DE2443989A1

DE2443989A1 - ROTARY PREHEAT EXCHANGER

Info

Publication number: DE2443989A1
Application number: DE19742443989
Authority: DE
Inventors: Waldemar Hryniszak
Original assignee: Advanced Materials Engineering Ltd
Current assignee: Advanced Materials Engineering Ltd
Priority date: 1973-10-24
Filing date: 1974-09-14
Publication date: 1975-04-30
Also published as: GB1452290A

Description

Rotations-Vorwärmwärmetaus eherRotary preheating dew rather

Die Erfindung betrifft Rotore für Rotations-Vorwärmwärmetaus eher.The invention relates to rotors for rotary preheating towers rather.

Bekannte Rotore für Rotations-Vorwärmwärmetauseher umfassen einen einstückigen bzw. einheitlichen Körper aus Matrixmaterial. Für viele Anwendunera zwecke weisen solche Rotore jedoch erhebliche Nachteile auf. Beispielsweise hat man auf dem Gebiet der Gasturbinentriebwerke, wie selbstbewegender Gasturbinentriebwerke ,mit einstückigen V7ärmetauscherrotoren aus Keramik oder Glas/Keramikmaterial ausgedehnte Versuche, insbesondere in den Vereinigten Staaten von Amerika und in Großbritannien durchgeführt. Trotz er-Known rotors for rotary preheating heat exchangers include a one-piece or unitary body made of matrix material. Such rotors have many uses however, there are significant disadvantages. For example, in the field of gas turbine engines, such as automotive ones Gas turbine engines, with integral heat exchanger rotors made of ceramic or glass / ceramic material Tests carried out, particularly in the United States of America and Great Britain. Despite

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Postscheckkonto München 2728-804 ■ Kreissparkasse Starnberg 68DIi) · Doutsct-.e Bank Starnberg 5S/17570Postal checking account Munich 2728-804 ■ Kreissparkasse Starnberg 68DIi) · Doutsct-.e Bank Starnberg 5S / 17570

heblicher Entwicklungsarbeit haben sich derartige Rotoren als vollkommen unzufriedenstellend erwiesen, und zwar vorallem deshalb weil ein einstückiger Matrixkörper nicht im Stande ist, die thermischen Beanspruchungen auszuhalten, denen er im Betrieb ausgesetzt ist.Considerable development work has shown such rotors to be completely unsatisfactory, and especially so because a one-piece matrix body is not able to withstand the thermal stresses, to which he is exposed in operation.

Ein weiteres offenes Problem bei bekannten Rotoren im Hinblick auf solche Anwendungen ist die Dichtung zwischen dem sich bewegenden Rotor und dem stationären Gehäuse in welchem der Rotor angeordnet ist. Alle Versuche, eine wirksame Abdichtung durch Anbringung einer geeigneten Dichtung an dem Matrixmaterial sicherzustellen sind gescheitert.*Another open problem with known rotors in view of such applications is the seal between the moving rotor and the stationary housing in which the rotor is arranged. All attempts an effective seal must be ensured by applying a suitable seal to the matrix material failed.*

Die Erfindung überwindet diese Probleme, die im Zusammenhang mit einstückigen Rotorkonstruktionen auftreten.The invention overcomes these related problems occur with one-piece rotor constructions.

Ein Rotor nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial aus mehreren getrennten Einzelkörpern besteht, und das der Rotor aus mehreren Modulen aufgebaut ist, von denen jeder Strömungsöffnungen für das Gas aufweist und wenigstens einen Körper aus Matrixmaterial aufweist.A rotor according to the invention is characterized in that the matrix material consists of several separate individual bodies consists, and that the rotor is made up of several modules, each of which has flow openings for the gas and at least one body of matrix material.

Die Erfindung isoliert auf diese Weise das Matrixmaterial, so daß es nur eine Wärmeaustauschfunktion zu erfüllen hat. Thermische Wirkungen in einem Matrixkörper beeinflussen andere Matrixkörper nicht, so daß die thermischen Spannungen auf ein Minimum reduziert sind.In this way, the invention isolates the matrix material so that it only has to fulfill a heat exchange function. Thermal effects in a matrix body do not affect other matrix bodies, so that the thermal Tensions are reduced to a minimum.

Eine nur einigermaßen vernünftige Dichtung ist nur zwischen jedem Modul und dem darin befindlichen Matrixmaterial notwendig, und diese Dichtung ist statisch, nicht dynamisch. Im Betrieb erfolat die dynamische Abdichtung zwischen dem Fotor als ganzem und dem Gehäuse für den Rotor nicht an der Oberfläche der Matrix sondern an den Oberflächen der Module, so daß wiederrum thermische Spannungen und deren Einflüße auf die dynamische Dichtung weitgehend minimalisiert sind.A somewhat reasonable seal is only between each module and the matrix material inside necessary, and this seal is static, not dynamic. The dynamic Sealing between the photor as a whole and the housing for the rotor is not on the surface of the matrix but rather on the surfaces of the modules, so that in turn thermal stresses and their effects on the dynamic seal are largely minimized.

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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung. Auf dieser istFurther features of the invention emerge from the following description of preferred exemplary embodiments in connection with the attached drawing. On this one is

Fig. 1 eine schematische dreidimensiale Explosionsansicht eines Moduls, 1 shows a schematic three-dimensional exploded view of a module,

Fig. 2 eine vergrößerte Detailansicht der in Fig. gezeigten Matrix,FIG. 2 shows an enlarged detailed view of the matrix shown in FIG.

