DE2361697C2

DE2361697C2 - Mittenlagerung der Wärmetauscherscheibe eines Regenerativ-Wärmetauschers

Info

Publication number: DE2361697C2
Application number: DE2361697A
Authority: DE
Inventors: Klaus 7300 Esslingen Wiegard
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1973-12-12
Filing date: 1973-12-12
Publication date: 1983-04-28
Also published as: US4019750A; GB1448920A; DE2361697A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Mittenlagerung der Wärmetauscherscheibe eines Regenerativ-Wärmetauschers für eine Gasturbine, wobei die Wärmetauscherscheibe eine zentrale Bohrung aufweist und über eine Vielzahl von zwischen der Bohrungswand und einem drehbaren zentralen Träger angeordneten Blattfederelementen an dem Träger befestigt ist und die Blattfederelemente in Umfangsrichtung des Trägers aneinandergereiht und miteinander verbunden sind und jedes der Blattfederelemente ein von dem Träger nach auswärts gerichtetes Bogenteil aufweist, und wobei sich die Bogenteile an entsprechend gewölbten Ausnehmungen an der Bohrungswand der Wärmetauscherscheibe unter Vorspannung abstützen.

Bei einer bekannten derartigen Ausführung (US-PS 32 96 829) ist die Wärmetauscherscheibe mit ihrem Kern auf einem im Querschnitt vieleckigen Abschnitt einer Antriebswelle befestigt Dazu ist auf dem Wellenabschnitt eine entsprechende vieleckige Hülse angeordnet, an deren Seiten im Querschnitt kreisförmige, bis auf einen Spalt in sich geschlossene Blattfedern befestigt sind, die durch in Querebenen der Hülse angebrachte Schlitze in eine Vielzahl von fingerartigen Abschnitten aufgeteilt sind. Jede der Federn liegt in einer im Querschnitt kreisförmigen Ausnehmung im Kern der Wärmetauscherscheibe an. Dabei ist die Bewegungsfreiheit und damit die Nachgiebigkeit jeder Feder einerseits durch deren starre Befestigung an der Hülse und andererseits durch die straffe Anlage an der gesamten Innenseite der betreffenden Ausnehmung in der Scheibe stark eingeschränkt Der sehr kurze freiliegende Abschnitt zwischen dem an der Hülse befestigten Abschnitt und dem in der Ausnehmung anliegenden Abschnitt wird deshalb beim Betrieb der Wärmetiauscherscheibe, besonders bei stoßweise auftretenden Drehmomentänderungen, stark beansprucht und ist in seiner Festigkeit an dieser Stelle besonders gefährdet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Mängel zu beheben und eine einfach aufgebaute Mittenlagerung für eine Wärmetauscherscheibe zu schaffen, die sich durch eine besonders gute Nachgiebigkeit auszeichnet.

Dies geschieht nach der Erfindung dadurch, daß die Blattfederelemente jeweils an ihren beiden Enden überlappt angeordnet sind und sich im Bereich der

Überlappung mit nach dem Träger einwärts gerichteten Bogenteilen an Gegenflächen des Trägers abstützen, und daß die Ausnehmungen einen größeren Krümmungsradius als die nach auswärts gerichteten Bogenteile aufweisen.

Der durch die Blattfederelemente somit gebildete Ring kann sich durch die besondere Gestalt der einzelnein Blattfederelemente sowie deren verhältnismäßig lockere Verbindung miteinander wechselnden Betriebsverhältnissen der Wärmetauscherscheibe gut anpassen. Dabei fördert die Anlage der auswärts gerichteten Bogenteile in den durch ihren größeren Krümmungsradius verhältnismäßig flachen Ausnehmungen die Nachgiebigkeit der Lagerung ohne die Festigkeit der Blattfederelemente zu gefährden.

Stoßartige Belastungen der Wärmetauscherscheibe können durch die erfindungsgemäße Lagerung weich aufgefangen werden. Federbrüche und Beschädigungen der verhältnismäßig spröden Wärmetauscherscheibe werden dadurch vermieden.

