DE69009486T2 - Spannungsverminderung für einen ringförmigen rekuperator. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen ringförmigen Rekuperatorkern mit den Merkmalen, wie sie im Oberbegriffe des Anspruches 1 angegeben sind. Ein solcher ringförmiger Rekuperatorkern ist beispielsweise aus der EP-A-0 077 656 bekannt.
• Rekuperatoren werden in Verbindung mit verschiedenen Energieerzeugungseinrichtungen zur Erhöhung des betrieblichen Wirkungsgrades des Systems gebraucht. Im allgemeinen nimmt der Rekuperator eine Vorerhitzung der Luft vor der Verbrennung innerhalb eines Gasturbinenmotors unter Wärmeaustausch mit den heißen Abgasen vor. Die vorliegende Erfindung ist speziell auf einen ringförmigen Rekuperator für die Verwendung an Gasturbinenmotoren gerichtet.
• Beispiele, die den technischen Hintergrund anzeigen, werden in der EP-A-0077656 und der FR-A-2 207 266 angegeben, welche ringförmige Rekuperatorkerne mit einem Aufbau offenbaren, der aus einem Stapel ringförmiger Platten hergestellt ist und dem Oberbegriffe des Anspruches 1 entspricht.
• Die US-A-4 917 181 offenbart auch einen segmentierten ringförmigen Rekuperatorkern, bei dem gesonderte, aus aufgestapelten Plattensegmenten hergestellte Halbzylinder durch axiale und diametrale Dehnungsfugen voneinander beabstandet sind, um die Auswirkungen der Wärmespannungen im Kern zu verringern.
• Eine Anzahl der mit der Konstruktion und dem Aufbau industrieller Rekuperatoren des aus flachen Platten bestehenden Typs verbundenen Probleme werden in den US-Patenten Nr.: 4,246,959; 4,263,964; 4,291,752; 4,291,754; 4,299,868; 4,331,352; 4,377,025; 4,458,866; und 4,511,106 angesprochen, die alle zur Zeit auf die Anmelderin der vorliegenden Erfindung übertragen sind.
• Während ein richtig konstruierter Rekuperator den Wirkungsgrad des Energieerzeugungssystems erhöht, sind mit ihrem Gebrauch auch Nachteile verbunden. Insbesondere erzeugt der Rekuperator einen Gegendruck zur Kraftanlage und vermindert so deren Wirkungsgrad. Auch erhöhen Rekuperatoren das Gewicht und die Größe wesentlich, und sie sind ein möglicher Anlaß für Störungen, welche Ausfallzeiten für das Energieerzeugungssystem verursachen. Für mobile Anwendungen, wie in Schiffen oder Landfahrzeugen, werden Überlegungen über das zusätzliche Gewicht und die zusätzliche Größe äußerst wichtig und können bestimmend dafür sein, ob der Zuwachs an Wirkungsgrad für das System gerechtfertigt ist.
• Überdies werden Rekuperatoren speziell so ausgebildet, um in extremen Umgebungsbedingungen zu arbeiten, wo sie benötigt werden. Die heiße Durchgangsseite des Rekuperators ist den unter Druck stehenden Abgasen der Verbrennung und Temperaturen über 1000ºF (540ºC) ausgesetzt. Während dessen erhält die kalte Durchgangsseite des Rekuperators Umgebungsluft oder vorkomprimierte Umgebungsluft mit Temperaturen, die unterhalb von 0ºF (- 18ºC) liegen können. Die potentiell zerstörerische Kombination hoher Druckdifferenzen, hoher Wärmeunterschiede und korrosiver Verbrennungsprodukte wird durch Wärmezyklen und Anlauf- und Abstellzyklen noch verstärkt. Somit muß der Rekuperator äußerst unverwüstlich sein, während er flexibel ist, um die Wärmedehnung und die zyklische Veränderung aufzunehmen.
• Demgemäß ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung einen flexiblen ringförmigen Rekuperatorkern zu schaffen, der aus aufeinandergestapelten scheibenförmigen Platten hergestellt ist und dazu im Stande ist, das relative Wärmewachstum am Innenumfange des ringförmigen Kernes aufzunehmen, ohne sich hohe Wärmespannungen in den Platten zuzuziehen.
• Zu diesem Zwecke wird erfindungsgemäß ein ringförmiger Rekuperatorkern nach dem Oberbegriffe des Anspruches 1 vorgeschlagen, der durch eine Mehrzahl von Aussparungen gekennzeichnet ist, welche radial einwärts der Einlaßdurchgänge angeordnet sind und mit der Ringkammer über Öffnungen an einem Innendurchmesser der scheibenförmigen Platten in Verbindung stehen und abwechselnd in paarweisen Sätzen mit den Einlaßdurchgängen angeordnet sind; wogegen die Auslaßdurchgänge im wesentlichen dreieckförmig sind; wobei jeder der Durchgänge wenigstens teilweise durch Rippen begrenzt ist, die sich über eine Höhe in den Zwischenräumen zwischen einander benachbarten Platten und über einen Bruchteil derselben erstrecken, und wobei die ersten und zweiten Öffnungen innerhalb dieser Rippen liegen.
• Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der ringförmige Rekuperator aus einer Mehrzahl von im wesentlichen kreisförmigen Platten mit geformten Kanten und aus Leitblechen für die Wärmeübertragung aufgebaut, die in den Durchgängen zwischen den kreisförmigen Platten angeordnet sind. Durch die Platten werden abwechselnd Luft- und Gasströmungsdurchgänge voneinander gesondert, wenn die Platten und die Leitbleche für die Wärmeübertragung zusammengebaut und verlötet werden. Jede der Platten weist eine Mehrzahl von voneinander beabstandeten, im wesentlichen dreieckigen Löchern auf, die miteinander fluchten, um Sammelkanäle für den Lufteinlaß und -auslaß zu bilden, die axial innerhalb des Rekuperatorkernes fluchten. Die Luft strömt in Axialrichtung durch die im wesentlichen dreieckigen Einlaßsammelkanäle in den Rekuperatorkern. Die Einlaßsammelkanäle verteilen die Luft an eine Mehrzahl von Durchgängen für die Luftströmung, die im wesentlichen Z-förmige Leitbleche für den Wärmeaustausch aufweisen, welche die Luftströmung zu benachbarten Auslaßsammelkanälen leiten. Die nun erhitzte Luft strömt dann in Axialrichtung durch die Auslaßsammelkanäle und aus dem Rekuperatorkern hinaus. Währenddessen werden heiße Verbrennungsgase aus dem Turbinenmotor innerhalb des zylindrischen Raumes im ringförmigen Rekuperator verteilt. Die Verbrennungsgase strömen durch eine Nehrzahl von Gasdurchlässen innerhalb des Kernes radial nach außen. Die Gasdurchlässe sind durch aufeinanderfolgende Sammelkanäle für den Lufteinund -auslaß und durch einander benachbarte Platten begrenzt. Dadurch sind die Gasdurchlässe so ausgebildet, daß sie annähernd konstante Querschnittsflächen haben. Jede der Platten weist ferner eine Mehrzahl von Aussparungen auf, die von den Durchgängen für den Lufteinlaß radial einwärts angeordnet sind. Die Aussparungen stehen auch mit dem zylindrischen Raum innerhalb des ringförmigen Rekuperators in Verbindung, wodurch der innere Durchmesser des Rekuperators im Gegensatze zu einem fortlaufenden Umfange diskontinuierlich ist. Diese Diskontinuität des Innendurchmessers führt gegenüber früheren Konstruktionen von ringförmigen Rekuperatoren zu einer wesentlichen Verminderung der Wärmespannungen während des Betriebes.
• Der ringförmige Rekuperator ist für einen hohen Wirkungsgrad der Wärmeübertragung ausgelegt. Die Wärme wird durch die Verwendung von gegeneinander versetzten Leitblechen vom heißen Abgas auf die kältere Kompressorluft übertragen. Diese versetzten Leitbleche leiten die Wärme in wirksamer Weise mit einem Minimum an Druckverlust. Dadurch schafft die ringförmige Rekuperatoreinheit Vorteile bezüglich der Motorleistung, hauptsächlich in Form einer Verminderung des Brennstoffverbrauches. Diese Verbesserungen der Gesamtleistung des Motors werden durch die Wirksamkeit der Wärmeübertragung des ringformigen Rekuperators geliefert, während das Gewicht und der Druckabfall durch den Rekuperator hindurch minimiert wird, und die Wärmespannungen wesentlich verringert werden.
• Fig. 1 veranschaulicht eine schematische, teilweise geschnittene Ansicht eines ringförmigen, an einen Gasturbinenmotor angeschlossenen Rekuperators.
• Fig. 2 ist eine teilweise explodierte Perspektivansicht des Rekuperatorkernes.
• Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf eine in den Rekuperatorkern der Fig. 2 eingebaute Platte.
• Fig. 4 ist eine vergrößerte Teilansicht eines Gasdurchlasses aus dem mit einem Kreis 4 in Fig. 2 umschlossenen Abschnitte des Rekuperatorkernes.
• Fig. 5 stellt eine vergrößerte Teilansicht eines Luftdurchganges aus dem mit einem Kreis 5 in Fig. 2 umschlossenen Abschnitte des Rekuperatorkernes dar.
• Fig. 6 ist eine vergrößerte, perspektivische Teilansicht eines Teiles des Rekuperatorkernes, welche die Luft- und die Gasströmung veranschaulicht.