Fig. 3 einen Schnitt durch den zusammengesetzten Modul gemäß Fig. 1,3 shows a section through the assembled module according to FIG. 1,

Fig.4 . eine schematische dreidimensionale Ansicht eines Rotors mit Modulen der in den Fiq. 1 bis 3 gezeigten Art und von zusammen mit dem Rotor verwendeten Dichtungen, wobei die Dichtungen aus Gründen größerer Übersichtlichkeit aus ihrer Arbeitsstellung ausgerückt gezeichnet sind,Fig. 4. a schematic three-dimensional view of a Rotors with modules of the Fiq. 1 to 3 and of together with the rotor used seals, the seals for the sake of clarity are drawn out of their working position,

Fig. 5 eine schematische dreidimensionale Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines Moduls,5 shows a schematic three-dimensional view of a second embodiment of a module,

Fig. 6 eine vergrößerte Detailansicht der inFig. gezeigten Matrix,Fig. 6 is an enlarged detailed view of the inFig. shown matrix,

Fig. 7 einen Schnitt durch den zusammengesetzten Modul der Fig. 5,FIG. 7 shows a section through the assembled module of FIG. 5,

Fig. 8 eine schematische dreidimensiale Explosionsansicht einer dritten Ausführungsform eines Moduls,8 shows a schematic three-dimensional exploded view of a third embodiment of a Module,

Fig. 9 eine vergrößerte Detailansicht der in Fig. gezeigten Matrix,FIG. 9 shows an enlarged detailed view of the matrix shown in FIG.

Fig. 10 eine schematische dreidimensionale Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines Rotors mit Modulen der in den Fig. 8 und 9 gezeigten Art und mit zusammen mit dem Rotor verwendeten10 shows a schematic three-dimensional view of a second embodiment of a rotor with modules of the type shown in Figures 8 and 9 and used with the rotor

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Dichtungen, wobei die Dichtungen aus Gründen größerer Klarheit aus ihrer Arbeitsstellung ausgerückt gezeichnet sind,Seals, with the seals out of their working position for the sake of clarity are drawn disengaged,

Fig. 11 ein Teilaufriß einer vierten Ausführungsform eines Moduls in einer dritten Ausführunasform eines Rotors, wobei aus Gründen größerer Klarheit darüberliegende Teile teilweise weggelassen sind,Figure 11 is a partial elevation of a fourth embodiment a module in a third embodiment of a rotor, parts overlying it being partially omitted for the sake of greater clarity are,

Fig. 12 ein teilweiser Zentralschnitt durch den in Fig. 11 gezeigten Rotor und12 shows a partial central section through the rotor shown in FIG. 11 and FIG

Fig. 13 ein teilweiser Zentralschnitt durch eine fünfte Ausführungsform eines Moduls in einer vierten Ausführungsform eines Rotors.13 shows a partial central section through a fifth embodiment of a module in one fourth embodiment of a rotor.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen einen Modul 1o, welcher aus einem sektorförmigen Kasten 12 mit einer Frontabdeckung 14 und einer Rückabdeckung 16 aufgebaut ist. Der Modul enthält einen Körper aus Matrixmaterial in Form eines sektorförmigen Blocks 18,welcher in seiner Form so aufgebaut ist, das er in den Kasten 12 hinein paßt.1 to 3 show a module 1o, which consists of a sector-shaped box 12 is constructed with a front cover 14 and a rear cover 16. The module contains a body made of matrix material in the form of a sector-shaped block 18, which is so constructed in its shape is that it fits into the box 12.

Die Frontabdeckung 14 und die Rückabdeckung 16 weisen jeweils vier kreisförmige durchgehende öffnungen auf.The front cover 14 and the rear cover 16 each have four circular through openings.

Fig. 3 zeigt den Aufbau des Moduls im Detail. Die Frontabdeckung 14 umfaßt eine Dichtung 20, welche in den Kasten 12 hineinpaßt und mit inneren Aussparungen 22 versehen ist, in welche der Block 18 der Matrix dichtend hineinpaßt. Die Rückabdeckung 16 weist eine Pippe 24 auf, die sich außenherumerstreckt, wobei auch die Rippe 24 in den Kasten 12 hineinpaßt. Die Rippe 24 weist Schlitze 26 auf, die über ihren gesamten Umfang verteilt sind, und die dafür sorgen, das kühle Luft den Raum zwischen dem Matrixblock 18 und den SeitenFig. 3 shows the structure of the module in detail. The front cover 14 includes a seal 20 which is in the Box 12 fits and is provided with internal recesses 22 into which the block 18 of the matrix seals fits in. The back cover 16 has a lip 24 which extends around the outside, with the rib 24 also fitting into the box 12. The rib 24 has slots 26, which are distributed over its entire circumference, and which ensure the cool air the space between the matrix block 18 and the sides

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des Kastens 12 erreicht. Die Rippe 24 weist ferner eine Ausnehmung 28 zur Aufnahme des Blocks 18 auf.of the box 12 reached. The rib 24 also has a recess 28 for receiving the block 18.

Fig. 2 zeigt den Block 18 aus Matrixmaterial im Detail. Er umfaßt abwechselnd ebene Platten 30 und gewellte Platten 32, die ein* Feld von sich parallel durch den Block 18 von vorne nach hinten erstreckenden Kanälen definieren. Die zu den Kanälen parallelen Seiten des Blocks 18 sind undurchlässig. Fig. 2 shows the block 18 made of matrix material in detail. It comprises alternating flat plates 30 and corrugated plates 32 which have a * field parallel through the block 18 from front to back Define extending channels. The sides of the block 18 parallel to the channels are impermeable.

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Der Kasten, die Front abdeckung, die .Rückabdeckung und die Matrix sind bevorzugt alle aus Keramikmaterial, wie beispielsweise Siliciumnitrid, hergestellt. Es ist jedoch auch möglich andere Materialien hierfür zu verwenden oder Keramikmaterial nur für eine öder einige der Komponenten zu verwenden. So kann beispielsweise die Frontabdeckung 14 aus Keramikmaterial bestehen, während die anderen Komponenten aus Metall hergestellt sind. Oder es kann beispielsweise nur die Matrix aus Keramikmaterial bestehen, oder, in einer anderen Ausführungsform, nur die Frontabdeckung und die Matrix.The box, the front cover, the back cover and the matrix are preferably all made of ceramic material, such as silicon nitride. However, it is also possible to use other materials for this or use ceramic material for just one or some of the components. For example the front cover 14 are made of ceramic material, while the other components are made of metal are. Or, for example, only the matrix can consist of ceramic material, or in one other embodiment, only the front cover and the matrix.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, alle Komponenten aus Metall herzustellen.It is within the scope of the invention to manufacture all components from metal.