Auf einer anderen bekannten Wärmetauscherscheibe eines Regenerativ-Wärmetauschers (GB-PS 10 36 185) ist unter Zwischenschaltung von Blattfederelementen ein Zahnkranz befestigt, der dem Antrieb der Scheibe dient. Die Federelemente bestehen aus paarweise an beiden Seiten eines ringförmigen Metallbandes angeordneten Metallzungen, die sich mit auswärts gewölbten Enden an der Innenseite des Zahnkranzes bzw. mit einwärts gewölbten Enden an der Außenseite der Wärmetauscherscheibe abstützen. Die Metallzungen sind entweder an dem Metallband befestigt oder aus diesem herausgestanzt. Dadurch entsteht ein einteiliges Bauteil, das zwar in radialer Richtung nachgiebig ist, jedoch in Umfangsrichtung ein verhältnismäßig starres

Gebilde darstellt Demgegenüber bilden die — an anderer Stelle der Wärmetauscherscheibe angeordneten — Blattfederelemente nach der Erfindung durch Aneinanderreihen einen verhältnismäßig beweglichen Verband, der bei Wärmedehnungen und Einfederungen auch in Umfangsrichtung einen Ausgleich ermöglicht

Im Gegensatz zu der bekannten Ausführung, bei der das Drehmoment allein durch Reibschluß übertragen wird, erfolgt bei der erfindungsgemäßen Mittenlagerung die Drehmomentübertragung infolge der Anlage der Blattfederelemente in muldenförmigen Ausnehmungen oder an keilförmig wirkenden Gegenflächen durch Formschluß. Dies ermöglicht geringere Anpreßkräfte der Blattfederelemente und ergibt damit eine größere Nachgiebigkeit der Mittenlagerung. '5

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der erfindungsgemäße Gegenstand wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 einen Längsmittelschnitt durch einen Regenerativ-Wärmetauscher,

Fig.2 eine Seitenansicht des Mittelteiles der Wärmetauscherscheibe des Regenerativ-Wärmetauschers in größerem Maßstab,

Fig.3 eine Stirnansicht eines spannungslosen Federelementes dieser Wärmetauscherscheibe in größerem Maßstab und

Fig.4 die Seitenansicht dieses Federelementes in Richtung des Pfeiles IV in F i g. 3.

Der Regenerativ-Wärmetauscher besteht im wesentliehen aus einer in einem Gehäuse 11 drehbar gelagerten keramischen Wärmetauscherscheibe 12, aus Kanälen 13 und 14 für die Verbrennungsluft sowie aus Kanälen 15 und 16 für die Abgase. Dichtungen 17 verhindern ein Entweichen der Gase aus den Kanälen 14 bis 16. Die Wärmetauscherscheibe 12 besteht aus axialen Durchgangskanälen 18 und aus einem massiven Kern 19. Sie ist mit einem Wälzlager 20 auf einer im Gehäuse 11 befestigten Achse 21 gelagert. Am Umfang der Wärmetauscherscheibe 12 ist ein Zahnkranz 22 « angeordnet, in den ein auf einer Welle 23 befestigtes Ritzel 24 eingreift.

Während des Betriebes wird die Wärmetauscherscheibe 12 über die von einer nicht dargestellten Gasturbine angetriebene Welle 23, das Ritzel 24 und den *$ Zahnkranz 22 in Drehung versetzt. Die heißen Abgase der Gasturbine werden durch den Kanal 15 in die Wärmetauscherscheibe 12 geleitet, dessen Durchgangskanäle 18 sie durchströmen und dabei Wärme an die Wärmetauscherscheibe 12 abgeben. Die abgekühlten so Abgase verlassen die Wärmetauscherscheibe 12 durch den Kanal 16. Die vom Verdichter der Gasturbine geförderte verhältnismäßig kalte Verbrennungsluft strömt durch den Kanal 13 in den von den Abgasen aufgeheizten Teil der Wärmetauscherscheibe 12 und nimmt dort Wärme auf. Die erhitzte Verbrennungsluft wird durch den Kanal 14 der Brennkammer der Gasturbine zugeführt.