• Die Fig. 7 und 8 stellen die Spannungskonzentrationen innerhalb von Teilen der Platten des Rekuperatorkernes dar.
• Fig. 1 zeigt schematisch eine teilweise geschnittene Ansicht eines ringförmigen, an einen Gasturbinenmotor 12 angeschlossenen Rekuperators 10. Der Motor 12 weist einen vielstufigen Kompressorabschnitt 14 auf, der über eine Welle 18 durch einen vielstufigen Turbinenabschnitt 16 zu einer Drehung angetrieben wird. Wie durch einen Pfeil 20 angedeutet ist, wird Umgebungsluft in den Kompressorabschnitt 14 eingesogen. Die den Kompressorabschnitt 14 verlassende komprimierte Luft wird über einen Kanal 22 zum ringförmigen Rekuperator 10 geleitet, wo sie durch die Abgase des Motors aufgeheizt wird. Die aufgeheizte, unter Druck stehende Luft aus dem ringförmigen Rekuperator 10 wird dann über einen Kanal 24 zu einem Brenner 26 des Turbinenmotors 12 geleitet. Innerhalb des Brenners 26 wird die aufgeheizte und unter Druck stehende Luft mit Brennstoff aus einem (nicht dargestellten) Brennstofftank gemischt und verbrannt, womit aus der Verbrennung heiße Antriebsgase erzeugt werden. Diese heißen Gase werden an den Turbinenabschnitt 16 des Motors 12 geleitet, wo sie über die Welle 18 eine Ausgangsleistung in Form einer Drehung erzeugen. Ein geringer Teil dieser Ausgangsleistung wird benötigt, um den Kompressorabschnitt 14 anzutreiben, wogegen der Großteil der Ausgangsleistung für den Antrieb der Ausgangswelle genützt wird. Die Antriebsenergie der Ausgangswelle mag für den Antrieb eines Generators, eines Kompressors, eines Propellers oder eines Fahrzeuges (nicht dargestellt) über ein Getriebe 28 benutzt werden. Die den Turbinenabschnitt 16 verlassenden Abgase treten in eine Ringkammer 30 im Inneren des ringförmigen Kernes 32 des Rekuperators 10 ein. Darin werden die Abgase auf eine Mehrzahl von sich radial erstreckenden, unten im einzelnen beschriebenen Durchlässen 34 für das Abgas innerhalb des ringförmigen Kernes 32 verteilt. Nach dem Austritt aus dem ringförmigen Kerne 32 werden die Abgase durch einen Sammelkanal 36 für das Abgas und eine (nicht dargestellte) Abgasleitung in die Atmosphäre geleitet.
• Die Figuren 2-5 zeigen detailliertere Ansichten des ringförmigen Kernes 32 des Rekuperators 10. Fig. 2 veranschaulicht sowohl eine Perspektivansicht eines zusammengebauten ringförmigen Kernes 32 als auch eine teilweise explodierte schematische Ansicht der größeren Bauteile des ringförmigen Kernes 32. Der ringförmige Kern 32 ist zur Gänze aus einer Mehrzahl von fünf in großen Mengen herstellbaren Bauteilen aufgebaut. Diese Bauteile umfassen im wesentlichen scheibenförmige Platten 40 (Fig. 3), im wesentlichen rechteckige Leitbleche 44 an den Durchgängen für das Abgas (Fig. 4), dreieckige Leitelemente 46 und parallelogrammartige Leitelemente 48 (Fig. 5).
• Jede Platte 40 weist eine erste Mehrzahl von im wesentlichen dreieckförmiger Einlaßdurchgänge 50 auf, die in paarweisen Sätzen mit einer zweiten Mehrzahl von darin ausgebildeten, im wesentlichen dreieckförmigen Auslaßdurchgängen 52 abwechselnd angeordnet sind. Die Kanten der Einlaß- und Auslaßdurchgänge 50, 52 sind gestanzt, um um sie herum jeweils Randrippen 54, 56 aufzuweisen. Die Platten 40 weisen auch im wesentlichen dreieckförmige offene Räume oder Aussparungen 58 auf, die Randrippen 59 um sie herum aufweisen mögen. Die Rippen 54, 56, 59 können sich über eine Höhe erstrecken, die beim Zusammenbau gleich dem Zwischenraum zwischen einander benachbarten Platten 40 oder einem Bruchteile davon ist. Vorzugsweise erstrecken sich die Rippen über eine Höhe, die gleich der Hälfte des Zwischenraumes zwischen einander benachbarten Platten 40 ist. Wenn die Platten 40 zusammengebaut werden, fluchten die Einlaßdurchgänge 50 miteinander und bilden eine Mehrzahl von Einlaßsammelkanälen 60 für Druckluft. In ähnlicher Weise fluchten die Auslaßdurchgänge 52, um eine Mehrzahl von Auslaßsammelkanälen für die Luft zu bilden. Wie leicht ersichtlich ist, führt die Erhitzung der Luft innerhalb des Kernes 32 zu einer Ausdehnung der Luft. Somit haben die Auslaßdurchgänge 52 und -sammelkanäle 62 eine größere Querschnittsfläche als die Einlaßdurchgänge 50 und -sammelkanäle 60, um einen übermäßigen Gegendruck im Kompressorabschnitt 14 zu verhindern.