Fig. 4 zeigt zwanzig der Module 10, die zu einem scheibenförmigen Rotor 50 zusammengefügt sind. Die Module werden in ihrer Stellung durch ein Stahlband gehalten, welches die Module 10 entlang ihrer Außenwände umgiebt.FIG. 4 shows twenty of the modules 10 which are joined together to form a disk-shaped rotor 50. the Modules are held in place by a steel band that runs the modules 10 along their outer walls surrounds.

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Der Rotor ist so eingerichtet, daß er in Betrieb in gleitender Berührung mit den zwei feststehenden Dichtungen 54 und 56 steht, die nur aus Gründen der Klarheit getrennnt vom Rotor 50 dargestellt sind.The rotor is arranged so that, in use, it is in sliding contact with the two stationary ones Seals 54 and 56, which are shown separated from rotor 50 for clarity only.

Jede der Dichtungen ist eine dünne, flexible Konstruktion, die sich den Dichtflächen des Rotors 50 unter allen Bedingungen anpaßt. Ein Beispiel einer solchen Dichtung ist im einzelnen in der DT-OS 1 921 919 beschrieben, so daß sich eine weitere Beschreibung der Dichtungen 54 und 56 hier erübrigt.Each of the seals is a thin, flexible structure that adheres to the sealing surfaces of the rotor 50 adapts under all conditions. An example of such a seal is detailed in the DT-OS 1 921 919, so that a further description of the seals 54 and 56 is superfluous here.

Die Vorderseite der Frontabdeckung 14 und die Rückseite der Rückabdeckung 16 sind Dichtflächen, welche zusammen die Rotordichtflächen bilden, an denen die Dichtungen 54 und 56 angreifen.The front of the front cover 14 and the rear of the rear cover 16 are sealing surfaces which together form the rotor sealing surfaces on which the seals 54 and 56 attack.

Im Betrieb würde heißes Abgas von beispielsweise einer Gasturbine durch den Rotor 50 von links nach rechts in Fig. 4, das heißt durch jeden der Module 10 von links nach rechts in Fig. 3 strömen. Das heiße Gas wurde hierbei in zwei Strömen durch die beiden öffnungen, beispielsweise 60 und 62 in der Dichtung 54 und die öffnungen 64 und 66 in der Dichtung 56 strömen.During operation, hot exhaust gas from a gas turbine, for example, would flow through the rotor 50 from left to right in FIG. 4, that is to say through each of the modules 10 from left to right in FIG. 3. The hot gas was here in two streams through the two openings, for example 60 and 62 in the seal 54 and the openings 64 and 66 in the seal 56 flow.

Gleichzeitig würde kalte Luft in die Turbine gezogen werden, nachdem sie den Rotor 50 von rechts nach links (Fig. 4) in zwei Strömen durchströmt hat. Eine der beiden Strömen verläuft durch die öffnung 70 in der Dichtung 56 und die öffnung 74 in der Dichtung 54. Der andere der beiden Ströme verläuft durch die öffnung in der Dichtung 56, die durch den Rotor 50 verdeckt ist, und durch die öffnung 76 in der Dichtung 54.At the same time, cold air would be drawn into the turbine after it has flowed through the rotor 50 from right to left (FIG. 4) in two streams. One of the Both streams run through the opening 70 in the seal 56 and the opening 74 in the seal 54. The other of the two flows runs through the opening in the seal 56, which runs through the rotor 50 is covered, and through the opening 76 in the seal 54.

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Der Rotor 50 wird durch die Turbine gedreht und die ankommende kalte Luft nimmt Wärme auf, während sie durch die Matrixblöcke 18 strömmt, die kontinuierlich wieder erwärmt werden, während sie sich aus den Kaltluftströmen herausbewegen und das heiße Abgas durchqueren (und von diesem durchquert werden).The rotor 50 is rotated by the turbine and the incoming cold air absorbs heat while it flows through the matrix blocks 18, which are continuously reheated as they move out of the Move out currents of cold air and the hot exhaust gas traverse (and be traversed by this).

Eine hochwirksame Dichtung wird nur zwischen den Dichtflächen des Moduls und den mit ihnen in Berührung stehenden Flächen der Dichtungen 54 und 56 benötigt. Zwischen der Dichtung 20 und dem Matrixblock 18 in jedem Modul sind dagegen nur solche Dichtverhältnisse vonnöten, die gerade verhindern, daß das Gas am Matrixblock 18 vorbeiströmmt.A highly effective seal will only be between the sealing surfaces of the module and those in contact with them standing surfaces of the seals 54 and 56 required. In contrast, there are only such between the seal 20 and the matrix block 18 in each module Sealing conditions are required that just prevent that the gas flows past the matrix block 18.

Die Fig. 5 bis 7 zeigen eine zweite Aus führungs form eines Moduls, die der eben beschriebenen ähnlich ist, sich jedoch in Einzelheiten unterscheidet*FIGS. 5 to 7 show a second embodiment of a module that is similar to the one just described, but differs in details *

Der Modul besteht aus vorderen und hinteren Kastenteilen 80 und 82, vorderen und hinteren Dichtungen 84 und 86 und einem Matrixblock 88.The module consists of front and rear box sections 80 and 82, front and rear seals 84 and 86 and a matrix block 88.

Jeder Kastenteil weist acht durchgehende öffnungen auf.Each box part has eight openings through it.