Um schädliche Auswirkungen der im Betrieb der Gasturbine auftretenden Stöße auf die Was metauscher-Scheibe 12 zu vermeiden, ist diese, wie Fig.2 zeigt, unter Zwischenschaltung von drei Blattfederelementen 25 auf dem Träger 26 des Wälzlagers 20 befestigt. Die Blattfederelemente 25 sind so in einen freien Ringraum 27 zwischen der zentralen Öffnung 28 im Kern 19 der Wärmetauscherscheibe 12 und dem Träger 26 des Wälzlagers 20 unter Vorspannung eingesetzt, daß sie einen Ring bilden, wobei sich jeweils die Enden zweier benachbarter Blattfederelemente 25 überlappen.

Gemäß F i g. 3 und 4 besteht, das ölattfederelement 25 aus einem zylindrischen auswärts gewölbten Bogenteil 29, an das sich beidseitig zylindrisch einwärts gewölbte Bogenteile 30 und 31 anschließen. Die Richtung der Wölbung bezieht sich dabei uuf die eingebauten Blattfederelemente 25 im Verhältnis zur Mittelachse der Wärmetauscherscheibe IZ Der Radius und der Zentriwinkel der einwärts gerichteten Bogenteile 30 und 31 ist jeweils kleiner als die des auswärts gerichteten Bogenteiles 29.

An das einwärts gewölbte Bogenteil 31 des Blattfederelementes 25 schließt sich ein auswärts gewölbtes Endstück 32 an, das eine Gleitbewegung in Umfangsrichtung zwischen den Bogenteilen 30 und 31 zweier benachbarter Blattfederelemente 25 erleichtert Zwei vom achsparallelen Rand 33 des Endstückes 32 ausgehende Abschnitte, die etwa rechtwinklig nach außen gebogen sind, bilden rechteckige Ansätze 34. Das andere einwärts gewölbte Bogenteil 30 weist zwei rechteckige öffnungen 35 auf. Die Erstreckung der Öffnungen 35 in Achsrichtung ist geringfügig größer als diejenige der Ansätze 34. Die Mittenabstände der Ansätze 34 und der Öffnungen 35 von den seitlichen Rändern 36 des Blattfederelementes 25 sind gleich.

In eingebautem Zustand der ringförmig angeordneten Blattfederelemente 25 greifen, wie F i g. 2 erkennen läßt, jeweils die Ansätze 34 eines Blattfederelementes 25 mit Spiel in Umfangsrichtung in die Öffnungen 35 des benachbarten Blattfederelementes 25. Dabei liegen die dem Träger 26 zugewandten, innenliegenden Flächen 37 der mit Öffnungen 35 versehenen Bogenteile 30 an den dem Träger 26 abgewandten, außenliegenden Flächen

38 der mit den Ansätzen 34 versehenen Bogenteile 31 an. Die Gestalt der Bogenteile 30 und 31 und der Endstücke 32 sowie das Spiel zwischen den Ansätzen 34 und den öffnungen 35 erlauben ausreichende Relativbewegungen auch bei betriebsbedingten größeren elastischen Verformungen der Blattfederelemente 25. Dabei stützen sich diese infolge der durch die Ansätze 34 und die Öffnungen 35 hergestellten Verbindungen gegenseitig gegen eine axiale Versetzung, so daß sie unabhängig von den elastischen Verformungen stets in einer Ebene liegen.

