DE2852561A1

DE2852561A1 - Umlaufender waermetauscher

Info

Publication number: DE2852561A1
Application number: DE19782852561
Authority: DE
Inventors: Jean Georges Bouiller; Raymond Jean Maurice Joubert
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1977-12-05
Filing date: 1978-12-05
Publication date: 1979-06-07
Also published as: DE2852561C2; FR2413552A1; GB2009908A; FR2413552B1; GB2009908B; US4238927A

Description

Umlaufender Wärmetauscher

Die Erfindung richtet sich auf umlaufende Wärmetauscher für Gasturbinen aufweisende Vorrichtungen und insbesondere auf eine modulartige Wärmetauscher-Baugruppe sowie deren Dichtungsvorrichtungen.

Man hat schon seit langem versucht, den Kraftstoffverbrauch von Gasturbinen aufweisenden Vorrichtungen durch Rückgewinnung von Wärme aus den Abgasen zu vermindern. Viele Wärmetauschertypen sind erprobt und eingesetzt worden. Wenn auch eine stationäre Vorrichtung keine zu komplizierten Probleme aufwirft und

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nicht die Verwendung von Wärmetauschern geringen Gewichts und Platzbedarfs erfordert, so gilt dies nicht
für mobile Vorrichtungen und insbesondere nicht für
Flugzeugturbinen.

Die PR-PS 1 496 850 bringt eine Lösung für die Verwendung von Wärmetauschern zur Rückgewinnung von Wärme
aus den Verbrennungsgasen bei einer Plugzeugturbine.
Bei solchen Wärmetauschern läßt man zugleich die heißen Verbrennungsgase und die aus dem Verdichter austretende kalte komprimierte Luft durch dieselben Wärmeaustauschwege hindurchgehen. Die Wärme aus den heißen Gasen wird im Inneren der Wärmetauscherrohre während einer ersten
Zeitspanne absorbiert ₃ und sie wird sodann während einer zweiten Zeitspanne an die kältere komprimierte Luft abgegeben die aus dem Verdichter kommt und die Brennkammer speist. Ein Verteilersystem für die heißen Gase und die kalte Luft befindet sich vor den Enden der Wärmetauscherrohre j die von einer drehbaren' Trommel getragen werden. Durch Drehen gelangen die Rohre vor jeden der Verteiler und erlauben somit ihre Durchspülung nacheinander mittels heißer Gase und kalter Luft. Da sich die Temperatur der Abgase über einen Bereich von 550 bis 85o°C erstreckt₃
werden die umlaufenden Bauteile bedeutenden Temperaturänderungen unterworfen., die eine Veränderung ihrer geometrischen Abmaße bexvirken. Das obengenannte Patent gelangt zu einer Begrenzung dieser Veränderung₃ indem
kalte Luft durch die Tragteile der stationären Bauteile und der umlaufenden Teile des Wärmetauschers zirkuliert wird. Die Träger bilden einen Teil des Rohrleitungssystems für die Speisung mit komprimierter Luft« Die Austauschermatrizen bestehen aus Rohren₃ die zwischen zwei ringförmigen Trägern gehalten werden. Die Wärmetauscherrohre

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sind an lediglich einem ihrer Enden befestigt, während sie mit dem anderen Ende im Träger gleiten können. Die Gase werden über die gesamte Länge der Wärmetauscherrohre von elastischen Elementen geleitet, die nur mit ihren einen Enden an den Trägern für die Rotorenden befestigt sind und sich frei verschieben können.

Die Maßnahmen zur Begrenzung der längsgerichteten Veränderungen müssen vervollständigt werden durch eine Verminderung der Leckverluste oder des Durchblasens, und zwar derjenigen Leckverluste, die sich grundsätzlich an den Durchlässen oder Verbindungsstellen des Rohrleitungssystems für komprimierte Luft zwischen dem stationären Träger und den Wärmetauscherrohren des umlaufenden Trägers ergeben. Tatsächlich ist der Druck der Luft wesentlich höher als der der heißen Gase, und die Luft besitzt die Tendenz, entweder zur heißen Gasströmung, oder zur Atmosphäre hin zu entweichen. Wenn der Rotor umläuft, ist eine bestimmte Menge an komprimierter Luft in diesen Durchlässen eingeschlossen und entweicht zu den heißen Gasen; dies stellt einen Antriebsverlust dar.

Die Wiederholung dieser Leckverluste an komprimierter Luft lassen deutlich genug die Energieersparnis erkennen, die man mit Recht bei einem System von Wärmetauschern erwarten kann. Die PR-PS 1 497 7QÖ zeigt Mittel auf, die eine Verminderung dieser Leckverluste gestatten. Hierzu trägt jedes Rotorende Abdichtvorrichtungen, die aus Stoßblechen bestehen, welche radial angeordnet sind und sich über einen Umfangsabschnitt erstrecken, der größer ist als derjenige Umfangsabschnitt, der von dem Kollektor eingenommen wird, der das durch die Austauschermatrizen

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hindurchtretende Fluid leitet bzw. zurückgewinnt. Der Rotor trägt feste ringförmige - bezogen auf den Wärmetauscherkreisring - innere und äußere Verdichtungsstücke die mit ähnlichen Verdichtungsstücken zusammenwirken, welche vom stationären Teil getragen werden. Die stücke sind als ringförmige Segmente ausgebildet, die von Federn in Axialrichtung und gegen ai'e "Rotor-Dichtung verspannt werden. Die Abdichtungsvorrichtung verhindert radiale Leckverluste. Die Leckverluste in ümfangsrichtung zwischen den Abschnitten hohen Druckes (komprimierte Luft) und niedrigen Druckes (Abgas) Werden vermieden durch die Verwendung von zwei Stoßblechen, die an den Enden des Fluid-Kollektors angeordnet sind und sich in Radialrichtung von der inneren ringförmigen Verdi chtungs stelle zur äußeren ringförmigen Verdichtungsstelle erstrecken sowie über die Enden des Kollektors hinausgehen. Die Stoßbleche tragen Schlitze, in denen Reibelemente oder Bürsten mit T-förmigem Querschnitt angeordnet sind. Die Bürsten stellen die Abdichtung sicher. Der mittlere Arm ihrer T-Form wirkt mit ebenen Flächen von Verdichtungselementen zusammen, die zwischen die benachbarten Paare von Wärmetauscherleitungen gesetzt sind. Der Abstand, der zwei Linien oder Reihen von Bürsten trennt, ist kleiner als die Breite der Verdichtungselemente die zwischen den Wärmetauscherleitungen sitzen. Kanäle verbinden die beiden Stoßbleche derart miteinander, daß der Druck zwischen den Leitungen niedrigen Drucks (Abgas) und hohen Drucks (komprimierte Luft) ausgeglichen wird.

