DE2436380A1

DE2436380A1 - Regengerator

Info

Publication number: DE2436380A1
Application number: DE2436380A
Authority: DE
Inventors: William Mahlon Knox; James Gordon Miller; Salvatore Sam Tramuta
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1973-07-30
Filing date: 1974-07-27
Publication date: 1975-02-13
Also published as: US3877519A; NO742743L; GB1470872A; JPS5070955A; CA1002034A

Description

Dr. Horst Schüler ze. juü 1974

Patentanwalt Schu/Vo/Rg

6 Frankfurt/Main 1 '

Niddastr. 52

• 28I5-5IGA-23II

GENERAL ELECTRIC COMPANY 1 River Road, Scheneetady, N.Y./U.S.A.

Regenerator

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Wärmeaustauscher und speziell auf einen Gasturbinenregenerator. Ein solcher wird in einer Gasturbinenenergieanlage benutzt, um Kompressorablaßluft vor ihrem Eintritt in eine Verbrennungskammer zu erhitzen, wodurch die Menge des Brennstoffs vermindert wird, die notwendig ist, um die Verbrennungsgase auf die erforderlichen Betriebstemperaturen zu bringen. Auf die Kömpressorablaßluft wird Wärme von den heißen Turbinenabgasen übertragen, die unter Wärmeaustausch mit der Kompressorablaßluft durch .den Regenerator geführt werden. Der Regenerator enthält abwechselnd geschichtete bzw. gestapelte Luft-- und Gaskanäle vom Rippenplattentyp zur Erzielung des Wärmeaustausches.

Bekannte Gasturbinenregeneratoren haben kastenähnliche Aufbauten mit Platten-Rippenrohrreihen, wobei der gesamte. Regenerator durch mit massiven Endrahmen verbundene Haltebänder zusammengehalten wird. Die Kompressorablaßluft neigt unter relativ hohem Druck (et-

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wa 9,14 kp/cm bzw. 13o psia) zu einem Verkrümmen oder Ausbiegen des endseitigen Rahmenaufbaues. Dieses wurde bisher durch Verwendung einer Anzahl von relativ dicken Rippen verhindert, die an . den massiven Endrahmen eingearbeitet waren.Dieser Aufbau ergab eine unerwünschte thermische Fehlanpassung infolge der relativ geringen thermischen Masse der Rohrreihen im Vergleich zur relativ großen thermischen Masse der Endrahmen. Diese thermische Mansenfehlanpassung führt zu ungleichen Ausdehnungsraten zwischen den Rohrreihen und den Endrahmen, wodurch sich unerwünschte Belastungen ergeben. 509807/037 3 - 2 -

BAD ORIGINAL

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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Schaffung eines Regenerators der genannten Art, bei dem die thermische Massenfehlanpassung zwischen den Rohrreihen und den Endrahmen verringert ist und bei dem die Nachteile bekannter Aufbauten vermieden sind.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe werden erfindungsgemäß die bekannten Endrahmenmassen und daher auch die thermische Fehlanpassung stark vermindert, indem die—--—^xrippen im Endrahmen durch Druckluftkammern aus relativ dünnen Hüllen oder Mänteln an jedem Ende der Rohrreihe ersetzt werden. Die unter Druck gesetzten Luftkammern sind druckdicht und werden mit Druckluft von einer mit einer Luftkammer zwischen den Rohrreihen verbundenen Anzapf/" versorgt. Bei einer Ausführungsform tritt Kompressorablaßluft in eine Lufteinlaßkammer ein, gelangt durch ein Paar von Rohrreihen, von denen eine an jeder Seite des Luftraums angeordnet ist, und tritt dann aus der Luftauslaßkammer aus, die mit jeder Druckluftkammer in Verbindung steht, und zwar durch ein zwischen die Luftauslaßkammer und jede Druckluftkammer geschaltetes Rohr. Diese druckdichten Endstützen sind immer während des Regeneratorbetriebes unter Druck gesetzt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer zeichnerisch dargestellten Ausführungsform. Es zeigen:

Figur 1 - eine schematische Darstellung eines Gasturbinen-Regenerationszyklus mit repräsentativen Luft- und Gastemperaturen an ausgewählten Punkten,

Figur 2 - eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht eines Gasturbinenregenerators nach der vorliegenden Erfindung, und

Figur 3 - eine teilweise geschnittene und auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Gasturbinenregeneratorabschnitts nach der vorliegenden Erfindung.

