurch gekennzeichnet,

daß die Luft vom Kompressor des Triebwerks abgezapft und wenigstens einer Oberfläche der Membranen zugeführt wird, um die

das resultierende Axialkraft auf/bewegliche Gehäuse zu erzeugen.

13. Gasturbinenstrahltriebwerk nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet ,

daß das bewegliche Gehäuse (20) das kalte Bndgehäuse ist.

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