Die Wärmetauscher und deren Dichteinrichtungen nach der Erfindung haben den gleichen Zweck x^ie die oben beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung richtet sich

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außerdem auf die Schaffung eines Wärmetauschers mit geringerem Gewicht und Platzbedarf, wobei diese Vorteile erzielt werden sollen durch ein neues, originelles Abdichtsystem zwischen den Strömungskreisen der Luft und denen des Gases sowie durch eine spezielle Ausbildung der Austauscher-Matrizen.

Die Erfindung richtet sich auf einen umlaufenden Wärmetauscher für Gasturbinen aufweisende Vorrichtungen mit thermischen Austauscher-Matrizen, die einen zylindrischen, um die Turbinenachse drehbaren Ring bilden, mit Antriebsmitteln, die den zylindrischen Ring zwischen zwei stationären Gehäusewänden in Drehung versetzen, mit Gaskanälen zwischen den Gehäusewänden und den Austauscher-Matrizen, mit stationären Ringen, die die Enden der Gehäusewände abschließen und zwischen denen sich der zylindrische Ring dreht, mit'Fluiävexteilern mit einer Umfangsdichtung zwischen den stationären Ringen und den Enden des zylindrischen Ri ^gs und mit einer Axialdichtung, die die Gaskanäle für heiße und kalte Gase zwischen zwei Zylinderabschnitten der Austauscher-Matrizen unterteilen, wobei dieser Wärmetauscher erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß mindestens zwei ringförmige, konzentrisch zur Turbinenachse angeordnete Austauscher-Matrizen vorgesehen sind, die über einen zylindrischen Ringraum voneinander getrennt sind, der als Gaskanal dient.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung. Die Zeichnung zeigt in:

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Figur 1 einen Längsschnitt durch eine Gasturbine mit einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher;

Figur 2 eine schematische geschnittene perspektivische Ansicht eines umlaufenden Wärmetauschers;

Figur 3 einen schematischen Schnitt entlang der Linie III-III in Figur 1;

Figur 4 einen schematischen Schnitt entlang der Linie IV-IV in Figur 1;

Figur 5 einen schematischen Schnitt entlang der Linie V-V in Figur 1;

Figur 6 einen Schnitt entlang der Linie III-III in Figur 1, wobei in transparenter Darstellung die Schnittansichten nach den Figuren 3,k und 5 übereinandergelegt sind;

Figur 7 eine perspektivische und zum Teil auseinanderge- ■ zogene Darstellung des Verteilergehauses für die Fluide;

Figur 8 eine perspektivische Teilansicht der Dichtung zur Verbindung des Verteilergehäuses mit der Leitung für Verbrennungsgas;

Figur 9 einen Schnitt durch einen Teil des Wärmetauschers;

Figur 10 einen Querschnitt durch einen Teil des Wärmetauschers, wobei die axialen Abdichteinrichtungen dargestellt sind;

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Figur 11 in vergrößertem Maßstab die Abdichteinrichtungen im rechten Teil von Figur 10;

Figur 12 eine schematische Darstellung der Antriebseinrichtungen für die Austauscher-Matrizen und der Abdichteinrichtungen.

Figur 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine Gasturbine für Flugzeuge mit einem umlaufenden Wärmetauscher.

Die von vorne eingelassene Luft geht durch einen Verdichter 1 hindurch, von welchem sie komprimiert wird, bevor sie in eine Brennkammer 2 gefördert wird. Die Mischung aus komprimierter Luft und Kraftstoff wird gezündet , und die Verbrennungsgase treten mit großer Geschwindigkeit durch die Schaufeln einer Turbine 3 aus, wobei sie letztere in Drehung versetzen. Die Verbrennungsgase werden sodann durch eine Düse 4 abgeführt.

Um den Wirkungsgrad zu verbessern, werden die Verbrennungsgase im Anschluß an ihren Auslaß aus der Turbine gegen einen umlaufenden Wärmetauscher 5 gerichtet, in den sie eingeleitet werden, und zwar in Anwesenheit von thermischem Austauschermaterial, welches sogenannte Austauscher-Matrizen 6 bildet. Das Verbrennungsgas gibt also den größten Anteil seines Wärmeinhaltes an die Matrizen ab, bevor es abgeführt wird, wohingegen die komprimierte kalte-Luft, die aus dem Verdichter austritt, sich beim Durchgang durch dieselben Matrizen erwärmt, bevor sie zur Brennkammer geleitet wird. Der thermische Austausch wird erzielt, indem man einen Abschnitt des Wärmetauschers dem Durchgang der heißen Verbrennungsgase und den anderen Abschnitt dem Durchgang der komprimierten kalten Luft vorbehält. Als eine mögliche Ausführungsform zeigt

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Figur 2 schematisch den Abschnitt A, in welchem die Verbrennungsgase ihren Wärmeinhalt abgeben, und den Abschnitt Bj in welchem die komprimierte Luft erwärmt wird. Der Abschnitt B stellt nur einen geringen Anteil bezogen auf die Gesamtheit des zylindrischen Wärmetauschers dar. Fluidverteiler 7₃ die später noch im einzelnen beschrieben werden, gestatten eine Aufteilung der Fluide auf die beiden Abschnitte.

