DE2040680C3 - Wärmetauscher für Gasturbinen - Google Patents
Wärmetauscher für GasturbinenInfo
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- F28D19/00—Regenerative heat-exchange apparatus in which the intermediate heat-transfer medium or body is moved successively into contact with each heat-exchange medium
- F28D19/04—Regenerative heat-exchange apparatus in which the intermediate heat-transfer medium or body is moved successively into contact with each heat-exchange medium using rigid bodies, e.g. mounted on a movable carrier
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- F28D19/042—Rotors; Assemblies of heat absorbing masses
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- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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- F28F21/04—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of ceramic; of concrete; of natural stone
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher für Gasturbinen mit einem rotierenden Kern aus einem
eine Vielzahl von axialen Gaskanälen aufweisenden, hitzebeständigen, keramischen Material, der in seinem
mittleren Bereich an zumindest einer Seite hohen Temperaturen und in seinem den mittleren Bereich
umgebenden Randbereich niedrigeren Temperaturen ausgesetzt ist, wobei der Kern an seinem Umfang mit
einer Anzahl von Nuten versehen ist und in den Nuten (z. B. linsenförmige) Einlagen angeordnet sind.
Wärmetauscher der eingangs genannten Art sind z. B. bereits aus der US-PS 34Oi 741 bekannt. Bei diesen
bekannten Wärmetauschern sind die am Kern in den an seinem Umfang verteilten Nuten angeordneten linsenförmigen
Einlagen über einen Kitt befestigt, der gleichzeitig zur Abdichtung des äußeren Umfanges des
Kernes verwendet wird. An diesen linsenförmigen Einlagen greifen metallische Clips eines am Umfang des
Kernes angreifenden mechanischen A.ntriebssystems an. Obwohl diese am Umfang des Kernes angeordneten
linsenförmigen Einlagen die bei früheren, geschlossenen Ringanordnungen für das Antriebssystem auftretenden
Schwierigkeiten durch Spannungsrisse vermeiden soll-ο
ten, wurde dieses Ziel nicht vollständig erreicht
Bei einer eingehenden Untersuchung des Problems der Spannungsrisse wurde festgestellt, daß die Spannungsrisse
im Kern nicht durch die Anordnung des Antriebssystems, sondern vielmehr durch die thermisch
bedingten Spannungen im Kern selbst verursacht wurden. Die sorgfältige Erforschung ergab, daß der
mittlere Bereich des Kernes eine hohe Temperatur erreichte, die 7050C überstieg, während der den
mittleren Bereich umgebende Randbereich der den niedrigeren Temperaturen der vom Kompressor kommenden
Gasströme ausgesetzt war, nur eine Temperatur von 232°C erreichte. Obwohl die thermische
Ausdehnung von keramischem Material theoretisch vernachlässigbar klein ist, führten die beachtlichen
Temperaturunterschiede zu einer stärkeren Ausdehnung des inneren Bereiches des Kernes, wodurch in den
diesen umgebenden Randbereich des Kernes Zugspannungen auftraten, die dann fallweise zu Spannungsrissen
am Kern führten.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art derart zu
verbessern, daß die auftretenden Zugspannungen im Randbereich des Kernes durch entgegenwirkende
Ausdehnungskräfte ausgeglichen werden.
J5 Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst,
indem die in den Nuten am Umfang des Kernes angeordneter Einlagen oder deren Befestigungskitt aus
einem Material mit einem solch hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen, daß die Ausdehnungskräf-
AO te dieses Materials den im Randbereich des Kernes
auftretenden Zugspannungen entgegengesetzt sind.
Durch die gemäß der Erfindung aus einem Material mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten
hergestellten Einlagen bzw. der Befestigung von herkömmlichen Einlagen mit einem Befestigungskitt mit
hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten bzw. durch die Kombination dieser beiden Maßnahmen, können auf
einfache Weise, ohne Änderungen am herkömmlichen Aufbau des Wärmetauschers im Randbereich des
Kernes auftretende Zugspannungen jederzeit beherrscht bzw. ausgeglichen werden.
Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
F i g. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines scheibenförmigen Kernes eines Wärmetauschers, an dessen Umfang eine Anzahl von linsenförmigen Einlagen befestigt ist;
F i g. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines scheibenförmigen Kernes eines Wärmetauschers, an dessen Umfang eine Anzahl von linsenförmigen Einlagen befestigt ist;
F i g. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teiles des scheibenförmigen Kernes, aus der die Art der
Befestigung der Einlagen zu ersehen ist
In den Figuren ist der scheibenförmige Kern aus keramischem Material mit 10 bezeichnet Der Kern 10
besitzt eine feste keramische Nabe 12, die von einem keramischen Material 14 umgeben ist, das mit einer
hS Vielzahl von axialen Gaskanälen versehen ist. Dieses
poröse Material 14 erstreckt sich bis zum äußeren Umfang des Kernes 10. Im in eine Gasturbine
eingebauten Zustand ist die eine Seite 15 des Kernes 10
den heißen Gasströmen ausgesetzt, die von den Arbeitsrädern der Gasturbine kommen, und diese Seite
und der sich ihr axial anschließende Teil arbeiten bei einer höheren Betriebstemperatur als der übrige Kern
10.
Eine Anzahl von Nuten 16 ist in Abständen am äußeren Umfang des Kernes 10 angeordnet Die Nuten
16 verlaufen im wesentlichen parallel zur Drehachse des Kernes 10. In jeder Nut 16 ist eine feste, keramische,
linsenförmige Einlage 18 angeordnet Beide, die Nut 16 und die Einlage 18, weisen im einander zugewandten
Bereich einen kalbzylindrischen Umfangsteil auf.
Die Einlagen 18 sind in den Nuten 16 mittels zweier verschiedener Arten 20 und 22 eines Kittes befestigt
Der Kitt 20 ist schaumförmiger, anorganischer Art, und
sein Wärmeausdehnungskoeffizient ist im wesentlichen gleich dem des porösen Materials 14 des Kernes 10.
Ein typischer schaumartiger Kitt wie er für die vorliegende Erfindung verwendet werden kann, kann im
Handel bezogen werden. Dieser Kitt 20 ist zwischen den zylindrischen Flächen einer jeden Einlage 18 und den
Nuten 16 angeordnet, wobei er in einem von der heißen Seite 15 des Kernes 10 ausgehenden geringen axialen
Bereich nur an der inneren Fläche 21 angeordnet ist
Der Kitt 22 hingegen besteht aus einem Material, das einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als
der des Materials 14 des Kernes 10 besitzt Ein typischer Kitt mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten enthält
Mullite in Natriumsilikat und kann im Handel bezogen werden. Der Kitt 22 wird zwischen den
Einlagen 18 und den Nuten 16 an beiden Seiten der inneren Fläche 21 angeordnet Die Einlagen 18 können
mit einem ringförmigen Antriebsring zum Antrieb des Kernes 10 verbunden sein, wie dies z. B. aus der US-PS
34 01 741 zu entnehmen ist. J5
Bei einem typischen Wärmetauscher mit scheibenförmigem Kern, der einen Durchmesser von etwa 71 cm
und eine axiale Dicke von ca. 10 cm aufweist, haben die linsenförmigen Einlagen 18 etwa einen Radius von
2,5 cm Der Kitt 20 und Kitt 22 werden in Schichten aufgetragen, die nach dem Erhärten eine Dicke von
etwa 2,5 mm ergeben. Der Kitt 22 ist im wesentlichen
entlang den letzten radial äußeren 12 mm und in einem axialen Bereich von etwa 25 bis 50 mm zwischen den
Bolzen 18 und den Nuten 16 im Kern 10 angeordnet.
Im Betrieb der Gasturbine erhitzen die heißen Gasströme, die durch den mittleren Bereich des Kernes
10 von der Seite 15 her axial durchströmen, diesen auf eine Temperatur von über 7050C. Der den mittleren
Bereich umgebende Randbereich des Kernes 10 ist den verhältnismäßig kühleren Gasströmen ausgesetzt, die
den Kompressor verlassen, und arbeitet daher bei einer Temperatur von etwa 232° C.
Sobald die Temperatur des Kittes 22 auf die Betriebstemperatur der Gasturbine steigt, üben die
durch den hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten hervorgerufenen Ausdehnungskräfte auf das Material
14 des Kernes 10 Druckkräfte in Richtung der Pfeile 24 aus, die die Zugspannungen im Randbereich und damit
die Gefahr von Spannungsrissen vermindern. Der Kitt 20 dt' ' -:ch nicht in dem gleichen Maß aus wie der Kitt
22 unc= »orgt für eine sichere Befestigung der Einlage 18
in den Nuten 16 des Kernes 10.