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Gemäß Figur 1 ist eine Gasturbine an einem Ende mit einem Luftverdichter bzw. -kompressor und am anderen Ende mit einer Belastung gekoppelt. Luft von atmosphärischem Absolutdruck bzw. 1 kp/cm (14,7 psia) wird in den Verdichter eingesaugt und am Ausgang un-

ter einem Absolutdruck von etwa 9,14 kp/cm (13o psia) ausgestos-'

anschließend/
sen und V ' zu einem Regenerator, geleitet. Ferner v/erden von der

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Gasturbine ,Ablaßgase mit relativ geringem Druck (1 kp/cm ) und mit hoher Temperatur zum Regenerator geführt. Die Turbinenabgase

,an s cn 1 ie ße nd₄ und die Kompressorablaßluft gelangenΓύηter Wärmeaustausch durch den Regenerator. Die Abgase werden zu einem Abgasstutzen geführt, während die Verdichterablaßluft bei erhöhter Temperatur zu einer Verbrennungskammer geleitet.wird. '

In Figur 2 ist ein Gasturbinenregenerator 11 dcirgestellt, bei dem breite Pfeile die entsprechenden Ströme der Abgase und der Verdichterablaßluft anzeigen. Der Regenerator enthält einen minimalen äußeren Rahmen 13 mit geflanschten Teilen zum Anbringen des Regenerators in einem Gasturbinenäbgaskanal (nicht dargestellt). Beispielhaft sind die Luft- und GasstrÖme weitgehend im Gegenstrom dargestellt, doch liegen auch andere Strömungsanordnungen, die dem Fachmann geläufig sind, im Rahmen der vorliegenden Erfindung. Der Regenerator kann irgendeine Anzahl von Abschnitten 15 enthalten, von denen zwei als typische Ausführungsform dargestellt sind. · --■■".-:. . .

In Figur 3 ist ein einzelner Regeneratorabschnitt mit einer Länge L und einer Breite W .dargestellt. Eine zentrale Luftkammer 21 erstreckt sich über die Länge des Abschnitts und enthält einen Lufter . ®Γ einlaßverteilr23 sowie einenLuftaüslaßyerteiir25. An jeder Seite der zentralen Luftkammer sind Wärmeaustauscherrohrreihen 27 angeordnet, die abwechselnde Gaskanäle 29 und Luftkanäle 31 enthalten. Die Luftkammer ist in eine Lufteinlaßkammer 35 und eine Luftauslaßkammer 37 unterteilt, welche gemäß Darstellung durch.die Luft— kanäle 31 miteinander verbunden sind. Es wird jeweils ein Teil der durch die Lufteinlaßkammer strömenden Luft auf jeden Luftkanal verteilt und dann zur Luftauslaßkammer geführt. Die Luftkanäle sind relativ eng bzw. schmal, und der Luftdruck ist relativ groß.

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Die Niederdruck-Hochtemperatur-Abgasströmung ist entgegengesetzt zur Hochdruck-Luftströmung. Die relativ breiten Gaskanäle 29 enthalten gerippte Durchgänge und sind über die Breite der Wärmeübertragungsrohrreihen abgedichtet. Die Enden der Gaskanäle sind für eine hindurchtretendejSasströmung offen. Die Luftkanäle 31 sind an allen Kanten abgedichtet, mit Ausnahme von Bereichen, die an den Seiten in Angrenzung an die Luftkammer mit der Lufteinlaß- und Luftauslaßkammer ausgerichtet sind.

An jedem Ende einer jeden Warmeaustauscherrohrreihe befindet sich eine Luftkammer 41 mit einem halbzylindrischen Körper und viertelkugeligen Endkappen 43. Der halbzylindrische Körper und die viertelkugeligen Endkappen weisen in Angrenzung an die Rohrreihe eine flache Seite 42 auf. Die Endkappen an jedem Ende einer jeden Luftkammer vermindern die Kraft bzw. Belastung aufgrund des .Luftdrucks, und die flache Seite 42 überkragt an den Enden die Rohrreihenbreite. Die nicht unter Druck gesetzte Außenseite ist durch Rippen verstärkt, um ein Verbiegen der Luftdruckkammer über die Enden der Rohrreihen aufgrund des .Luftdrucks in der Luftkammer zu vermeiden.

An der Luftauslaßkammer verbinden Rohre 45 jede Luftkammer 41 mit der Luftauslaßkammer, so daß jede Luftkammer während des Regeneratorbetriebes unter Druck gesetzt ist. Natürlich kann die Luft auch von einer vom Regeneratorbetrieb unabhängigen Quelle, wie einem unter Druck gesetzten Lufttank, zugeführt werden. Druckluft kann von der heißeren Luftauslaßkammer abgenommen werden, um die thermische Ausdehnung in den Endabschnitten an diejenige in den Rohr- -

.Jt)es seE-rexhenVähzupassen.

Jede Rohrreihe kann Verbindungsbänder bzw. Haltestreifen 51 aufweisen, die über die Länge L der Rohrreihen mit diesen verbunden sind und die auch an jedem Ende mit gegenüberliegenden Luftkammern verbunden sein können, wodurch jede Rohrreihe weitgehend umhüllt wird. Die Haltebänder 51 können sich gemäß Darstellung über die Außenoberflächen der Rohrreihen erstrecken. Sie können auch über die Innenoberfläche der Rohrreihe (nicht dargestellt) geführt und daher zwischen jeder Rohrreihe und der Luftkammer angeordnet

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sein. Es können getrennte Haltebänder benutzt werden, um die Rohrreihe zusammenzuhalten und.um jede endseitige Luftkammer an der Rohrreihe festzulegen.