Die Austauscher-Matrizen 6 sind gemäß Figur 4 als zylindrische Ringe ausgebildet, die sich konzentrisch zueinander und zur Turbinenachse drehen. Nach einem wesentlichen Merkmal der Erfindung bilden die zylindrischen Ringe die Austauscher-Matrizen, und sie bestehen zumindest teilweise aus thermischem Austauschermaterial, das zwischen den Innen- und Außenflächen des Rings angeordnet ist» Das die Matrize bildende Material ist ein'kohärentes Material von großer thermischer Trägheit bzw. hohem Wärmeleitxtfiderstand. Es ist in Radialrichtung gasdurchlässig und besitzt in Umfangsrichtung vorzugsweise überhaupt keine Gasdurchlässigkeit. Beispielsweise kommt ein wabenförmiges Material in Frage, das von einem Blech umschlossen ist, welches im Elektronenstrahlverfahren verschweißt ist. Die zylindrischen Ringe drehen sich zwischen zwei abgedichteten Gehäusewänden 8 und 9, die zusammen mit den Innen- und Außenflächen der zylindrischen Matrizen Fluid-Strömungswege 10 und 11 definieren. Gleichermaßen trennt ein Strömungsweg 12 die Austauscher-Matrizen voneinander. Stationäre Ringe 39 und 40, die die stromauf und stromab gelegenen Enden des Wärmetauschers bilden_s weisen die Einrichtungen zum Verteilen der Fluide auf. Umfangsdichtungen, die zwischen diesen Ringen und den Enden der Austauscher-Matrizen angeordnet sind, stellen den Durchgang der Gase vom stationären Teil

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des Wärmetauschers zu den umlaufenden Matrizen sicher. Die/axiale Abdichtung zwischen den Sektoren., welche die heißen Gase und die komprimierte kalte Luft aufnehmen, wird von einer axialen Dichtung gewährleistet. Diese Vorrichtungen werden später noch beschrieben.

Vorerst folgt eine Beschreibung der Punktion des Wärmetauschers und der Zirkulation der Gase.

Die Verbrennungsgase (dicke Pfeije) werden unter Zwischenschaltung einer Leitung 13 (Figur 1 und 3) und eines Verteilerrings 14 (Figur 4) in den Strömungsweg 12 eingeleitet, welcher sich zwischen den Matrizen 6 über den Sektor A nach Figur 2 erstreckt. Die heißen Gase durchqueren das Aüstauscher-Material₃ welches die Matrizen 6 bildet (Doppelpfeile) (Figur S)₃ verlieren dort ihren Wärmeinhalt und werden durch die Düse 4 abgezogen.

Gleichzeitig wird -komprimierte Luft von Leitungen 15 (Figur 3) und von einem Verteilergehäuse 16 (Figur 7) vor ringsegmentförmige öffnungen 17 (Figur 4) gefördert, welche mit den Strömungswegen 10 und 11 auf dem Sektor B (Figur 2) zusammenfallen. Die komprimierte Luft tritt durch die Matrizen 6 hindurch (unterbrochene Pfeile) und kehrt durch den Strömungsweg 12 zwischen den Matrizen und durch ein Verteilergehäuse 19 sowie Leitungen 18 zurück in Richtung auf die Brennkammer 2. Die komprimierte, erwärmte Luft nimmt an der Verbrennung teil, und die durch die Turbine 3 hindurch entweichenden Gase durchlaufen den vorher beschriebenen Weg, um den Abschnitt A zu durchqueren. Aufgrund der Rotation des Wärmetauschers erneuert ein Abschnitt des Sektors A, der von den Gasen aufgeheizt ist₉ ständig den Sektor B,

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durch den die komprimierte, zu erwärmende Luft zirkuliert. Figur 5 zeigt schematisch die Dichtungseinrichtung, die den Strömungsweg 10 für die komprimierte kalte Luft zwischen den Bauteilen 20 der Gehäusewand 8 und der Matrize 6 begrenzt, ferner den Strömungsweg 12, auf dem die komprimierte erwärmte Luft zurückkehrt, zwischen den Bauteilen 21 und den benachbarten Matrizen 6 definiert und schließlich den Strömungsweg 11 für die komprimierte kalte Luft zwischen den Bauteilen 22, der Matrize 6 und der Gehäusewand 9 bildet.

Figur 6, die erhalten wird, indem man die Schnittdarstellungen der Figuren J>,Ü und 5 übereinanderlegt, zeigt die Anordnung der Verteilereinrichtungen, bezogen auf die stromauf gelegene Seite des Wärmetauschers. Figur 7 stellt eine perspektivische, teils auseinandergezogene Ansicht dieser Verteilereinrichtungen dar. Die Leitungen 15 münden in dem Verteilergehäuse 16, von dem zwei teilringförmige öffnungen 17 ausgehen. Die Leitung 13 endet in dem teilringförmigen Verteiler 14. Ein Gehäuse 19 überdeckt den stromauf gelegenen Teil des Wärmetauschers und deckt gleichermaßen die beschriebenen teilringförmigen Verteilergehäuse ab. Es soll insgesamt als "Verteilergehäuse" bezeichnet werden.

Die komprimierte erwärmte Luft verläßt den Strömungsweg 12, der von den Dichtelementen 21 (Figur 5) begrenzt wird, stromaufwärts des Wärmetauschers durch eine öffnung 23 (Figur 4), die mit dem Verteilergehäuse 19 in Verbindung steht. Das Verteilergehäuse 19 ist mit Austrittsleitungen 18 versehen, die indirekt an einen Verteiler 24 (Figur 1) angeschlossen sind, welcher die Brennkammer 2 speist. Da

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das Verteilergehäuse 19 rund um die ringförmige Leitung 13, die mit den heißen Verbrennungsgasen beaufschlagt wird, und rund um das Leitungssystem für die komprimierte erwärmte Luft herum angeordnet ist, stellt es eine zusätzliche Wärmeaustauschstufe dar. Es wirkt als Gegenstrom-Wärmetaus eher, und zwar zum einen für die komprimierte kalte Luft j die durch das Gehäuse 16 und die Leitungen 17 im Inneren des Vertexlergehäuses hindurchgeht und ein erstes Mal von der komprimierten heißen Luft erwärmt wird, bevor sie in den umlaufenden Wärmetauscher eintritt, und zum anderen für die komprimierte heiße Luft, die vor ihrem Eintritt in die Brennkammer ein zweites Mal erwärmt wird, nämlich von den heißen Verbrennungsgasen, die durch die Leitung 13 und durch den teilringförmigen Verteiler 14 hindurchgehen, wobei die letztgenannten Bauteile mit ihren Hauptbereichen im Inneren des Verteilergehäuses 19 liegen.

