DE2040680C3

DE2040680C3 - Wärmetauscher für Gasturbinen

Info

Publication number: DE2040680C3
Application number: DE2040680A
Authority: DE
Inventors: Joab J. Oak Park Mich. Blech (V.St.A.)
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1969-09-04
Filing date: 1970-08-17
Publication date: 1978-08-31
Also published as: GB1291315A; US3568759A; DE2040680B2; DE2040680A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher für Gasturbinen mit einem rotierenden Kern aus einem eine Vielzahl von axialen Gaskanälen aufweisenden, hitzebeständigen, keramischen Material, der in seinem mittleren Bereich an zumindest einer Seite hohen Temperaturen und in seinem den mittleren Bereich umgebenden Randbereich niedrigeren Temperaturen ausgesetzt ist, wobei der Kern an seinem Umfang mit einer Anzahl von Nuten versehen ist und in den Nuten (z. B. linsenförmige) Einlagen angeordnet sind.

Wärmetauscher der eingangs genannten Art sind z. B. bereits aus der US-PS 34Oi 741 bekannt. Bei diesen bekannten Wärmetauschern sind die am Kern in den an seinem Umfang verteilten Nuten angeordneten linsenförmigen Einlagen über einen Kitt befestigt, der gleichzeitig zur Abdichtung des äußeren Umfanges des Kernes verwendet wird. An diesen linsenförmigen Einlagen greifen metallische Clips eines am Umfang des Kernes angreifenden mechanischen A.ntriebssystems an. Obwohl diese am Umfang des Kernes angeordneten linsenförmigen Einlagen die bei früheren, geschlossenen Ringanordnungen für das Antriebssystem auftretenden Schwierigkeiten durch Spannungsrisse vermeiden soll-ο ten, wurde dieses Ziel nicht vollständig erreicht

Bei einer eingehenden Untersuchung des Problems der Spannungsrisse wurde festgestellt, daß die Spannungsrisse im Kern nicht durch die Anordnung des Antriebssystems, sondern vielmehr durch die thermisch bedingten Spannungen im Kern selbst verursacht wurden. Die sorgfältige Erforschung ergab, daß der mittlere Bereich des Kernes eine hohe Temperatur erreichte, die 705⁰C überstieg, während der den mittleren Bereich umgebende Randbereich der den niedrigeren Temperaturen der vom Kompressor kommenden Gasströme ausgesetzt war, nur eine Temperatur von 232°C erreichte. Obwohl die thermische Ausdehnung von keramischem Material theoretisch vernachlässigbar klein ist, führten die beachtlichen Temperaturunterschiede zu einer stärkeren Ausdehnung des inneren Bereiches des Kernes, wodurch in den diesen umgebenden Randbereich des Kernes Zugspannungen auftraten, die dann fallweise zu Spannungsrissen am Kern führten.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß die auftretenden Zugspannungen im Randbereich des Kernes durch entgegenwirkende Ausdehnungskräfte ausgeglichen werden.

J5 Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst, indem die in den Nuten am Umfang des Kernes angeordneter Einlagen oder deren Befestigungskitt aus einem Material mit einem solch hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen, daß die Ausdehnungskräf-

AO te dieses Materials den im Randbereich des Kernes auftretenden Zugspannungen entgegengesetzt sind.

Durch die gemäß der Erfindung aus einem Material mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellten Einlagen bzw. der Befestigung von herkömmlichen Einlagen mit einem Befestigungskitt mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten bzw. durch die Kombination dieser beiden Maßnahmen, können auf einfache Weise, ohne Änderungen am herkömmlichen Aufbau des Wärmetauschers im Randbereich des Kernes auftretende Zugspannungen jederzeit beherrscht bzw. ausgeglichen werden.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
F i g. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines scheibenförmigen Kernes eines Wärmetauschers, an dessen Umfang eine Anzahl von linsenförmigen Einlagen befestigt ist;

F i g. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teiles des scheibenförmigen Kernes, aus der die Art der Befestigung der Einlagen zu ersehen ist