• Die Fig. 3 zeigt eine Vorderansicht einer einzelnen Platte 40, einschließlich der Einlaßdurchgänge 50, der Auslaßdurchgänge 52 und der Aussparungen 58. Die Einlaßdurchgänge 50 sind vorzugsweise in einer Form gehalten, die sich einem Trapezoid annähert. Eine radial äußere Seite 64 des Trapezoids ist im wesentlichen dem Außenumfange des ringförmigen Kernes 32 benachbart. Die Seiten 66 und 68 des Trapezoids konvergieren radial einwärts. Die radial innere Seite 70 des Trapezoids fluchtet im wesentlichen senkrecht zu einem Radius der Platte 40 und ist vorzugsweise annähernd in der Hälfte des Abstandes zwischen dem radialen Innen- und dem radialen Außendurchmesser der Platte 40 positioniert. Die im wesentlichen dreieckförmigen Aussparungen 58 sind vorzugsweise radial einwärts von den Einlaßdurchgängen 50 angeordnet. Die Aussparungen 58 sind im wesentlichen derart geformt, daß sie radial einwärts konvergierende Seiten besitzen. Die Aussparungen sind jedoch derart geformt, daß sie eine Öffnung 72 haben, welche in offener Verbindung mit der Ringkammer 30 innerhalb des ringförmigen Kernes 32 steht. Beim Zusammenbau des ringförmigen Kernes 32 fluchten die Öffnungen 72 miteinander und bilden Schlitze, welche sich in axialer Richtung entlang des Innenumfanges des ringförmigen Kernes 32 erstrecken. Die Öffnungen 72 schaffen eine Biegsamkeit, um die relative Wärmedehnung am Innenumfange des ringförmigen Kernes 32 aufzunehmen, ohne sich hohe Wärmespannungen in den Platten 40 zuzuziehen. Wie gezeigt ist, sind die Einlaßdurchgänge 50 im wesentlichen trapezoidförmig. Es ist jedoch bevorzugt, daß die Spitzen des Trapezoids abgerundet sind, womit eine Wärmedehnung gestattet wird und Spannungskonzentrationen vermindert werden. In ähnlicher Weise gilt auch für die Aussparungen 58, daß die den Einlaßdurchgängen 50 zunächst liegenden Ecken vorzugsweise ebenfalls abgerundet sind.
• Fig. 4 zeigt eine teilweise explodierte Ansicht von einander benachbarten Durchlässen 34 für das Abgas, die in Fig. 2 durch den Kreis 4 identifiziert sind. Die Durchlässe 34 für das Abgas sind im wesentlichen rechteckförmig und zwischen einander benachbarten Einlaß- und Auslaßdurchgängen 50, 52 eingeschoben. Ein gewelltes Blech von Leitelementen 44 der Auslaßdurchgänge ist in den Durchgang 34 eingesetzt, um den Abgasstrom zu verwirbeln und die Wärmeübertragung auf die Platten 40 zu fördern. Die Rippen 54 und 56 hindern die Abgase innerhalb der Sammelkanäle 60 und 62 am Vermischen mit der Luft. Somit sind die Abgase gezwungen, durch den ringförmigen Kern 32 hindurch in den Durchlässen 34 für das Abgas radial auswärts zu strömen und Wärme auf die Leitelemente 44 des Abgasdurchlasses zu übertragen. Da die Durchlässe 34 für das Abgas im wesentlichen Rechteckform besitzen, kann die Querschnittsfläche, durch welche die Abgase strömen, im wesentlichen konstant gemacht werden. Alternativ können die Durchlässe 34 für das Abgas für eine radiale Strömung der Abgase mit konstantem Druck ausgelegt werden, indem die Durchlässe 34 und die Leitelemente 44 die Form eines Trapezoids erhalten, dessen Seiten radial auswärts konvergieren, nachdem die Kühlung der Abgase erfolgt, wenn sie durch den Kern hindurch nach außen strömen. Dies wird durch Einstellen der Form der benachbarten Einlaßdurchgänge 50, der Aussparungen 58 und des Auslaßdurchganges 52 leicht erreicht.
• Fig. 5 zeigt eine teilweise explodierte Ansicht des Strömungsweges der komprimierten Luft, der in der Fig. 2 durch den Kreis 5 identifiziert ist. Die komprimierte Luft strömt durch die durch die Einlaßdurchgänge 50 innerhalb jeder scheibenförmigen Platte 40 gebildeten Einlaßsammelkanäle 60 axial in den ringförmigen Kern 32. Wie zuvor beschrieben, sind die Auslaßdurchgänge 52 im wesentlichen dreieckförmig. Vorzugsweise sind jedoch alle Ecken abgerundet, wodurch eine Wärmedehnung zugelassen und die Spannungskonzentration verringert wird. Zwei Seiten der Dreiecke 74 und 76 für die Auslaßdurchgänge 52 konvergieren radial einwärts gegen den Innenumfang des ringförmigen Kernes 32. Die radial innen gelegenen Spitzen der Dreiecke sind ebenfalls krummlinig begrenzt, was eine Wärmeausdehnung ohne durch Spannung ausgelösten Bruch zuläßt.