Was die mechanische Konzeption des erfindungsgemäßen Wärmetauschers anbelangt, so ist diese modulartig aufgebaut. Der Wärmetauscher und die Verteiler für die Fluide (komprimierte Luft und Verbrennungsgase) bilden eine leicht demontierbare Baugruppe aus Reaktorbauteilen. Wie bereits erwähnt, wird der stromauf gelegene Teil des Wärmetauschers von dem Verteilergehäuse 19 überdeckt, der Anschlußleitungen aufweist, die leicht zugänglich sind und durch an sich bekannte Gleithülsen 25 einfach an vom Verdichter kommende Leitungen oder an zur Brennkammer führende Leitungen angeschlossen werden kann. Der Anschluß des ringförmigen Turbinenauslasses an die Leitung 13 zum Zwecke der Rückgewinnung der heißen Verbrennungsgase besteht aus einer speziellen Konstruktion, die eine gute Abdichtung zu gewährleisten vermag und dabei den Gasen hoher Temperatur

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einen maximalen Durchlaß bietet. Die ringförmige Leitung 13 (Figur 7) durchdringt koaxial das seinerseits koaxial zum Wärmetauscher 5 liegende Verteilergehäuse 19 und ist dort an einem ringförmigen Bund 26 befestigt. An den Enden der äußeren und inneren Wände, die diese Ringleitung definieren, sind Bunde 27 und 28 befestigt, deren freie Ränder, bezogen auf den Durchlaßquerschnxtt, nach außen gerichtet sind. Die zum Teil auseinandergezogene Darstellung der Figur 7 zeigt diese Anordnung. Die Bunde sind hergestellt aus zwei elastischen Bändern, die ein J-förmiges Profil besitzen (Figur 8). Jedes Band trägt Einschnitte 29j die in Radialrichtung einen Teil des Profils ausschneiden. Zwei solcher Bänder werden übereinandergesetzt und untereinander sowie mit dem Rand der Rohrleitung derart verschweißt, daß die Ausschnitte des einen Bandes den massiven Segmenten des anderen Bandes entsprechen. Diese Anordnung bietet die Möglichkeit, die Abdichtung sicherzustellen und dabei die Elastizität des gekrümmten Abschnitts 30 des Profils aufrechtzuerhalten. Dieser elastische Bund arbeitet mit einem umgekehrt U-förmigen Profil zusammen, das am Ende des ringförmigen Auslasses der Turbine befestigt ist. Der Bund 28 legt sich elastisch an die seitlichen Stege des U-förmigen Profils 31 an und bewirkt eine bleibende genaue Zentrierung der beiden Rohrleitungen 13 und 32, wobei eine Verschiebung zugelassen und die Abdichtung sichergestellt werden. Ein gleiches U-förmiges Profil, welches umgekehrt angeordnet ist, gewährleistet die Abdichtung gegenüber dem Bund 27. Das Verteilergehäuse des Ausführungsbeispiels nach Figur 7 ist birnenförmig verjüngt mit Grundflächen, die parallel zueinander und senkrecht zur Gehäuseachse liegen. Es sei darauf hingev/iesen, daß andere, einfachere Ausführungs-

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formen gleichermaßen genügen, beispielsweise ein Kegel- stumpf mit parallelen Basisflächen, eine kugelförmige Zone oder irgendeine andere Raumform, die in der Lage ist, das Ende des Wärmetauschers zu überdecken.

Figur 9 zeigt eine zum Teil geschnittene Ansicht des erfindungsgemäßen Wärmetauschers. Der Fluid-Verteilerkasten 19 ist mit der Gehäusewand 8 des Wärmetauschers verbunden. Die Austauscher-Matrizen 6, zwei an der Zahl bei diesem Ausführungsbeispiel, bilden zylindrische Ringe, die direkt aus dem thermischen Austauschermaterial herausgearbeitet sind, oder aber zwei zylindrische konzentrische Wände 33 und 34 aufweisen, zwischen denen ein thermisches Austauschermaterial angeordnet ist, dessen radiale Durchlässigkeit groß und dessen Durchlässigkeit in Umfangsrichtung im wesentlichen Null ist. Die Enden der Austauscher-Matrizen bilden eine ringförmige Kammer, die in axialer Richtung nach außen hin geöffnet ist. Die Ränder 36 der Kammer sind derart bearbeitet, daß sie eine Lippe mit verminderter Fläche bilden, die zur Anlage kommt an zylindrischen Segmenten 37 aus einem Material, welches hitzebeständig ist, einen geringen Reibwert besitzt und eine gute Abdichtung gewährleistet. Nach einem möglichen Ausführungsbeispiel kann das verwendete Material Graphit sein. Diese zylindrischen Segmente, die eines neben dem anderen in Trägern 38 angeordnet sind, bilden einen zylindrischen Kranz von gleichem mittlerem Durchmesser wie die Wände 33 und 34 der Austauscher-Matrize bzw. wie die Ränder der ringförmigen Kammern.

Die Träger 38 bestehen aus den stromauf und stromab angeordneten stationären Ringen 39 bzw. 40, auf deren Flächen

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ringförmige Kammern 4l vorgesehen sind. In diesen Kammern sitzen Ringe 42 mit U-förmigem Profil, die Zentrierbunde 43 tragen und an ihrem Platz auf dem stationären Ring durch Befestigungsmittel 44 fixiert sind. Der Raum zwischen den Ringen 42 und seitlichen Wänden der ringförmigen Kammern 4l nimmt die die Abdichtung sicherstellenden zylindrischen Segmente 37 auf. Elastische Mittel 45 pressen die ringförmigen Segmente 37 gegen die Ränder der Austauscher-Matrizen. Diese elastischen Mittel 45 werden von einer wellenförmigen Scheibe aus Federstahl gebildet, von der mindestens die Spitze einer Welle an der Rückseite ,fines zylindrischen Segments anliegt. Die zylindrischen Segmente bilden Pseudo-Zylinder, die in Axialrichtung deformierbar sind und Abmaßänderungen der Matrizen kompensieren können, die durch Herstellungstoleranzen oder durch Wärmedehnung bedingt sind, wobei eine konstante axiale Abdichtung der Enden der Austauscher-Matrizen gewährleistet wird. Die Ränder einer Austauscher-Matrize arbeiten also an jedem Ende mit einem verformbaren Doppel-Zylinder aus Reibmaterial zusammen, der von den zylindrischen Segmenten gebildet wird.