Fig. 7 zeigt den Aufbau im Detail. Die Dichtung 84 paßt innen in den vorderen Kastenteil 80 und weist eine Ausnehmung 90 auf, in welcher der Matrixblock dichtend angeordnet ist. Die Dichtung 86 paßt innen in den hinteren Kastenteil 82 und weist eine Ausnehmung 92 auf, in welcher der Matrixblock 88 angeordnet ist. Die Dichtung 86 weist Schlitze 9 4 auf, die sich längs des gesamten Umfangs des KastenteilsFig. 7 shows the structure in detail. The seal 84 fits internally in the front box portion 80 and has a recess 90 in which the matrix block is sealingly arranged. The seal 86 fits inside in the rear box part 82 and has a recess 92 in which the matrix block 88 is arranged is. The seal 86 has slots 94 which extend along the entire circumference of the box part

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erstrecken und den gleichen Zweck haben wie die Schlitze 26.and serve the same purpose as the slots 26.

Fig. 6 zeigt die Matrix 88 im Detaill Sie besteht aus einem Keramikschaum mit einer offenen Zellstruktur, so daß also die einzelnen Zellen miteinander in Verbindung stehen. Die Seiten der Matrix sind undurchlässig. Beispielsweise können die Seiten abgedichtet werden, indem man an den Seiten des Schaumblocks undurchlässige Keramikschichten anbringt.Fig. 6 shows the matrix 88 in detail. It consists of a ceramic foam with an open cell structure, so that the individual cells are connected to one another. The pages of the Matrix are impermeable. For example, can the sides are sealed by placing impermeable ceramic layers on the sides of the foam block attaches.

Wie im Falle des in den Fig. 1 bis 3 gezeioten Moduls, kann der Modul der Fia. 5 bis 7 gänzlich oder teilweise aus Keramikmaterial, wie Siliciumnitrid oder anderer Keramik bestehen, oder aber er kann eine Ganzmetallkonstruktion sein.As in the case of the module shown in FIGS. 1 to 3, the module of FIG. 5 to 7 throughout or partially made of ceramic material, such as silicon nitride or other ceramic, or else it can be an all-metal construction.

Die Module der Ficr. 5 bis 7 sind so eingerichtet, daß sie in einer der Fig. 4 ähnlichen Weise zusammenpassen und einen Rotor bilden, der ähnlich wie der oben beschriebene arbeitet. Die heißen Abgasströme würden von links nach rechts, bei Betrachtung gemäß Fig. 7, durch jeden Modul strömen. Der vordere Kastenteil 80 würde daher die höchsten Temperaturen aushalten müssen, und könnte daher vorteilhafterweise aus Keramikmaterial hergestellt sein, und zwar auch dann wenn die anderen Komponenten aus Metall sein sollten.The modules of the Ficr. 5 to 7 are set up so that they fit together in a manner similar to that of FIG. 4 and form a rotor similar to that of FIG described above works. The hot exhaust gas flows would be from left to right, when viewed according to 7, flow through each module. The front box part 80 would therefore have the highest temperatures have to endure, and could therefore be beneficial be made of ceramic material, even if the other components are made of Should be metal.

Fig. 8 und 9 zeigen eine dritte Ausführungsform eines Moduls, der sich zur Verwendung in einem trommelförmigen Rotor eignet.Figs. 8 and 9 show a third embodiment of a Module that can be used in a drum-shaped Rotor suitable.

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Der Modul besteht aus einem langgestreckten Kasten 100 mit einem sektorförmigen Querschnitt und weist in seinen radial innen und außen gelegenen Wänden 102 und 104,die teilzylindrisch aufgebaut sind, durchaehende öffnungen auf. Der Kasten 100 hat sektorförmige Endwände 106 und 108 und enthält Matrixmaterial 110.The module consists of an elongated box 100 with a sector-shaped cross-section and has in its radially inner and outer walls 102 and 104, which are partially cylindrical are, through openings. The box 100 has sector-shaped end walls 106 and 108 and contains Matrix material 110.

Fig. 9 zeigt die Matrix im Detail. Sie besteht aus einer gestapelten Anordnung von Platten aus Keramikmaterial, wie Siliciumnitrid beispielsweise, wobei jede Platte Rippen oder Wellen auf einer Seite aufweist, mit denen sie auf der ebenen Seite der angrenzenden Platte aufliegt.Fig. 9 shows the matrix in detail. It consists of a stacked arrangement of plates made of ceramic material, such as silicon nitride, for example, where each plate has ribs or corrugations on one side, with which it is on the flat side of the adjacent one Plate rests.

Fig. 10 zeigt zwanzig der Module der Fig. 8, die zu einem trommeiförmigen Rotor 200 zusammengesteilt sind, an welchem innen bzw. diesen umgebend die feststehenden Dichtanordnungen 202 bzw. 204 angreifen(Die Dichtanordnungen sind aus Gründen größerer Klarheit aus ihrer Arbeitsstellung herausgerückt gezeichnet).FIG. 10 shows twenty of the modules from FIG. 8 which are arranged to form a drum-shaped rotor 200 are on which the stationary sealing arrangements 202 and 204 attack on the inside or surrounding it (Die Sealing arrangements are drawn out of their working position for the sake of greater clarity).

Jede DichtanOrdnung umfaßt vier Abschnitte, von denen sich jeder über ein Viertel des gesamten Dichtungsumfangs erstreckt, so daß die Anordnung 202 die vier Abschnitte 206, 208, 210 und 212 und die Anordnung 204 die vier Abschnitte 214, 216, 218 und 220 aufweist.Each sealing arrangement comprises four sections, of which each over a quarter of the total gasket circumference extends so that the assembly 202 includes the four sections 206, 208, 210 and 212 and the assembly 204 has the four sections 214, 216, 218 and 220.