Der erfindungsgemäße Regenerator arbeitet wie folgt. Im Betriebszustand des Regenerators übt die Hochdruck-Verdichterablaßluft eine Kraft aus, die die Lüftkanäle in" den Regeneratorrohrreihen beiseite bzw. auseinanderzutreiben neigt. Diese Kraft wird von den die Rohrreihe umgebenden Haltebändern 51 aufgefangen. An jedem Ende der Rohrreihe erzeugt jedoch, der Luftdruck eine Kraft, die die Endabschnitte des Regenerators nach außen zu biegen oder zu krümmen neigt. Bisher wurde diese Kraft durch dicke Aufbaurippen aufgenommen, die die Endplatten des Regenerators verstärkten. Dieser Aufbau vergrößerte jedoch die thermische Masse der Endabschnitte, was zu einer unerwünschten Beanspruchung führte. Nach der vorliegenden Erfindung wird die Verwendung derartiger Rippen vermieden, indem Drucklüftkammern benutzt werden, die eine Endverkrümmung verhindern, während die'thermische Masse durch

stehende/ .

dünne unter Druck/Hüllen bzw. Mäntel vermindert wird. Darüberhin-

xseitost, aus wird durch Einführen von Druckluft aus dem Regenerator l/eine Druckluftversorgung sichergestellt, solange der Regenerator in Betrieb ist. Ferner sorgt die Luft aus der Luftauslaßkammer für einen gleichmäßigen Temperaturanstieg in den Rohrbündeln und den Endabschnitten. -

- Patentansprüche -

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Claims

P atentansprüche

I.) Gasturbinen-Regenerator zum Führen heißer Abgase durch zumin^v dest eine Wärmeaustauscherrohrreihe unter Wärmeaustausch mit Verdichterablaßluft, wobei die Wärmeaustauscherrohrreihe abwechselnde Luft- und Gaskanäle enthält und wobei eine Lufteinlaßkammer und eine Luftauslaßkammer durch Luftkanäle der Rohrreihe strömungstechnisch verbunden sind, gekennzeichnet durch druckdichte Luftkammern (41) an gegenüberliegenden Enden der Wärmeaustauscherrohrreihe (27), durch eine Einrichtung (51) zum Anbringen der Luftkammern an gegenüberliegenden Enden der Wärmeaustauscherrohrreihe und durch eine Einrichtung (45) zum Druckbeaufschlagen einer jeden druckdichten Luftkammer.
2. Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede druckdichte Luftkammer (41) einen halbzylindrischen Körper mit einer flachen Seite (42) enthält, die an das Ende ihrer entsprechenden Wärmeaustauscherrohrreihe anstößt.
3. Regenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede druckdichte Luftkammer (41) viertelkugelige Endkappen (43) enthält, die einen flachen und sich über die Breite der Rohrreihe (27) erstreckenden Bereich aufweisen, dessen nicht unter Druck gesetzte Seite mit Verstärkungsrippen versehen ist.
4. Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Druckbeaufschlagen einer jeden Luftkammer (41) ein Rohr (45) enthält, das jede Luftkammer mit einer Druckluftquelle verbindet.
5. Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Druckbeaufschlagen einer jeden Luftkammer (41) ein Rohr (45) enthält, das jede Luftkammer mit der Luftauslaßkammer (37) verbindet.
6. Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Anbringen der Luftkammern (41) an der Rohrreihe

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(27) zumindest ein Halteband (51) bzw. einen Bügel oder dergleichen an jeder Seite der Rohrreihe enthält, wobei jedes Halteband an gegenüberliegenden Enden mit den gegenüberliegenden Luftkairanern (41) verbunden ist und wobei die Haltebänder sowie die Luftkammern die Rohrreihe weitgehend umhüllen.
7. Regenerator nach Anspruch 1', gekennzeichnet durch druckdichte Luftkammern (41) an gegenüberliegenden Enden.der Wärmeaustauscherrohrreihe (27) mit einem halbzylindrischen Körper und viertelkugeligen Endkappen (43) sowie einem flachen, an die Enden der Rohrreihe anschlagenden Teil, ferner durch Haltebänder (51) längs jeder Seite der Rohrreihe, die an gegenüberliegenden Enden mit gegenüberliegenden Luftkammern (41) unter weitgehender Umhüllung der Rohrreihen verbunden sind und durch ein jede Luftkammer mit der Luftauslaßkammer verbindendes Rohr· (45), wodurch jede Luftkammer während des Turbinenbetriebes mit erhitzter Verdichterablaßluft unter Druck gesetzt wird.

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