Zur drehbaren Lagerung und zur Zentrierung der zylindrischen Austauscher-Matrizen dienen Rollen 46 und 47, die an den Matrizenenden angeordnet sind. Die Rollen sind gleichmäßig über dem Umfang derart verteilt, daß eine Rolle 46, die die radiale Zentrierung sicherstellt, mit einer Rolle 47 abwechselt, die die axiale Zentrierung gewährleistet. Die Rollen werden in Gabeln gehalten, die auf dem einen U-förmigen Querschnitt besitzenden Ring 42 befestigt sind. Vorzugsweise ist eine Laufschiene 48, die mit der der axiale'n Zentrierung dienenden Rolle 47

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zusammenwirkt, am Boden der kreisförmigen Kammer 35 vorgesehen» Die der radialen Zentrierung dienende Rolle 46 arbeitet mit einer inneren Seitenwand der Kammer 35 zusammen. ."."■"■

Der stromab, gelegene Teil des Wärmetauschers, genauer gesagt, der stationäre Ring 40, trägt, ebenso wie der Ring 39, ringförmige Kammern, in die Ringe mit U-förmigem Profil eingesetzt sind. Die Ringe weisen Gabeln auf zur Halterung von der Zentrierung dienenden Rollen und von einem Lager 50, welches mit einer Welle 51 zusammenwirkt. Letztere trägt an einem ihrer Enden ein Zahnrad 52, welches von einem Getriebezug angetrieben wird, der später noch beschrieben wird. Das andere Ende der Welle 51 trägt ein Zahnrad 54 und eine Rolle 55--^Das Zahnrad wirkt mit einer Zahnstange 56 zusammen, die in eine Wand der ringförmigen, am stromab gelegenen Matrixende vorgesehenen Kammer 35 eingeschnitten bzw. an dieser Wand befestigt ist. Um zu große Reibkräfte zwischen den Antriebszahnen zu vermeiden, arbeitet die Rolle 55₃ die mit der Welle 51 und dem Zahnrad 54 verbunden ist, mit einer Laufschiene 53 zusammen, die auf der seitlichen Wand der Kammer, die bereits die Zahnstange 56 trägt, vorgesehen ist. Jede Austauscher-Matrix trägt die gleiche Antriebsanordnung. Die Matrixanordnungen arbeiten miteinander und mit einem Übertragungsritz el zusammen, und zwar nach einer Anordnung, die später beschrieben wird.

Die axiale Abdichtung zwischen den Austauscher-Matrizen, die eine gegenseitige Abtrennung der Abschnitte A und B zur Aufnahme der heißen Verbrennungsgase und der komprimierten kalten Luft ermöglicht, wird erzielt durch zwei Anordnungen aus Rollen 57 und 58, die zwischen zwei benachbarten Austauscher-Matrizen 6l und 62 (Figur 10) angeordnet sind, und durch Rollen 59 und 60, die zur

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einen und zur anderen Seite der Matrizen sitzen. Die Rolle 59 gewährleistet die Abdichtung zwischen der Außenfläche der Matrize 6l und der äußeren Gehäusewand 8, und zwar durch Zwischenschaltung einer Abdichtvorrichtung, die später beschrieben wird. Die Rolle 60 gewährleistet die Abdichtung zwischen der Innenfläche der Matrize 62 und der inneren Gehäusewand 9, und zwar unter Zwischenschaltung einer Vorrichtung, die ähnlich der vorher genannten Vorrichtung ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 10 sind zur Abdichtung zwischen den Matrizen 61 und 62 zwei Rollen vorgesehen. Eine entsprechende Abdichtvorrichtung kann auch konzipiert werden mit einer einzigen Rolle, die entlang zwei ihrer Erzeugenden an den Wänden der Matrizen anliegt, oder mit drei oder mehr Rollen. Ein Beispiel für eine Ausführungsform mit drei Rollen ist in Figur 5 dargestellt. Je nach dem, ob man eine ungerade oder gerade Anzahl von Rollen verwendet, müssen sich die Austauscher-Matrizen in entgegengesetzten Richtungen oder in gleicher Richtung drehen.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 9 bis 11 bestehen die Rollen beispielsweise aus einem starren Rohr 53, das mit einem relativ weichen Material 64 überzogen ist. Die Enden des Rohres nehmen hohle zylindrische Stücke 65 auf, welche Achsen 66 tragen. Die Rollen sind derart angeordnet, daß sie an den Austauscher-Matrizen entlang einer ihrer Erzeugenden anliegen. Diejenigen Rollen, die sich innerhalb des Zwischenraums oder Strömungsweges 12 zwischen den Matrizen ,befinden, liegen gleichzeitig an diesen Matrizen und aneinander an. Sie werden an ihren Enden

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in Lagern gehalten, die an sich bekannt und nicht gezeigt sind und die mit den Achsen zusammenwirken. Die stromauf gelegenen Achsen, die relativ kurz sind, dienen einzig und allein zum drehbaren Lagern der Rollen, während die stromab gelegenen Achsen, die durch den Ring 40 hindurchgehen, mit Zahnrädern 67 versehen sind, die ihren Drehantrieb gestatten, und zwar in einer Weise, die später beschrieben werden soll. Je nach Stellung der Rollen ist vorgesehen, daß sich diese in Umfangsrichtung und in Radialrichtung oder einzig und allein in Radialrichtung verschieben können. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel sitzt die Rolle 57 in Lagern, die ihr lediglich eine Radialverschiebung gestatten, während für die Rolle 58 solche Lager vorgesehen sind, die ihr eine Verschiebung in radialer und in Umfangsrichtung ermöglichen. Es sei darauf hingewiesen, daß eine andere Bewegungszuordnung für die Rollen 57 und 58 möglich ist.