Jede Dichtung ist eine flexible Konstruktion und kann ähnlich aufgebaut sein wie diejenige, die in der britischen Patentschrift Nr. 1. 267 805 der Anmelderin beschrieben ist. Jede Anordnung definiert vier Öffnungen, so daß die Anordnungen zusammen vier radiale Strömungspfade durch denEach seal is a flexible construction and can be constructed similarly to the one in British Patent No. 1,267,805 in the name of the applicant. Each arrangement defines four openings, so that the assemblies together have four radial flow paths through the

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trommeiförmigen Rotor 200 definieren. Zwei der Pfade, diametrial gegenüberliegend sind die Pfade für zwei Heißgasströme, und die beiden anderen diametrial gegenüberliegende Pfade sind die Pfade für zwei Kaltgasströme. Define drum-shaped rotor 200. Two of the paths, diametrically opposite, are the paths for two Hot gas flows, and the other two diametrically opposite paths are the paths for two cold gas flows.

Alle beschriebenen Au sfüh rungs forme η haben folgende Vorteile:All of the embodiments η described have the following Advantages:

(1) thermische Verformungen können durch geeignete Wahl der Form und GrößenVerhältnisse der Module auf ein Minimum beschränkt werden;(1) Thermal deformations can be prevented by suitable selection of the shape and size ratios of the modules be kept to a minimum;

(2) die Dichtungs- und Wärmeaustauschfunktionen sind voneinander getrennt, so daß eine nennswerte Dichtung nur an der Matrixgrenze benötigt wird;(2) the sealing and heat exchange functions are separated from each other so that an appreciable Seal is only required at the matrix boundary;

(3) es besteht ein hohes Maß an Freiheit für den Konstrukteur was die Wahl der Aufbaumethoden anbelangt;(3) there is a high degree of freedom for the designer as to the choice of construction methods concerns;

(4) die Module lassen sich standadisieren, was kostensenkend wirkt;(4) the modules can be standardized, which saves costs acts;

(5) ein Modul läßt sich im Falle einer Beschädigung leicht ersetzen;(5) a module is easy to replace if damaged;

(6) ein Ausfall oder ein Fehler im einem Matrixblock coder anderswo in einem Modul beeinflußt nicht das Funktionieren der anderen Blöcke oder Module, und die Leistung des Rotors als Ganze wird von diesem Ausfall nur leicht berührt, so daß das Triebwerk, zu dem der Vorwärmer gehört, mit hoher Leistung weiterarbeiten kann, bis sich die Reperatur durchführen läßt.(6) a failure or failure in a matrix block or elsewhere in a module does not affect this The functioning of the other blocks or modules, and the performance of the rotor as a whole, is determined by this Failure only slightly affected, so that the engine to which the preheater belongs, with high performance can continue working until the repair can be carried out.

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Der trommelförmige Potor hat zusätzlich den Vorteil, daß die Matrixanordnung entfernt und ersetzt werden kann, ohne das die Dichtunoen abgenommen oder Kopfteile (nicht gezeigt) entfernt werden müssen. Man braucht nur eine Endwand 106 oder 108 abzunehmen.The drum-shaped rotor has the additional advantage of that the matrix assembly can be removed and replaced without removing the seals or headboards (not shown) must be removed. One need only remove one end wall 106 or 108.

Der Antrieb des Rotors kann entweder am Rand oder durch eine Nabe (nicht gezeigt ) erfolgen. Vorzugsweise liegt das Verhältnis zwischen dem Innen- und dem Außendurchmesser zwischen 0,4 und 0,6.The rotor can be driven either at the edge or by a hub (not shown). Preferably the ratio between the inside and outside diameter is between 0.4 and 0.6.

Die Matrixblöcke sind in den Modulen so angeordnet, daß sich der Block unter der Wirkung der Temperatur verformen kann, ohne das Modulgehäuse zu beeinflussen. Die von der Matrix auf das Gehäuse abgeleitete V7ärme wird auf einem Minimum gehalten. Der heiße Teil des Gehäuses, an dem die Dichtung angreift, kann vom Rest des Gehäuses so isoliert sein, daß sich der heiße Teil ohne unzulässige Verformung ausdehnen ■ ■ und zusammenziehen kann, wodurch wiederum die Dichtungseigenschaften verbessert werden.The matrix blocks are arranged in the modules in such a way that the block moves under the effect of temperature can deform without affecting the module housing. The heat derived from the matrix on the housing is kept to a minimum. The hot part of the housing, on which the seal engages, can from The rest of the housing must be insulated in such a way that the hot part can expand without undue deformation and can contract, which in turn improves the sealing properties.

Falls gewünscht, kann jeder Modul mehr als einen einzigen Block aus Matrixmaterial enthalten.If desired, each module can contain more than a single block of matrix material.

Die Fig. 11 und 12 zeigen eine dritte Ausführungsform eines Rotors für einen Wärmeaustauscher. Der Rotor ist hierbei um eine Achse 310 drehbar und umfaßt ein ringförmiges Gehäuse 312 aus Stahl, welches eine ebene Dichtfläche 314 darbietet, gegen welche eine feststehende Dichtung 316 wirkt. Das Gehäuse 312 weist in seinen flachen Seiten kreisförmige öffnungen 318 auf. Die Ränder aller öffnungen 318 sind mit einem Radius 320 ausgebildet, um sicherzustellen, daß dieFigs. 11 and 12 show a third embodiment a rotor for a heat exchanger. The rotor is rotatable about an axis 310 and comprises an annular one Housing 312 made of steel, which presents a flat sealing surface 314 against which a stationary Seal 316 acts. The housing 312 has circular openings 318 in its flat sides on. The edges of all openings 318 are formed with a radius 320 to ensure that the

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öffnungsränder unter der Dichtung 316 frei hindurchgleiten. The opening edges slide freely under the seal 316.