• Die Öffnungen 80, 82 innerhalb des radial äußeren Abschnittes der die Einlaßdurchgänge 50 umgebenden Rippen 54 gestatten es der komprimierten Luft, in einen umschlossenen Durchgang 84 einzutreten, der sich innerhalb eines im wesentlichen rechteckigen Bereiches zwischen den benachbarten Einlaß- und Auslaßdurchgängen 50 und 52 erstreckt. Die umschlossenen Durchgänge 84 sind relativ zu den Durchlässen 34 für das Abgas gegenüberliegend angeordnet und durch die scheibenförmigen Platten 40 getrennt. Eine zweite Gruppe von Öffnungen 86, 88 innerhalb des radial inneren Abschnittes der die Auslaßdurchgänge 52 umgebenden Rippen 56 stehen auch mit den umschlossenen Durchgängen 84 in Verbindung und erhalten von ihnen komprimierte Luft.
• Um die Wärmeübertragung auf die komprimierte Luft zu fördern, sind die parallelogrammartigen Leitelemente 48 und ein Paar von dreieckigen Leitelementen 46 innerhalb der umschlossenen Durchgänge 84 angeordnet. Die Leitelemente 48 und 46 sind so angeordnet, daß sie eine Mehrzahl von im wesentlichen Z- (oder zurückgebogener Z-) -förmiger Kanäle zwischen den Öffnungen 80, 82 der Einlaßdurchgänge und Öffnungen 86, 88 der Auslaßdurchgänge 52 schaffen. Die dreieckigen Leitelemente 46 begrenzen die Ober- und Unterseite des Z und haben Leitblechwellungen, die im wesentlichen über den Umfang ausgerichtet sind, wogegen die parallelogrammförmigen Leitelemente 48 den Mittelteil des Z begrenzen und feine Leitblechwellungen besitzen, die im wesentlichen radial ausgerichtet sind.
• Die Trägerringe 42 sind so geformt, daß sie an den Innendurchmesser der scheibenförmigen Platten 40 angepaßt sind, und sie weisen Lappen bzw. Vorsprünge 43 auf, die den Konturen der Innenflächen der Aussparungen 58 folgen. Die Trägerringe 42 sind vorzugsweise aus einem Material gebildet, das einen gegenüber dem des Materiales der scheibenförmigen Platten 40 unterschiedlichen Dehnungskoëffizienten besitzt, wodurch die Trägerringe so ausgewählt werden können, dass sie den Innendurchmesser der scheibenförmigen Platten 40 vorspannen.
• Um einen ringförmigen Kern 32 aus rostfreiem Stahl zu bilden, werden Rohlinge für die scheibenförmigen Platten 40 aus einem ersten Blech aus rostfreiem Stahl geschnitten. Die Rohlinge werden sodann gestanzt, um die Rippen 54, 56, 59 rund um die Einlaß- und Auslaß Durchgänge zu bilden und um die Außenkante 64 und die Innenkante 78 jeder Platte 40 aus der Ebene der Platte 40 zu legen. Die Leitelemente werden alle aus einem zweiten Blech aus rostfreiem Stahl gebildet, das zuerst als Blech gewellt wird. Sodann werden die Bleche in die gewünschten Formen geschnitten, vorzugsweise durch einen Laser- oder Drahtschneidevorgang. Jede der Platten und der Leitelemente können dann vor dem Zusammenbau mit einer Hartlotverbindung beschichtet werden. Wenn der zusammengebaute Kern 32 anschließend erhitzt wird, verbindet die Hartlotverbindung alle einander benachbarten Flächen.
• Um die Mehrzahl einzelner Bauteile zu dem ringförmigen Kern 32 zu formen, werden die geformten Scheibenplatten 40 wiederholt aufeinandergestapelt, um abwechselnd die Leitbleche der Abgasdurchlässe und die Leitbleche der Luftdurchgänge 46 bzw. 48 zwischen aufeinanderfolgenden scheibenförmigen Platten 40 aufeinanderzulegen. Sobald einmal eine Mehrzahl der Scheiben 40 in einer aufeinandergestapelten Reihe angeordnet worden sind, kann der ringförmige Kern 32 in ein verflüssigtes Hartlötmaterial getaucht und dann in einem Ofen verlötet werden, um alle einander benachbarten Flächen miteinander zu verbinden und so eine metallurgisch verbundene, zellenartige, monolithische Kernstruktur zu bilden, die sehr stark aber im Inneren nachgiebig ist. Luftübergangskanäle 90, Flanschen 93, eine Montageplatte 94 und eine Blase 96 (Fig. 1) sind an den Kern angeschweißt, um den vollständigen Rekuperatar zu bilden. Der sich ergebende Aufbau kann große wärmeinduzierte Temperaturgradienten aufnehmen und die Leistung einer langen Lebensdauer erbringen. Wegen des hohen Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht und der Verteilung von von außen angelegten Belastungen über den ganzen Kern 32, werden aus der Umgebung induzierte, aus Vibrationen und Stößen herrührende Spannungen leicht aufgenommen. Die Matrixkonstruktion sorgt auch für eine wirksame Wärmeübertragung aus dem heißen Gas an die kältere komprimierte Luft.