Die Rollen 59 und 60 brauchen rieh nur in axialer Richtung zu bewegen.

Die Rollen üben einen permanenten Druck auf die Erzeugenden der Austauscher-Membranen aus, wodurch eine Längsabdichtung zwischen den ringsegmentförmigen Zwischenräumen gewährleistet wird, die zu beiden Seiten der Rollen liegen. Der Druck wird ausgeübt unter Zwischenschaltung von Druckeinrichtungen, die auf die mit den Achsen der Rollen zusammenarbeitenden Lager einwirken.

Die Abdichtung zwischen den Enden der Rollen und den stromauf und stromab gelegenen Ringen 39 bzw. 40 wird erzielt durch Reibung der Ringfläche 68, die vom Ende der

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Rolle und von deren Achse gebildet wird, auf Kränzen 69 aus Reibmaterial. Diese Kränze, durch die die Achsen der Rollen hindurchgehen, werden von nicht dargestellten, an sich bekannten Mitteln vor den Ringen 39 und 40 festgehalten. Die Lager, die die Achsen tragen, sind ihrerseits abgedichtet, um Leckverluste zu vermeiden, die sich sonst sehr leicht ergeben könnten durch die Bewegungen in Umfangs- und/oder Radialrichtung. Die Kanten 70 der Kränze 69 stehen in Berührung mit den Seitenrändern 36 der Matrizen sowie, im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels, mit? den Rändern der Ringkammern in den Enden der Austauscher-Matrizen, und sie bilden eine zusätzliche Dichtung.

Die Abdichtung in Längsrichtung und in Umfangsrichtung zwischen den Abschnitten A und B (Figur 11) der Strömungswege 10 und 11, die zwischen den Gehäusewänden 8 und 9 und den Austauscher-Matrizen 6 liegen, wird gebildet von einer elastischen und dichten Haltevorrichtung der Rollen, die eine Rinne 71 aufweist. Letztere ist parallel zur Rolle mit ihrem Boden an der stationären Gehäusewand 8 bzw. 9 befestigt. Ein metallisches, flexibles Band 72, das mit einem Ende auf dem Rand 73 der Rinne befestigt ist, umschlingt die Rolle über einem Teil von deren Umfang und stützt sich auf dem zweiten, abgerundeten Rand 74 ab. Das andere Ende des Bandes 72 ist an einer elastischen Zugvorrichtung befestigt, die im Falle des Vorliegenden Ausführungsbeispiels aus einer Feder 75 besteht, welche ihre Zugkraft direkt oder unter Zwischenschaltung eines Kabels 76 und einer Rolle 77 einwirken läßt. Nach einer möglichen erfindungsgemäßen Ausführungsform besteht das Band 72, das die Abdichtung durch Reibung auf einem Abschnitt der Rolle und durch Anlage an der abge-

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rundeten Kante der Rinne gewährleistet, aus einer Mehrzahl von Bändern, die Seite an Seite ohne Zwischenraum angeordnet sind.

Figur 10 zeigt eine Ausführungsform, bei der die elastische Zugvorrichtung gemeinsam für zwei Rollen-Abdichtvorrichtungen vorgesehen ist, welche die Abdichtung zwischen den Abschnitten A und B gewährleisten.

Den Drehantrieb für die Austauscher-Matrizen und die Rollen erhält man unter Zwischenschaltung von Ritzeln, deren Synchronisation durch Vorgelege gewährleistet wird. Diej Antriebsmittel entsprechen dem Ausführungsbeispiel nach Figur 9, wobei zwei Austauscher-Matrizen und zwei Abdichtrollen zwischen den Matrizen vorgesehen sind, und sie sind stromab des Wärmetauschers dargestellt, siehe Figur 12. Um die Erläuterung der Figur zu vereinfachen, sind lediglich die auf einer Seite zwischen den Austauseherabschnitten A und B vorgesehenen Dichtungseinrichtungen dargestellt. Ferner wurde die Darstellung der verschiedenen Vorgelegezüge in ein und dieselbe Ebene verlegt. Zur Unterscheidung der verschiedenen Rollen dienen die gleichen Bezugszeichen wie in- Figur 10.

Die Austauscher-Matrizen werden angetrieben von einem unabhängigen. Motor, einer Turbine oder einer Zapfwelle der Turbine (zeichnerisch nicht dargestellt), und zwar unter Zwischenschaltung eines Ritzels 80. Das Ritzel greift in die Zahnräder 79 und 52 ein-, die am Ende derjenigen Wellen sitzen, deren andere Enden die mit den Zahnstangen 56 zusammenwirkenden Zahnräder 78 und 54 tragen. Der auf diese Weise gebildete Getriebezug ge-

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stattet es, die Austauscher-Matrizen in der gleichen Richtung anzutreiben.

Der Antrieb der Rollen erfolgt unter Zwischenschaltung der Zahnstangen 56 der Austauscher-Matrizen. Ein Ritzel 82, das im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels unabhängig vom Getriebezug für den Antrieb der Matrizen ist, greift in die Zahnstange 56 ein und überträgt die Drehbewegung auf die Rolle 57 unter Zwischenschaltung der Getriebestufe 83. Auf diese Getriebestufe ist ein Ritzel 8h aufgekeilt, das mit einem Ritzel 86 zusammenwirkt, welches seinerseits fest mit der Rolle 59 verbunden ist. Der Drehantrieb der Rolle 58 erfolgt über die Flächen der Rolle 57 und des Umfangs der Austauscher-Matrix 6. Die Rolle 60 schließlich wird angetrieben unter Zwischenschaltung eines Ritzels 85, welches in die Zahnstange 56 der Austauscher-Matrix eingreift. Das Durchmesser- oder übersetzungsverhältnis der Ritzel ist so berechnet, daß die Lineargeschwindigkeiten der angetriebenen Rollen zu denen der Austauscher-Matrizen passen.