Die auswärts gewölbten Bogenteile 29 der Blattfederelemente 25 stützen sich in Ausnehmungen 39 der sonst zylindrischen öffnung 28 im massiven Kern 19 der Wärmetauscherscheibe 12 ab. Die Krümmung jeder der im wesentlichen zylindrisch gewölbten Ausnehmungen

39 ist nur wenig geringer als diejenige des vorgespannten auswärts gewölbten Bogenteiles 29, so daß sich das Bogenteil 29 über einen größeren Bereich der Ausnehmung 39 anschmiegt. Durch die dadurch entstandene breite Auflagefläche werden die Flächenbelastung der Wärmetauscherscheibe ί2 erheblich vermindert und Spannungsspitzen, die zu deren Beschädigung führen können, vermieden.

Die übereinandergreifenden einwärts gewölbten Bogenteile 30 und 31 der Blattfederelemente 25 stützen sich auf entsprechend über den Umfang verteilten Gegenflächen 40 des Trägers 26 des Wälzlagers 20 ab. Auch hier ergibt sich durch den Anpreßdruck der vorgespannten Blattfederelemente 25 eine Flächenberührung zwischen den unmittelbar anliegenden Bogenteilf η 31 und den Gegenflächen 40.

Bei sich drehender Wärmetauscherscheibe 12 entsteht zwischen den Gegenflächen 40 des Trägers 26 des Wälzlagers 20 und den sich daran abstützenden

einwärts gewölbten Bogenteilen 30 und 31 eine Heilwirkung, die eine gute Zentrierung der Wärmetauscherscheibe 12 und eine zuverlässige Drehmomentübertragung sicherstellt.

Statt wie im Beispiel drei Blattfederelemente 25, können auch vier oder mehr Blattfederelemente 25 in dem Ringraum zwischen der Wärmetauscherscheibe 12 und dem Träger 26 angeordnet werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mittenlagerung der Wärmetauscherscheibe eines Regenerativ-Wärmetauschers für eine Gasturbine, wobei die Wärmetauscherscheibe eine zentrale Bohrung aufweist und über eine Vielzahl von zwischen der Bohrungswand und einem drehbaren zentralen Träger angeordneten Blattfederelementen an dem Träger befestigt ist und die Blattfederelemente in Umfangsrichtung des Trägers aneinandergereiht und miteinander verbunden sind und jedes der Blattfederelemente ein von dem Träger nach auswärts gerichtete Bogenteil aufweist, und wobei sich die Bogenteile an entsprechend gewölbten Ausnehmungen an der Bohrungswand der Wärmetauscherscheibe unter Vorspannung abstützen, d a durch gekennzeichnet, daß die Blattfederelemente (25) jeweils an ihren beiden Enden überlappt angeordnet sind und sich im Bereich der Überlappung mit nach dem Träger (26) einwärts gerichteten Bogenteilen (30, 31) an Gegenflächen (40) des Trägers (26) abstützen, und daß die Ausnehmungen (39) einen größeren Krümmungsradius als die nach auswärts gerichteten Bogenteile (29) aufweisen.

2. Wärmetauscherscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einwärts gerichteten Bogenteile (30,31) der Blattfederelemente (25) einen kleineren Krümmungsradius und einen kleineren Zentriwinkel aufweisen als die nach auswärts gerichteten Bogenteile (29).

3. Wärmetauscherscheibe nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Blattfederelemente (25) wenigstens einen nach auswärts gebogenen Ansatz (34) an dem einen und eine Öffnung (35), in die der Ansatz (34) des benachbarten Blattfederelementes (25) mit Spiel in Umfangsrichtung eingreift, an dem anderen der einwärts gerichteten Bogenteile (31,30) aufweist.

4. Wärmetauscherscheibe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Ansätze (34) aus etwa rechtwinklig gebogenen, rechteckigen Abschnitten des Endstückes besteht.

5. Wärmetauscherscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eines der einwärts gerichteten Bogenteile (30, 31) jedes Blattfederelementes (25) ein nach auswärts gewölbtes Endstück (32) aufweist.

6. Wärmetauscherscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenflächen (40) des Trägers (26) als ebene Flächen ausgeführt sind.