DE3529457A1

DE3529457A1 - Waermetauscher-gasturbine

Info

Publication number: DE3529457A1
Application number: DE19853529457
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr Ing Woehrl
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1985-08-16
Filing date: 1985-08-16
Publication date: 1987-02-26
Also published as: US4750327A; DE3529457C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmetauscher-Gasturbine, mit einem an dem Turbinengehäuse befestigten Abgas- Wärmetauscher zur Erhitzung der aus dem Verdichter austretenden verdichteten Luft, wobei in der Heißluft-Zuleitung zwischen Wärmetauscher-Austritt und Brennkammer- Eintritt ein elastisches metallisches Leitungsverbindungselement, wie beispielsweise ein Metallbalg für den Dehnungsausgleich vorgesehen ist.

Bei einer bekannten vorgenannten Wärmetauscher-Gasturbine ist zwischen Wärmetauscher-Austritt und Brennkammer-Eintritt mehr oder weniger in direkter Verbindung ein elastisches metallisches Leitungsverbindungselement (Metallbalg) vorgesehen, das im Betrieb vergleichsweise hohen Temperaturen ausgesetzt ist und mithin temperaturbedingte Bewegungen ausführt, wobei die zulässige Spannung des Balgmaterials überschritten werden und es dadurch zum Bruch führen kann.

Ausgehend von der vorgenannten Problematik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Wärmetauscher-Gasturbine der eingangs genannten Art zu schaffen, die vorgenannte Probleme weitgehend beseitigt und insbesondere ein Leitungsverbindungselement wie beispielsweise einen Metallbalg besitzt, dessen temperaturbedingte Bewegungen so gering gehalten werden können, daß die auftretenden Spannungen die durch die hohen Temperaturen stark reduzierte zulässige Spannung des Balgmaterials nicht überschreitet.

Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch, daß bezogen auf die Verbindungslinie zwischen Gasturbinenachse und Wärmetauscher-Austrittsachse zwei seitliche zur Verbindungslinie axial-symmetrisch in einer Radialebene angeordnete Leitungsverbindungselemente bzw. Metallbälge in der Heißluftzuleitung angeordnet sind, die in Richtung Wärmetauscher spitzwinklig aufeinander zulaufend mit ihren einen Enden in ein an den Wärmetauscher- Austritt angeschlossenes Rohrknie mit einem Verzweigungsteil bzw. einer Doppelabzweigung münden und mit ihren anderen Enden seitlich in die Brennkammer einmünden.

Vorzugsweise sind die beiden seitlichen Metallbälge geradlinig ausgebildet und schließen insbesondere einen spitzen Winkel von ca. 60° in Richtung Wärmetauscher ein.

Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich, wenn die Metallbalg-Einmündungsstutzen der Brennkammer einstückig mit dem Brennkammergehäuse ausgebildet sind.

Bevorzugt ist auch die Leitung der verdichteten Luft zwischen Verdichter und Wärmetauscher-Eintritt nach Art der vorgenannten Heißluftzuleitung ausgebildet und angeordnet.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, durch geeignete Gestaltung der Heißluftzuleitung die räumlichen Bewegungen der Enden der Metallbälge bzw. deren Anlenkpunkte mit dem Rohrknie bzw. mit dem Brennkammergehäuseanschluß so zu minimieren, daß die Metallbälge bzw. elastischen Verbindungselemente nur im zulässigen Bereich verformt werden, gleichzeitig etwa auftretende Spannungen durch die axial-symmetrische Anordnung zumindest teilweise kompensiert werden können.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 einen Teil einer Wärmetauscher-Gasturbine mit der Erfindung in einem schematischen Axialschnitt,

Fig. 2 einen Achsnormalschnitt durch die Gasturbine nach Fig. 1 längs der Linie A-A,

Fig. 3 die Verschiebevektoren in axialer Richtung für das Turbinengehäuse, das Wärmetauschergehäuse und für das Rohrknie, und

Fig. 4 eine vektorielle Darstellung der Bewegungen der Anlenkpunkte der beiden Metallbälge bei thermischer Dehnung in der Radialebene bzw. im Achsnormalschnitt A-A nach Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 ist eine Wärmetauscher-Gasturbine 1 mit einem auf dem Turbinengehäuse 2 befestigten Abgas-Wärmetauscher 3 zur Erhitzung der im Verdichter 4 verdichteten Luft vor Einleitung in die Brennkammer 5 der Turbine 1 vorgesehen, wobei in der Heißluftzuleitung 6 zwischen Wärmetauscher-Austritt 7 und Brennkammer-Eintritt 8 ein elastisches, metallisches Leitungsverbindungselement, wie beispielsweise ein Metallbalg 9 für den Dehnungsausgleich zwischengeordnet ist.