Es sei darauf hingewiesen, daß man durch Veränderung des Aufbaus der Getriebezüge, die die Austauscher-Matrizen antreiben, jede dieser Matrizen in entgegengesetzter Richtung drehen kann. Von Interesse ist ferner die erfindungsgemäße Möglichkeit, drei Rollen zwischen den Matrizen derart anzuordnen, daß sich die beiden äußeren Rollen in entgegengesetzten Richtungen drehen (ein solches Ausführungsbeispiel ist in Figur 5 dargestellt).

Bei hier nicht dargestellten Ausfuhrungsformen können die Rollen direkt von den Getriebezügen angetrieben werden, wobei sie dann die Austauscher-Matrizen in Bewegung setzen.

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Die Antriebseinrichtungen am stromab gelegenen Ende des Wärmetauschers werden von einem nicht dargestellten Gehäuse umschlossen. Dieses Gehäuse ist in an sich bekannter Weise mit Leitungen für die gekühlten Abgase versehen, die sich miteinander vereinigen, um die Düse H zu bilden.

Umlaufende Wärmetauscher, die nach den gleichen Merkmalen wie die der beschriebenen Ausführungsbeispiele ausgebildet sind, können einen einzigen Austauscher-Ring bzw. eine einzige Austauscher-Matrix aufweisen.ο Dann reduzieren sich die axialen Abdichtvorrichtungen auf zwei Rollenanordnungen, wie sie als Rollen 59 und 60 in Figur 10 gezeigt sind.

Gleichermaßen können die Wärmetauscher drei oder mehr Ringe bzw. Matrizen aufweisen. Die axialen Abdichtvorrichtungen werden sodann zwischen den Austauscher-Matrizen von Anordnungen mit zwei Rollen, wie sie als Rollen 57 und 58 in Figur 10 gezeigt sind, oder mit drei Rollen entsprechend dem Bezugszeichen 21 in Figur 5, gebildet, oder aber abwechselnd von Vorrichtungen mit zwei oder drei Rollen.

Zusammenfassend schafft die Erfindung einen modulartig aufgebauten umlaufenden Wärmetauscher für Gasturbinen. Der Wärmetauscher besitzt mindestens eine thermische Austauscher-Matrize, die einen zylindrischen Ring bildet. Nach einer weiteren·Ausführungsform weist der Wärmetauscher mindestens zwei zylindrische Ringe auf, die koaxial zur Achse der Turbine liegen. Strömungen von komprimierter kalter Luft und von heißen Abgasen werden in sich ergänzende Abschnitte der Ringe geleitet. Die

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axialen Abdichtvorrichtungen werden gebildet von Rollen, die parallel zur Achse der Matrizen liegen und sich mit ihrer Fläche auf der Fläche der Matrizen abstützen, um eine Dichtung herzustellen. Der Verteilerkasten für die Fluide bildet einen Gegenstrom-Wärmetauseher. Die Erfindung betrifft ferner die Anwendung auf umlaufende Wärmetauscher für Gasturbinen.

r Patentanwalt

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Claims

DKi-ino.K.^:;^;;;;·¹'¹ . 2852581

SOCIETE NATIONALE D'ETÜDE ET DE 5.12.1978

CONSTRUCTION DE MOTEURS D'AVIATION S.Aο - S.N.E.CM.A-.-

2 boulevard Victor
75o15 PARIS

PATENTANSPRÜCHE

l.j Umlaufender Wärmetauscher für Gasturbinen auf-S#eisende Vorrichtungen mit thermischen Austauscher-Matrizen, die einen zylindrischen,· um die Turbinenachse drehbaren Ring bilden, mit Antriebsmitteln, die den zylindrischen Ring zwischen zwei stationären Gehäusewänden in Drehung versetzen, mit Gaskanälen zwischen den Gehäusewänden und den Austauscher-Matrizen, mit stationären Ringen, die die Enden der Gehäusewände abschließen und zwischen denen sich der zylindrische Ring dreht, mit Fluidverteilern, mit einer Umfangsdichtung zwischen den stationären Ringen und den Enden des zylindrischen Rings und mit einer Axialdichtung, die die Gaskanäle für heiße und kaltes ELuid zwischen zwei Zylinderabschnitten der Austauscher-Matrizen unterteilt,
dadurch gekennzeichnet,

ORJGiNAL INSPEGfED

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daß mindestens zwei ringförmige, konzentrisch zur Turbinenachse angeordnete Austauscher-Matrizen (6;6l,62) vorgesehen sind, die über eiiioii zylindrischen Ringraum (12) voneinander getrennt sind, der als Fluidkanal dient.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1 mit einer Ümfangsdichtung, die zum Teil von den Innen- und Außenrändern der Austauscher-Matrizen und von konzentrischen Zylindern, die mit einem Rand der Austauscher-Matrize zusammenarbeiten, bestehen, wobei jeder Zylinder an den mit den Trägern verbundenen Ringen befestigt ist, dadurch gekennzeichnet,

daß die stationären Ringe (39,40) ringförmige Kammern (M) aufweisen, in die Ringe (42) mit U-förmigem Profil ei; absetzt sind, die Zentriermittel (43) tragen und von "■■'nkc zu Punkt mit den zugehörigen stationären Ringen verounden sind, wobei der Raum zwischen den Ringen (42) und den seitlichen Wänden der ringförmigen Kammern(4l) konzentrische Zylinder (37) aus Reibmaterial aufnimmt.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Enden der Austauscher-Matrizen (6;6l,62) zwei ringförmige, geöffnete Kammern (35) bilden, wobei die Ränder (36) an der öffnung dieser Kammern zusammen mit dem gegenüberliegenden konzentrischen Doppelzylinder (37) mindestens einen Teil der Ümfangsdichtung darstellen.
4. Wärmetauscher nach Anspruch 3₅ dadurch gekennzeichnet,

daß an jedem Ende der Austauscher-Matrix in Radial- und in Längsrichtung wirksame Zentriermittel (46,47) vorgesehen