• Die Strömungsmuster der komprimierten Luft und des Abgases werden in Figur 6 weiter veranschaulicht. Die Luft strömt in Axialrichtung (senkrecht zur Ebene des Papiers) durch jeden Sammelkanal 60 für den Lufteinlaß und tritt dann über einen dreieckigen Abschnitt des Einlaßendes für eine Querströmung in jeden einzelnen umschlossenen Durchgang 84 ein. Die Luft wendet dann und strömt durch einen Gegenstromabschnitt in Axialrichtung einwärts, wendet in einen dreieckigen Auslaßabschnitt für eine Querströmung und tritt in den Sammelkanal 62 für den Luftauslaß aus. Währenddessen strömt das Abgas gerade durch die Durchlässe 34 für das Abgas an den dem Luftstrom gegenüberliegenden Seiten der Platten 40 radial auswärts.
• Wie leicht zu erkennen ist, wird der Innenumfang des ringförmigen Kernes 32 den höchsten Temperaturen ausgesetzt sein. Die Ringform des ringförmigen Rekuperators 32 führt auf Grund der Gradienten der Metalltemperaturen während des Übergangs- und des stetigen Betriebes inhärent am Innenumfange zu einer hohen Kompressionsbelastung. Da die Verbrennungsgase den ringförmigen Kern 32 am Innendurchmesser betreten, sind die Metalltemperaturen am Innendurchmesser heißer als am Außendurchmesser des ringförmigen Kernes 32. Dies führt zu hohen Wärmedruckbelastungen am Innendurchmesser, was - zusammen mit weniger guten Materialeigenschaften auf Grund der höheren Temperaturniveaus - zu Belastungsbrüchen führen kann, welche Luftlecks und einen Verlust an Motorleistung verursachen. Der Einbau der Öffnungen 72, die miteinander fluchten, um axiale Schlitze zu bilden, vermindert die Wärmespannungen an den radial einwärts gelegenen Abschnitten des ringförmigen Kernes 32 und insbesondere der Platten 40.
• Die Fig. 7 und 8 zeigen vergleichsweise graphische Darstellungen der Wärmespannungsanalyse für einen Teil einer Platte 40. In Fig. 7 ist der ringförmige Rekuperator 10 ohne die Öffnungen 72 geformt. In Fig. 8 ist der ringförmige Kern mit den Axialschlitzen 72 ausgebildet. Die graphischen Darstellungen der Spannung zeigen ein Computermodell der Spannungen, welche durch die Wärmedehnung der Platten 40 hervorgerufen sind, für ähnliche Testparameter der Einlaßtemperatur, der Auslaßtemperatur und der hochgerechneten Strömungsgeschwindigkeiten. Die Maximalspannung, welche in der die die axialen Schlitze (Fig. 7) an der radial einwärts gelegenen Kante bildenden Öffnungen 72 nicht aufweisenden Platte 40 auftritt, ist gleich 130 ksi (20 kg/cm²). Im Vergleiche dazu beträgt die Maximalspannung für diejenige Platte 40, welche die die axialen Schlitze (Fig. 8) bildenden Öffnungen eingearbeitet hat, für denselben Satz von Testparametern 80 ksi (12 kg/cm²). Somit führt die Einarbeitung der Schlitze 72 zu einer Abnahme der durch die Wärmedehnung innerhalb der Platten 40 zugezogenen maximalen Spannung von annähernd 40 Prozent. Diese deutliche Abnahme der maximalen Spannungswerte wird ihren Vorteil in der Verläßlichkeit des ringförmigen Rekuperators 10, unabhängig vom beim Bau verwendeten Material, erweisen.
• Das Material des Rekuperators ist vorzugsweise ein rostfreier Stahl mit 14 Prozent Chrom und 4 Prozent Molybdän (14Cr-4Mo), der mit einer Nickel-Chrom-Legierung hartgelötet ist. Alternativ kann der Rekuperator aus Keramikmaterial, wie Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid gebildet werden, das im grünen Zustande in ähnlicher Weise in die gewünschten Formen gebracht wird, zu einem Kernstapel zusammengebaut und gesintert wird, um einen monolithischen ringförmigen Kern 32 aus Keramikmaterial zu bilden.