Das Gehäuse 312 weist Abschließteile aus Keramik in Form von sechzehn Modulen 322 auf. Jeder Modul 322 ist ein sektorförmiger Kasten mit einer Rückwand 324, teilzylindrischen Außen- und Innenwänden 326 bzw. 328 und ebenen Seitenwänden 33o und 332.The housing 312 has sealing parts made of ceramic in the form of sixteen modules 322. Each module 322 is a sector-shaped box with a rear wall 324, partly cylindrical outer and inner walls 326 or 328 and flat side walls 33o and 332.

Zwischen angrenzenden Seiten aneinander angrenzender Module 322 sind Streifen 344 aus Füllmatrial aus Keramikfasern vorgesehen, welche die räumliche Festlegung der Module 322 unterstützen und die Fugen zwischen ihnen abdichten.Between adjacent sides of adjacent modules 322 are strips 344 of filler material Ceramic fibers are provided, which support the spatial definition of the modules 322 and the joints seal between them.

Die Module 322 werden durch einen äußeren Ring 342 und einen inneren Ring 344, beide aus Keramikrraterial, in Stellung gehalten, wobei die Ringe an äußeren und inneren Flanschen 34 6 bzw. 348 des Gehäuses 312 durch lösbare Vorrichtunoen (nicht gezeigt) befestigt sind.The modules 322 are supported by an outer ring 342 and an inner ring 344, both made of ceramic material. held in place with the rings on outer and inner flanges 346 and 348, respectively, of housing 312 through detachable devices (not shown) are attached.

Füllmaterial aus Keramikfasern ist bei 350 und 352 zwischen dem Gehäuse und einem äußeren Flansch 354 jedes Moduls 322 und zwischen dem Flansch ., 354 und dem äußeren Ring 342 vorgesehen.Ceramic fiber filler material is at 350 and 352 between the housing and an outer flange 354 of each module 322 and provided between the flange., 354 and the outer ring 342.

In ähnlicher Weise ist Füllmaterial bei 356 und 358 zwischen dem Gehäuse 312 und einem inneren Flansch jedes Moduls 322 und zwischen dem Flansch 36o und dem inneren Fing 344 vorgesehen.Similarly, there is filler material at 356 and 358 between the housing 312 and an inner flange of each module 322 and provided between flange 36o and inner finger 344.

Die Rückwände 324 der Module 322 bilden koplanare ebene Flächen362 auf denen eine feststehende Dichtung gleitet..Die Rückwände 324 haben kreisförmige öffnungen 366, deren Kanten bei 368 mit einem Radius abgerundet sind, The rear walls 324 of the modules 322 form coplanar flat surfaces 362 on which a fixed seal slides. The rear walls 324 have circular openings 366, the edges of which are rounded off with a radius at 368,

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Die Dichtung 364 umfaßt äußere und innere schmale Ringe die durch zwei radiale Stege 370 miteinander verbunden sind, wobei von den Stegen jeder sektrorförmig ausgebildet und groß genug ist, um einen Modul 322 vollkommen abzudecken. In Fig. 12 ist nur ein Steg 37o gezeigt, jedoch liegt der andere dem Steg 370 exakt diametrial gegenüber. Die Dichtung 316 ähnelt der Dichtung 364 und ist ähnlich angeordnet.The seal 364 includes outer and inner narrow rings which are connected to one another by two radial webs 370, each of the webs being formed in the shape of an electrode and is large enough to completely cover a module 322. In Fig. 12 there is only one web 37o shown, but the other is the web 370 exactly diametrically opposite. The seal 316 is similar to the Seal 364 and is similarly arranged.

Jeder Modul 322 enthält einen Körper aus Wärmetausch-Matrixmaterial 372 (in Fig. 12 nur teilweise gezeiot) , welches als abwechselnd angeordnete ebene und gewellte Keramikplatten dargestelllt ist, und eine Vielzahl von feinen Kanälen aufweist, die sich parallel zur Drehachse 310 erstrecken. Die Fugen zwischen dem Körper 372 und den Wänden des Moduls 322 sind beispielsweise durch eine Füllmasse 74 aus Keramikfasern abgedichtet, so daß das Gas nicht am Körper-372 vorbeiströmen kann.Each module 322 contains a body of heat exchange matrix material 372 (only partially shown in Fig. 12), which as alternately arranged flat and corrugated Ceramic plates is illustrated, and has a multitude of fine channels that run parallel to the Axis of rotation 310 extend. The joints between the body 372 and the walls of the module 322 are sealed for example by a filling compound 74 made of ceramic fibers, so that the gas does not touch the body 372 can flow past.

Der Rotor wird durch eine Antriebsvorrichtung (nicht gezeigt) angetrieben, die beispielsweise in Form einer mit dem Gehäuse 312 verbundenen axialen Welle oder in Form von am Gehäuse 312 befindlichen Zähnen, in welche ein Zahnrad eingreift, vorliegen kann.The rotor is driven by a drive device (not shown), for example in the form of a with the housing 312 connected axial shaft or in the form of teeth located on the housing 312, in which engages a gear, may be present.

Die Betriebsweise des in den Fig. 11 und 12 gezeioten Rotors ist ähnlich der der vorangehenden Ausfüh rungs form. Umgebungsluft kann durch eine Leitung (nicht gezeigt), die mit einer Hälfte der linken Seite (bei Betrachtung gemäß Fig. 12) des Rotors in Verbindung steht, abgezogen werden. Die Luft durchströmt dann das Wärmeaustauschmaterial in Form eines oder mehrerer Körper 372 und nimmt auf diese Weise aus diesen Wärme auf, bevor sieThe operation of the shown in Figs The rotor is similar to that of the previous embodiment. which is connected to one half of the left side (when viewed in accordance with FIG. 12) of the rotor, subtracted will. The air then flows through the heat exchange material in the form of one or more bodies 372 and 372 in this way absorbs heat from them before they