9 0 9 8 2 3 ' 0 8 '■

sind, die von einem Teil der Stützvorrichtung (42) des Doppelzylinders (37) für die Umfangsdichtung getragen werden und mit einer der Wände der ringförmigen Kammer (35) zusammenwirken.
5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die ringförmigen Kammern (35) Laufschienen (48,53) aufweisen₃ die mit den Zentriermitteln (HS,Hj) zusammenwirken,, und daß sie ferner mit mindestens einer Zahnstange (56) versehen sind, die mit der Antriebsvorrichtung zum Drehen der Austauscher-Matrizen zusammenarbeitet.
6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet j

daß die axiale Abdichtvorrichtung mindestens eine Rolle (21j57_s58) aufweisbj die zwischen zwei benachbarten Austauscher-Matrizen (6j6l_s62) angeordnet ist, wobei die Achse der Rolle pai^allel zur Achse der Matrix liegt und wobei sich.die Rolle auf der Oberfläche mindestens einer der Austauscher-Matrizen abstützt.
7. Wärmetauscher nach Anspruch 6_S dadurch gekennzeichnet _s

daß die axiale Abdichtvorrichtung aus mindestens zwei Rollen (21 j57*58) besteht ₃ die sich entlang einer ihrer Erzeugenden berühren,, wobei jede Rolle entlang einer zweiten Erzeugender die Fläche der benachbarten Austauscher-Matrix (6;61,62) berührt.
8. Wäremtauscher nach Anspruch 6 oder J, dadurch gekennzeichnet,

daß die Ringfläche, die vom Ende einer Rolle und deren

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Achse gebildet wird, in Gleitberührung mit einem Kranz (69) aus Reibmaterial steht, der von den Achsen durchdrungen und vom stationären Ring (39bzw. 40) am Ende des Wärmetauschers gehalten wird, wobei die Kanten dieses Kranzes in Gleitberührung mit den Seitenrändern der thermischen Austauscher-Matrizen stehen.
9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet,

daß die axialen Abdichtvorrichtungen zwischen den stationären inneren und äußeren Gehäusewänden (8,9) und der Austauscher-Matrix (6;6l_s62) eine achsparallel zu letzterer liegende Rolle (20,22;50,60), die mit einer ihrer Erzeugenden am Umfang der Matrix anliegt, sowie eine elastische und abdichtende Haltevorrichtung für die Rolle umfassen.
10. Wärmetauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,

daß die elastische und abdichtende Haltevorrichtung für die Rolle (20,22;59₅60) eine parallel ausgerichtete, mit ihrem Boden an der stationären Gehäusewand (8,9) befestigte Rinne (71) sowie ein metallisches elastisches Band (72) aufweist, welches mit einem Ende an einem Rand (73) der Rinne befestigt ist, einen Zylinderabschnitt gegenüber der an der Austauscher-Matrix anliegenden Erzeugenden der Rolle umschlingt und mit seinem anderen Ende, das sich auf dem zweiten Rand der Rinne abstützt und dort geführt wird₃ an einer elastischen Zugvorrichtung (75) befestigt ist.
11. Wärmetauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,

daß die Abdichtvorrichtung für einen Fluidkreis auf der inneren Gehäusewand (9) und auf der äußeren Gehäusewand

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(8) zwei der elastischen und abdichtenden Haltevorrichtungen für Rollen trägt, wobei die Rinnen (71) derart angeordnet sind, daß die elastischen Zugvorrichtung (75) auf beide Vorrichtungen gemeinsam einwirken.
12. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Fluidverteilvorrichtungen einen doppelten Zusatz-Wärmetauscher bilden, wobei ein Verteilergehäuse (19) für das beim Durchgang durch die Matrizen erwärmte Fluid das Verteilergehäuse für das kalte Fluid sowie das Verteilergehäuse für das heißeste, zur Erwärmung der Matrizen dienende Fluid umgibt.
13. Wärmetauscher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

daß das Verteilergehäuse (19) für das kälteste Fluid mit den stationären Gehäusewänden (8,9), zwischen denen sich die Austauscher-Matrizen (6;6l,62) drehen, fest verbunden ist, um eine Modul-Baugruppe zu bilden, d.h., eine Baugruppe, die von der eine Gasturbine aufweisenden Vorrichtung abnehmbar ist.

I¹I.- Wärmetauscher nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet,

daß das Verteilergehäuse (19) eine kegelstumpfförmige Gestalt besitzt, dessen kleine Fläche von einer ringförmigen, mit Dichtungen versehenen Öffnung für die Verteilung des heißesten Fluids eingenommen wird und dessen kegelstumpfförmige Fläche von ro'hrförmigen Leitungen für das kälteste Fluid und für das beim Durchgang durch die Austauscher-

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Matrizen erwärmte Fluid durchbrochen ist.

15· Wärmetauscher nach Anspruch Ik, dadurch gekennzeichnet,

daß die Abdichtvorrichtungen aus zwei Abschnitten bestehen, von denen einer (31) an den aus der Turbine kommenden Leitungen (32) und der andere (27,28) an der ringförmigen Öffnung der modulartigen Wärmetauscher-Baugruppe sitzt; daß der an der ringförmigen Öffnung angeordnete Abschnitt der Abdichtvorrichtung von Kränzen mit J-förmigem Querschnitt aus einem metallischen, elastischen Material gebildet wird, von denen jeder teilweise in der Profilebene derart ausgeschnitten ist, daß die erhaltenen Segmente miteinander über einen Abschnitt am Ende des längsten Schenkels in Verbindung stehen, wobei die beiden Kränze an den Rändern der Leitung befestigt sind, und zwar derart versetzt gegeneinander, daß die ausgeschnittenen Bereiche des einen Kranzes überdeckt werden von stehengelassenen Bereichen des anderen Kranzes; und daß der Abschnitt der Abdichtvorrichtung an den aus der Turbine kommenden Leitungen (32) aus einem Kranz (3D mit U-förmigem Querschnitt besteht, dessen Abmaße und Form derart gewählt sind, daß die an der ringförmigen Öffnung sitzenden Abdichtmittel (27,28) elastisch in das Innere des Kranzes (31) eintreten.

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