Claims (9)

1. Ringförmiger Rekuperatorkern zur Verwendung an einer Verbrennungskraftanlage, die einen Strom von Umgebungsluft benützt und einen Strom heißer Abgase erzeugt, welcher ringförmige Rekuperatorkern (32) folgendes aufweist:

eine Mehrzahl von eine Ringkammer (30) umschließenden, aufeinandergestapelten, im wesentlichen scheibenförmigen Platten (40), von denen eine jede Platte (40) eine Mehrzahl von im wesentlichen trapezoidförmigen Einlaßdurchgängen (50) aufweist, welche Einlaßdurchgänge (50) in paarweisen Sätzen zusammen mit einer Mehrzahl von Auslaßdurchgängen (52) angeordnet sind;

welche Mehrzahl von Einlaßdurchgängen (50) innerhalb der Mehrzahl von Platten miteinander fluchten, um Einlaßsammelkanäle (60) zu bilden, und die Mehrzahl von Auslaßdurchgängen (52) miteinander fluchten, um eine Mehrzahl von Auslaßsammelkanälen (62) zu bilden, welche Einlaß- und Auslaßsammelkanäle dadurch innerhalb des ringförmigen Kernes (32) axial fluchtend ausgerichtet sind;

eine Mehrzahl von Abgasdurchlässen (34), die zwischen abwechselnden Paaren der aufeinandergestapelten Mehrzahl von Platten (40) innerhalb der durch die paarweisen, einander benachbarten Einlaß- und Auslaßdurchgänge (50, 52) begrenzten Zwischenräume angeordnet sind;