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den Rotor auf seiner rechten Seite (Fig. 12) verläßt und in eine Leitung (nicht gezeigt) eintritt, die mit der gleichen Hälfte des Rotors in Verbindung steht und zu einem Lufteinlaß, beispielsweise,, der Turbine führt,leaves the rotor on its right side (Fig. 12) and enters a conduit (not shown) communicating with the same half of the rotor and leading to an air inlet, for example, the turbine,

Heißes Abgas von der Turbine durchströmt eine andere Leitung (nicht gezeigt), welche mit der anderen Hälfte des Rotors auf seiner rechten Seite (Fig. 12) in Verbindung steht. Das heiße Gas durchläuft das Matrixmaterial in einem oder mehreren Körpern 372 und gibt Wärme an das, Marerial ab. Das abgekühlte Abgas verläßt den Rotor an seiner linken Seite (Fig. 12) und tritt in eine Leitung (nicht gezeigt) ein, die mit dieser anderen Hälfte des Rotors in Verbindung steht, ein.Hot exhaust gas from the turbine flows through another line (not shown), which is with the other half of the rotor on its right side (Fig. 12) is in connection. The hot gas passes through the matrix material in one or more bodies 372 and gives off heat to the marerial. The cooled exhaust gas leaves the rotor on its left side (Fig. 12) and enters a conduit (not shown), which with this other half of the rotor is connected, a.

Die zwei "Hälften" des Potors, von denen oben die Rede war, sind die zwei gleichen Volumenteile des Rotors, die durch die Stege 370 der Dichtung 364 und die entsprechenden Stege der Dichtung 316 getrennt sind jedoch bedeutet die Rotation des Rotors, das sich das jeder "Hälfte zugeordnete Wärmeaustauschmaterial kontinuierlich ändert.The two "halves" of the Potors, of which the We were talking about the two equal parts of the volume of the rotor, which are through the webs 370 of the seal 364 and the corresponding lands of the seal 316 are separated, however, means the rotation of the rotor that is the heat exchange material associated with each "half changes continuously.

In einer abgewandelten Aus füh rungs form kann jede der Dichtungen vier solcher Stege aufweisen, so daß zwei Luftströme zugehörige "Viertel" des Rotors durchströmen können, wobei die Viertel diametrial einander gegenüberlieaen, und zwei weitere Gasströme können jeweils die zwei dazwischen befindlichen, einander gegenüberliegenden Viertel durchströmen. In a modified version, everyone can the seals have four such webs, so that two air streams associated "quarters" of the rotor can flow through, the quarters diametrically opposite each other, and two further gas flows can flow through the two opposing quarters located in between.

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Jede Dichtung besteht vorzugsweise aus einem vergleichsweise weichen Keramikfaserkörper, welcher an die Dichtflächen 314 oder 362 unter leichtem Druck angreift.Each seal preferably consists of a comparator soft ceramic fiber body, which is attached to the sealing surfaces 314 or 362 with a slight Pressure attacks.

Der Körper 372 jedes Moduls 322 kann in einer anderen Konstruktion aus porösem Keramikmaterial mit untereinander in Verbindung stehenden Poren, beispielsweise Keramikschaummaterial mit untereinander in^Verbindung stehenden Zellen, bestehen; oder er kann aus Aluminiumoxidfasern bestehen; oder einer Mischung aus Fasern und porösem oder Partikelmaterial; oder ..aus irgendeinem anderen Wärmeaustauschmatrixmaterial, welches die Temperaturen sowie die Art des verwendeten Gases aushält und Kanäle für den Gas- und Luftstrom aufweist.The body 372 of each module 322 may be another construction of porous ceramic material with interconnected pores, for example ceramic foam material with one another related cells, exist; or it can consist of alumina fibers; or a mixture of fibers and porous or Particulate matter; or .. of any other heat exchange matrix material that can control the temperatures as well as the type of gas used and has channels for gas and air flow.

Falls gewünscht, kann in gewissen Anweridungsfällen auch metallischesMaterial als Wärmeaustauschmatrixmaterial zur Anwendung gelangen.If desired, metallic material can also be used as the heat exchange matrix material in certain applications come into use.

Die Keramikteile 322, 342 und 344 können aus Siliciumnitrid oder irgendeinem anderen Keramikmaterial hergestellt sein und ebenso kann das Wärmeaustauschmaterial aus Siliciumnitrid oder einem anderen Keramikmaterial bestehen.Ceramic parts 322, 342, and 344 can be made of silicon nitride or some other ceramic material and also the heat exchange material can be made of silicon nitride or a other ceramic material.

Die heißesten Gase treffen an den Keramikteilen 322, 342 und 344 auf den Rotor, die kältesten auf das Metallteil 312. Die Temperaturextreme werdenThe hottest gases hit the rotor at the ceramic parts 322, 342 and 344, the coldest the metal part 312. The temperature extremes are

daher nicht ganz aus Keramik bestehenden Teilen auferlegt, Die verschiedenen Module 322 sind in der Laoe sichtherefore not entirely imposed on ceramic parts, the various modules 322 are in the Laoe itself

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einzeln auszudehnen oder zusammenzuziehen, was die Möglichkeit übermäßiger Spannungen in dem Keramikmaterial weiter herabsetzt. Sollte eine Einheit oder ihr Inhalt brechen, so wird dadurch die Rotorleistung nicht schwerwiegend beeinflusst und der Wärmeaustauscher kann weiterlaufen, bis eine Reperatur möglich ist. Die Reperatur selbst ist einfach, da sich das beschädigte Teil leicht ersetzen ι läßt. Die Herstellung der vergleichsweise kleinen Module 322 und Körper 372 gestaltet sich einfach, verglichen mit derjenigen der vorher verwendeten Keramikrotoren aus einem einzigen Stück (ausschließlich aus Keramik) mit einem Durchmesser von ungefähr 75 cm.expand or contract individually, increasing the possibility of excessive stresses in the ceramic material further lowers. Should a unit or its content break, this becomes the Rotor performance is not seriously affected and the heat exchanger can continue to run until a repair is possible. The repair itself is easy as the damaged part can be easily removed can replace ι. The manufacture of the comparatively small modules 322 and body 372 is designed compared to that of the previously used one-piece ceramic rotors single piece (made entirely of ceramic) with a diameter of approximately 75 cm.