Falls erforderlich, kann der Kitt 22 entlang der gesamten axialen Dicke des Kernes 10 zu beiden Seiten
des an der mittleren Fläche befindlichen Kittes 20 angeordnet werden. In einigen besonderen Fällen kann
auch ausschließlich der Kitt 22 verwendet werden. Die Nuten 16 können aber auch in ihren Abmessungen
beträchtlich verringert werden und nur mit einer solchen Kittmasse gefüllt werden, die den gleich hohen
Wärmeausdehnungskoeffizienten wie der genannte Kitt 22 besitzt Die Anzahl der Nuten hängt im wesentlichen
von der Ausdehnungscharakteristik des Kernes, des Kittes und den Betriebstemperaturen der Gasturbine
ab. Einige Versuche reichen im allgemeinen aus, um sowohl die Anzahl als auch die Größe der Nuten für
einen bestimmten Anwendungsfall festzulegen. Weiterhin können dünne Streifen eines Materials mit einem
hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten in den Nuten angeordnet werden. Auch können die Nuten als
gezackte Schlitze ausgebildet werden, die am Umfang des Kernes von der heißen Seite 15 ausgehend einen
kurzen axialen Betrag in den Kern einragen und mit Material, mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten,
gefüllt sind.
Der Kitt mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten hat vorzugsweise einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten
in dem Temperaturbereich bis zur Betriebstemperatur der Gasturbine (im allgemeinen
etwa 232"C) und einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten
im Temperaturbereich zwischen der Betriebstemperatur und der höheren Brenntemperatur
der beiden Kitte, die im allgemeinen etwa 5400C beträgt. Eine grafische Darstellung der Ausdehnungscharakteristik der beiden Kitte würde somit für den Kitt
mit hohem Ausdehnungskoeffizienten eine Ausdehnungskurve zeigen, die bis zur Betriebstemperatur von
etwa 232° C stark ansteigt, und dann abfällt und sich der
Ausdehnungskurve des anderen Kittes nähert oder diese kreuzt.
Der Kitt auf Mullite- und Natriumsilikatbasis, der oben erwähnt wurde, besitzt eine solche Charakteristik
Diese Anordnung ermöglicht es, den Kern zusammen mit den Einlagen 18 zu brennen, ohne hierdurch
übermäßige Spannungen in den Verbindungen zwischen den Bolzen und dem Kern zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung soll einen Wärmetauscher für Gasturbinen schaffen, der eine verbesserte physikalische
Beschaffenheit und eine längere Standzeit, auch bei hohen Betriebstemperaturen, besitzt. Darüber hinaus
kann ein am Umfang des scheibenförmigen Kernes angreifendes Antriebssystem mit einem Minimum an
Aufwand verwirklicht werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Wärmetauscher für Gasturbinen mit einem rotierenden Kern aus einem eine Vielzahl von
axialen Gaskanälen aufweisenden, hitzebeständigen, keramischen Material, der in seinem mittleren
Bereich an zumindest einer Seite hohen Temperaturen und in seinem den mittleren Bereich umgebenden
Randbereich niedrigeren Temperaturen ausgesetzt ist, wobei der Kern an seinem Umfang mit
einer Anzahl von Nuten versehen ist und in den Nuten (z. B. linsenförmige) Einlagen angeordnet
sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlagen (18) oder deren Befestigungskitt (22) aus
einem Material mit einem solch hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen, daß die Ausdehnungskräfte
dieses Materials den im Randbereich des Kernes (10) auftretenden Zugspannungen entgegengesetzt sind.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß feste keramische Einlagen (18)
in jeder der Nuten (16) angeordnet und mittels eines Kittes (22) aus einem Material mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten
befestigt sind.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Umfang des scheibenförmig
ausgebildeten, rotierenden Kernes (10) eine Vielzahl von axial verlaufenden Nuten (16) mit kreisabschnittförmiger
Oberfläche vorgesehen sind, wobei die keramischen Einlagen (18) eine der Form der
Nuten (16) angepaßte Gestalt aufweisen und die zentrale Fläche jeder Einlage (18) mittels eines
Kittes (20) von gleichem Wärmeausdehnungskoeffizienten wie dem des Kernes (10) und die äußeren
Flächen jeder Einlage (18) mitteis eines Kittes (22) von höherem Wärmeausdehnungskoeffizienten in
den Nuten (16) befestigt sind.
4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kitt (22) mit hohem
Wärmeausdehnungskoeffizienten nur in einem kurzen axialen Bereich an der den hohen Temperaturen
ausgesetzten Seite (15) des Kernes (10) zwischen den Einlagen (18) und den Nuten (16) angeordnet ist.
5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kitt (22) mit hohem
Wärmeausdehnungskoeffizienten einen solchen Koeffizienten besitzt, der bis zur Betriebstemperatur
des Kernes größer als der des Kernes (10) ist und bei höheren Temperaturen abnimmt.
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