eine Mehrzahl umschlossener Durchgänge (84), die bezüglich der Abgasdurchlässe (34) zwischen abwechselnden Paaren der aufeinandergestapelten Mehrzahl von Platten (40) abwechselnd aufeinandergestapelt sind;

eine erste Mehrzahl von Öffnungen (80, 82), die mit den umschlossenen Durchgängen (84) zwischen abwechselnden Paaren der aufeinandergestapelten Mehrzahl von Platten (40) zum Verteilen von Luft auf diese in Verbindung stehen;

eine zweite Mehrzahl von Öffnungen (86, 88), die mit den umschlossenen Durchgängen (84) zwischen abwechselnden Paaren der aufeinandergestapelten Mehrzahl von Platten (40) zur Aufnahme erhitzter Luft von diesen in Verbindung stehen;

gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Aussparungen (58), welche radial einwärts der Einlaßdurchgänge (50) angeordnet sind und mit der Ringkammer (30) über Öffnungen (72) an einem Innendurchmesser der scheibenförmigen Platten (40) in Verbindung stehen und abwechselnd in paarweisen Sätzen mit den Einlaßdurchgängen (50) angeordnet sind; wogegen die Auslaßdurchgänge (52) im wesentlichen dreieckformig sind; wobei jeder der Durchgänge (50, 52) wenigstens teilweise durch Rippen (54, 56) begrenzt ist, die sich über eine Höhe in den Zwischenräumen zwischen einander benachbarten Platten (40) und über einen Bruchteil derselben erstrecken, und wobei die ersten und zweiten Öffnungen (80, 82, 86, 88) innerhalb dieser Rippen (54, 56) liegen.

2. Ringförmiger Rekuperator nach Anspruch 1, bei dem die im wesentlichen trapezoidförmigen Einlaß- und die im wesentlichen dreieckförmigen Auslaßdurchgänge (50, 52) sowie die Aussparungen (58) abgerundete Ecken besitzen.

3. Ringförmiger Rekuperator nach Anspruch 1, bei dem der ringförmige Kern (32) ferner folgendes aufweist:

eine Mehrzahl von Trägerringen (42), die in den ringförmigen Kern (32) am Innendurchmesser der scheibenförmigen Platten (40) eingebaut sind, welche Trägerringe Lappen (43) aufweisen, die an die Innenfläche der Aussparungen angepaßt sind.

4. Ringförmiger Rekuperator nach Anspruch 3, bei dem die Trägerringe (42) innerhalb des ringförmigen Kernes (32) aus einem Material gebildet sind, das einen gegenüber dem des Materiales der scheibenförmigen Platten (40) unterschiedlichen Dehnungskoëffizienten besitzt, und die Trägerringe (42) den Innendurchmesser der scheibenförmigen Platten vorspannen.

5. Ringförmiger Rekuperator nach Anspruch 4, bei dem die Platten (40) und die Trägerringe (42) zusammengebaut und untereinander zur Bildung eines festen, monolithischen ringförmigen Kernes (32) aneinander gebunden sind.

6. Ringförmiger Rekuperator nach Anspruch 1, bei dem die Aussparungen im wesentlichen dreieckförmig sind und eine Seite zunächst der Innenseite der Einlaßdurchgänge (50) an dieser anliegt, wogegen die verbleibenden beiden Seiten der Aussparungen (58) ohne Schneiden radial einwärts konvergieren, wodurch die mit der Ringkammer (30) innerhalb des ringförmigen Kernes (32) in Verbindung stehenden Öffnungen (72) gebildet sind.

7. Ringförmiger Rekuperator nach Anspruch 6, bei dem der ringförmige Kern ferner folgendes aufweist:

eine Mehrzahl von Trägerringen (42), die in den ringförmigen Kern (32) am Innendurchmesser der scheibenförmigen Platten (40) eingebaut sind, welche Trägerringe (42) Lappen (43) aufweisen, die an die Innenfläche der Aussparungen (58) angepaßt sind.

8. Ringförmiger Rekuperator nach Anspruch 6, welcher ferner folgendes aufweist:

eine Mehrzahl gewellter Leitelemente (44), die innerhalb der Mehrzahl von Abgasdurchlässen (34) angeordnet sind;

eine zweite Mehrzahl von im wesentlichen Z-förmigen Leitelementen (46, 48), die innerhalb der umschlossenen Durchgänge (84) angeordnet sind.

9. Ringförmiger Rekuperator nach Anspruch 1, bei dem die Platten (40) aus Blechen aus rostfreiem Stahl geformt und die so geformten Bleche aus rostfreiem Stahl mit einer Nickel-Chrom- Legierung miteinander hartverlötet sind.