Das Metallgehäuse 312 erlegt der Ausdehnung und der der Zusammenziehung der Keramikteile keine untragbare Beschränkung auf, und es ist reichlich Zwischenraum zwischen aneinander angrenzenden Metall-und Keramikteilen vorgesehen.The metal housing 312 does not impose an intolerable effect on the expansion and contraction of the ceramic parts Restriction to, and there is ample space between adjacent metal and Ceramic parts provided.

Fig. 13 zeigt eine vierte Ausführungsform eines Rotors, bei welchem ein Metallgehäuse eine äußere und eine innere zylindrische Wand 400 bzw. 402 und eine ebene Wand 404 mit Durchbrechungen 406 aufweist. Die Wand 404 gleitet gegen eine feststehende Dichtung 408, die auf einem festen Leitungssystem 410 angeordnet ist.Fig. 13 shows a fourth embodiment of a Rotor, in which a metal housing has an outer and an inner cylindrical wall 400 and 402 and has a flat wall 404 with perforations 406. The wall 404 slides against a stationary one Seal 408, which is arranged on a fixed pipe system 410.

Das Gehäuse enthält sektorförmige Keramikmodulen mit Seitenwänden 414, an der Wand 414 befestigten Endwänden 416 und Endwänden 418, die durch eine Dichtung 420 gegen ein Ende des Gehäuses abgedichtetThe housing contains sector-shaped ceramic modules with side walls 414 attached to the wall 414 End walls 416 and end walls 418 sealed against one end of the housing by a gasket 420

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sind. Die Endwände 418 gleiten gegen eine feststehende Dichtung 422, die auf einem Leitungssystem 424 angeordnet ist.are. The end walls 418 slide against a stationary seal 422, which is arranged on a pipe system 424 is.

Körper aus Wärmeaustauschmatric material in Form von Blöcken aus porösem (beispielsweise Schaum) Keramikmaterial 430 sind zwischen den Wänden 416, 418 angeordnet. Die Blöcke 430 sind gegeneinander in einer V-förmigen Anordnung geneigt, so daß der Gasstrom, wie durch die Pfeile angedeutet, vor sich geht. Das heiße Gas tritt also in einen sich verjüngenden Einlaßraum 432 ein und durch einen sich erweiternden Auslaßraum 434 aus. Diese Anordnung spart Platz, da sowohl die radialen als auch die axialen Abmessungen voll ausgenützt werden.Body made of heat exchange material in the form of Blocks of porous (e.g., foam) ceramic material 430 are disposed between the walls 416, 418. The blocks 430 are inclined towards each other in a V-shaped arrangement so that the gas flow, as indicated by the arrows. The hot gas thus enters a tapered inlet space 432 in and out through a widening outlet space 434. This arrangement saves space, because both the radial and the axial dimensions are fully utilized.

In weiteren Ausführungsformen (nicht gezeigt) können die Metallgehäuse 312 und 400, 402, 404 aus Keramikmaterial bestehen.In further embodiments (not shown) can the metal housings 312 and 400, 402, 404 made of ceramic material exist.

In weiteren Ausführungsformen (nicht gezeigt) kann der Rotor Module umfassen, die segn.entartig geformt sind und zusammen den Rotor bilden, die jedoch die Merkmale der Teile 312 und 322 in einer Weise ähnlich den Konstruktionen, wie sie in den Fig. 1 bis 10 gezeigt sind, oder aber die Merkmale der Teile 400 und 402, 404 und 412 in einer Weise ähnlich den Konstruktionen, wie sie in den Fig. 1 bis 10 gezeigt sind, miteinander verbinden. Mit anderen Worten, die Gehäuseteile 312 oder 400, 402, 404 würden aus segnentartigen Teilen aufgebaut sein, von denenIn further embodiments (not shown) can the rotor modules comprise the segn.ent-like shaped and together form the rotor, but having the features of parts 312 and 322 in a similar manner the constructions as shown in FIGS. 1 to 10, or the features of the parts 400 and 402, 404 and 412 in a manner similar to the constructions shown in Figures 1-10 are to connect with each other. In other words, the housing parts 312 or 400, 402, 404 would be made blessing-like parts of which

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jedes einstückig mit dem Teil 322 bzw. 412 ist. each is integral with part 322 and 412, respectively.

Patentansprüche:Patent claims:

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Claims

Rotor for a rotary preheating heat exchanger, in particular for a gas turbine with a matrix material, through which gas can flow, characterized in that the matrix material in the form several separate bodies (18; 88; 110) is present and that the rotor consists of several modules (10; 80, 82; 100), each module having openings for the passage of gas and at least contains one of the bodies made of the matrix material.

2. Rotor according to claim 1, characterized in that the modules (10; 80, 82; 100) are sector-shaped are constructed.

3. Rotor according to one of claims 1 or 2, characterized in that sealing elements are provided for closing the gap between the module and the body made of matrix material.

4. Rotor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the modules are surfaces have, against which a seal connected to the gas channels (54, 56; 202, 204) can attack slidingly.

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5. Rotor according to one of the preceding claims, characterized in that each module consists of two or more separable parts is constructed, such that the individual matrix body can be replaced.

6. Rotor according to claim 5, characterized in that the rotor is constructed in the shape of a drum and that forming the parts of the modules by a box-shaped part (100) and two end walls Parts / 106, 108) are formed.

7. Rotor according to one of the preceding claims, characterized in that brackets are provided are that the body made of matrix material (18; 88) only at limited points on the surface hold the body in the modules.

8. Rotor according to claim 7, characterized in that the brackets have slots for the passage of gas have between matrix body and module wall.

September 10, 1974/947 d

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