In den Figuren ist der scheibenförmige Kern aus keramischem Material mit 10 bezeichnet Der Kern 10 besitzt eine feste keramische Nabe 12, die von einem keramischen Material 14 umgeben ist, das mit einer

hS Vielzahl von axialen Gaskanälen versehen ist. Dieses poröse Material 14 erstreckt sich bis zum äußeren Umfang des Kernes 10. Im in eine Gasturbine eingebauten Zustand ist die eine Seite 15 des Kernes 10

den heißen Gasströmen ausgesetzt, die von den Arbeitsrädern der Gasturbine kommen, und diese Seite und der sich ihr axial anschließende Teil arbeiten bei einer höheren Betriebstemperatur als der übrige Kern 10.

Eine Anzahl von Nuten 16 ist in Abständen am äußeren Umfang des Kernes 10 angeordnet Die Nuten 16 verlaufen im wesentlichen parallel zur Drehachse des Kernes 10. In jeder Nut 16 ist eine feste, keramische, linsenförmige Einlage 18 angeordnet Beide, die Nut 16 und die Einlage 18, weisen im einander zugewandten Bereich einen kalbzylindrischen Umfangsteil auf.

Die Einlagen 18 sind in den Nuten 16 mittels zweier verschiedener Arten 20 und 22 eines Kittes befestigt Der Kitt 20 ist schaumförmiger, anorganischer Art, und sein Wärmeausdehnungskoeffizient ist im wesentlichen gleich dem des porösen Materials 14 des Kernes 10.

Ein typischer schaumartiger Kitt wie er für die vorliegende Erfindung verwendet werden kann, kann im Handel bezogen werden. Dieser Kitt 20 ist zwischen den zylindrischen Flächen einer jeden Einlage 18 und den Nuten 16 angeordnet, wobei er in einem von der heißen Seite 15 des Kernes 10 ausgehenden geringen axialen Bereich nur an der inneren Fläche 21 angeordnet ist

Der Kitt 22 hingegen besteht aus einem Material, das einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der des Materials 14 des Kernes 10 besitzt Ein typischer Kitt mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten enthält Mullite in Natriumsilikat und kann im Handel bezogen werden. Der Kitt 22 wird zwischen den Einlagen 18 und den Nuten 16 an beiden Seiten der inneren Fläche 21 angeordnet Die Einlagen 18 können mit einem ringförmigen Antriebsring zum Antrieb des Kernes 10 verbunden sein, wie dies z. B. aus der US-PS 34 01 741 zu entnehmen ist. J5

Bei einem typischen Wärmetauscher mit scheibenförmigem Kern, der einen Durchmesser von etwa 71 cm und eine axiale Dicke von ca. 10 cm aufweist, haben die linsenförmigen Einlagen 18 etwa einen Radius von 2,5 cm Der Kitt 20 und Kitt 22 werden in Schichten aufgetragen, die nach dem Erhärten eine Dicke von etwa 2,5 mm ergeben. Der Kitt 22 ist im wesentlichen entlang den letzten radial äußeren 12 mm und in einem axialen Bereich von etwa 25 bis 50 mm zwischen den Bolzen 18 und den Nuten 16 im Kern 10 angeordnet.

Im Betrieb der Gasturbine erhitzen die heißen Gasströme, die durch den mittleren Bereich des Kernes 10 von der Seite 15 her axial durchströmen, diesen auf eine Temperatur von über 705⁰C. Der den mittleren Bereich umgebende Randbereich des Kernes 10 ist den verhältnismäßig kühleren Gasströmen ausgesetzt, die den Kompressor verlassen, und arbeitet daher bei einer Temperatur von etwa 232° C.

Sobald die Temperatur des Kittes 22 auf die Betriebstemperatur der Gasturbine steigt, üben die durch den hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten hervorgerufenen Ausdehnungskräfte auf das Material 14 des Kernes 10 Druckkräfte in Richtung der Pfeile 24 aus, die die Zugspannungen im Randbereich und damit die Gefahr von Spannungsrissen vermindern. Der Kitt 20 dt' ' -^:ch nicht in dem gleichen Maß aus wie der Kitt 22 unc= »orgt für eine sichere Befestigung der Einlage 18 in den Nuten 16 des Kernes 10.