Bei der Wärmetauscher-Gasturbine 1 nach Fig. 1 ist das Wärmetauschergehäuse 16, das die Matrix des Wärmetauschers 3 umschließt und deren Abstütz- und Reaktionskräfte aufnimmt, an der Befestigungsstelle 18 fest mit dem Turbinengehäuse 2 verbunden. Im Betrieb strömt die vom Gasturbinen- Verdichter 4 verdichtete Luft durch eine Leitung 15 zur Wärmetauschermatrix. Nach Übertragung der Restwärme aus dem Abgas an die verdichtete Luft im Wärmetauscher 3 wird die erhitzte Luft in der vorerwähnten Heißluftzuleitung 6 dem Brennkammergehäuse 14 zugeführt. Ersichtlich unterliegen alle vorgenannten Bauteile der Wärmetauscher-Gasturbine 1 unterschiedlichen thermischen Dehnungen, die zu unzulässigen Verspannungen und Belastungen einzelner Bauteile führen können. Besonders die Heißluft führende Leitung 6 muß die Differenzdehnungen in radialer Richtung nach den Fig. 3 und in Axialrichtung nach Fig. 4 zwischen dem heißen Brennkammergehäuse 14 und dem Turbinengehäuse 2 und dem innen isolierten und daher kühleren Wärmetauschergehäuse 16 aufnehmen.

Beim Wärmetauscher 3 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um einen Profilrohrwärmetauscher in Kreuz-Gegenstrom-Bauweise, bei dem die betreffende Matrix M, M′ (Fig. 2) aus von den Rohrleitungen 20, 21 für die Druckluftzu- bzw. -ableitung seitlich U-förmig auskragenden Profilröhrchen besteht, die jeweils gänzlich vom Turbinenabgasstrom umströmbar sind.

Die auftretenden hohen Temperaturen und Drücke werden erfindungsgemäß durch elastische metallische Verbindungselemente wie Metallbalge 9 gemäß Zeichnung aufgenommen, die bezogen auf die Verbindungslinie 1 zwischen der Gasturbinenachse a und der Wärmetauscher-Austrittsachse b seitlich und axialsymmetrisch zu dieser Verbindungslinie 1 in der Radialebene A-A gemäß Fig. 1 angeordnet sind und insbesondere in Richtung Wärmetauscher 3 spitzwinklig aufeinander zulaufend mit ihren einen Enden 10 bzw. Anlenkpunkten in ein an den Wärmetauscher-Austritt 7 angeschlossenes Rohrknie 12 mit einem Verzweigungsteil 17 bzw. einer Doppelabzweigung münden und mit ihren anderen Enden 11 bzw. den anderen Anlenkpunkten seitlich in die Brennkammer 5 angeschlossen sind.

Die Metallbälge 9 sind geradlinig ausgebildet und schließen in etwa einen spitzen Winkel von ca. 60° gemäß Fig. 1 ein. Die Metallbalg-Einmündungsstutzen 13 der Brennkammer 5 sind mit dem Brennkammergehäuse 14 einstückig ausgebildet, wie dies insbesondere der Fig. 2 zu entnehmen ist.

Ersichtlich insbesondere aus Fig. 2 verzweigt die Luftleitung 6 sich nach dem Austritt 7 aus dem Wärmetauschergehäuse 16 und führt die Luft von zwei Seiten aus dem Brennkammergehäuse 14 zu. Zwischen dem Verzweigungsteil 17 und den beiden Einlauftaschen im Brennkammergehäuse 14 sind die eigentlichen beiden Metallbälge 9 eingebaut. Die Schnittpunkte der Metallbalg-Mittelachsen mit den Flanschflächen des Rohrknies 12 bzw. des Brennkammergehäuses 14 sind die Enden bzw. Anlenkpunkte 10 bzw. 11 der beiden Metallbälge.

Fig. 3 zeigt die Verschiebevektoren Δ L _T, Δ LwT und Δ LV für das Turbinengehäuse 2, das Wärmetauschergehäuse 16 bzw. für die Rohrknie 12. Der von den elastischen Verbindungselementen bzw. Metallbälgen 9 aufzunehmende Axialversatz Δ L _AX ergibt sich aus der Differenz der vorgenannten axialen Verschiebevektoren Δ L _T, Δ LwT und Δ LV.

Aus der vektoriellen Darstellung gemäß Fig. 4 sind die Bewegungen der Metallbalgenden bzw. Anlenkpunkte 10 und 11 bei thermischer Dehnung im Achsnormalschnitt A-A der Fig. 1 zu entnehmen. Der Anlenkpunkt 19 des Rohrknies 12 am Wärmetauschergehäuse 16 erfährt eine radiale Bewegung um Δ L _19y nach oben, während der Anlenkpunkt 10 für das elastische Verbindungselement 9 sich um Δ L ₁₀ verschiebt. Die Überlagerung der Verschiebungen Δ L ₁₉ und Δ L ₁₀ ergeben den Verschiebevektor V ₁₀ des Anlenkpunktes 10, wobei sich die y-Komponenten von Δ L ₁₉ und Δ L ₁₀ sich teilweise oder ganz kompensieren.

Der Anlenkpunkt 11 am Brennkammergehäuse 14 erfährt eine von der Turbinenachse a ausgehende radiale Verschiebung um Δ Λ ₁₁. Diese Verschiebung kann durch den Verschiebevektor V ₁₁ dargestellt werden. Die Differenz Δ V der Verschiebevektoren V ₁₀ und V ₁₁ ergibt den deutlich verringerten Versatz der Anlenkpunkte 10 und 11 in der Radialebene bzw. im Achsnormalschnitt A-A und damit auch eine deutlich verringerte Auslenkung und Beanspruchung der elastischen Verbindungselemente bzw. Metallbälge 9, wodurch die temperaturbedingten Bewegungen der einzelnen Bauteile im Betrieb der Wärmetauscher-Gasturbine 1 so gering gehalten werden, daß die auftretenden Spannungen die durch die hohen Temperaturen stark reduzierte zulässige Spannung des Materials der elastischen Verbindungselemente bzw. der Metallbälge nicht überschreiten. Dadurch können durch die Erfindung Metallbalg-Materialien wie nach dem Stand der Technik gewählt werden. Gleichwohl gehen diese im praktischen Betrieb kaum zu Bruch.

Alle in der Beschreibung erwähnten und/oder in der Zeichnung dargestellten neuen Merkmale für sich oder in sinnvoller Kombination sind erfindungswesentlich, auch soweit sie in den Ansprüchen nicht ausdrücklich beansprucht sind.

Claims

1. Wärmetauscher-Gasturbine, mit einem an dem Turbinengehäuse befestigten Abgas-Wärmetauscher zur Erhitzung der aus dem Verdichter austretenden verdichteten Luft, wobei in der Heißluftzuleitung zwischen Wärmetauscher- Austritt und Brennkammer-Eintritt ein elastisches metallisches Leitungsverbindungselement, wie beispielsweise ein Metallbalg für den Dehnungsausgleich vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß bezogen auf die Verbindungslinie (1) zwischen Gasturbinenachse (a) und Wärmetauscher-Austrittsachse (b) zwei seitliche zur Verbindungslinie (1) axial-symmetrisch in einer Radialebene (A-A) angeordnete Leitungsverbindungselemente bzw. Metallbälge (9) in der Heißluftzuleitung (6) angeordnet sind, die in Richtung Wärmtauscher (3) spitzwinklig aufeinander zulaufend mit ihren einen Enden (10) in ein an den Wärmetauscher- Austritt (7) angeschlossenes Rohrknie (12) mit einem Verzweigungsteil (17) bzw. einer Doppelabzweigung münden und mit ihren anderen Enden (11) seitlich in die Brennkammer (5) einmünden.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallbälge (9) geradlinig ausgebildet sind.

3. Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Metallbälge (9) einen spitzen Winkel von ca. 60° einschließen.

4. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallbalg-Einmündungsstutzen (13) der Brennkammer (5) einstückig mit dem Brennkammergehäuse (14) ausgebildet sind.

5. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (15) der verdichteten Luft zwischen Verdichter (4) und Wärmetauscher-Eintritt nach Art der vorgenannten Heißluftzuleitung (6) ausgebildet und angeordnet ist.