Falls erforderlich, kann der Kitt 22 entlang der gesamten axialen Dicke des Kernes 10 zu beiden Seiten des an der mittleren Fläche befindlichen Kittes 20 angeordnet werden. In einigen besonderen Fällen kann auch ausschließlich der Kitt 22 verwendet werden. Die Nuten 16 können aber auch in ihren Abmessungen beträchtlich verringert werden und nur mit einer solchen Kittmasse gefüllt werden, die den gleich hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie der genannte Kitt 22 besitzt Die Anzahl der Nuten hängt im wesentlichen von der Ausdehnungscharakteristik des Kernes, des Kittes und den Betriebstemperaturen der Gasturbine ab. Einige Versuche reichen im allgemeinen aus, um sowohl die Anzahl als auch die Größe der Nuten für einen bestimmten Anwendungsfall festzulegen. Weiterhin können dünne Streifen eines Materials mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten in den Nuten angeordnet werden. Auch können die Nuten als gezackte Schlitze ausgebildet werden, die am Umfang des Kernes von der heißen Seite 15 ausgehend einen kurzen axialen Betrag in den Kern einragen und mit Material, mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten, gefüllt sind.

Der Kitt mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten hat vorzugsweise einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten in dem Temperaturbereich bis zur Betriebstemperatur der Gasturbine (im allgemeinen etwa 232"C) und einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich zwischen der Betriebstemperatur und der höheren Brenntemperatur der beiden Kitte, die im allgemeinen etwa 540⁰C beträgt. Eine grafische Darstellung der Ausdehnungscharakteristik der beiden Kitte würde somit für den Kitt mit hohem Ausdehnungskoeffizienten eine Ausdehnungskurve zeigen, die bis zur Betriebstemperatur von etwa 232° C stark ansteigt, und dann abfällt und sich der Ausdehnungskurve des anderen Kittes nähert oder diese kreuzt.

Der Kitt auf Mullite- und Natriumsilikatbasis, der oben erwähnt wurde, besitzt eine solche Charakteristik Diese Anordnung ermöglicht es, den Kern zusammen mit den Einlagen 18 zu brennen, ohne hierdurch übermäßige Spannungen in den Verbindungen zwischen den Bolzen und dem Kern zu erzeugen.

Die vorliegende Erfindung soll einen Wärmetauscher für Gasturbinen schaffen, der eine verbesserte physikalische Beschaffenheit und eine längere Standzeit, auch bei hohen Betriebstemperaturen, besitzt. Darüber hinaus kann ein am Umfang des scheibenförmigen Kernes angreifendes Antriebssystem mit einem Minimum an Aufwand verwirklicht werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmetauscher für Gasturbinen mit einem rotierenden Kern aus einem eine Vielzahl von axialen Gaskanälen aufweisenden, hitzebeständigen, keramischen Material, der in seinem mittleren Bereich an zumindest einer Seite hohen Temperaturen und in seinem den mittleren Bereich umgebenden Randbereich niedrigeren Temperaturen ausgesetzt ist, wobei der Kern an seinem Umfang mit einer Anzahl von Nuten versehen ist und in den Nuten (z. B. linsenförmige) Einlagen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlagen (18) oder deren Befestigungskitt (22) aus einem Material mit einem solch hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen, daß die Ausdehnungskräfte dieses Materials den im Randbereich des Kernes (10) auftretenden Zugspannungen entgegengesetzt sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß feste keramische Einlagen (18) in jeder der Nuten (16) angeordnet und mittels eines Kittes (22) aus einem Material mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten befestigt sind.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Umfang des scheibenförmig ausgebildeten, rotierenden Kernes (10) eine Vielzahl von axial verlaufenden Nuten (16) mit kreisabschnittförmiger Oberfläche vorgesehen sind, wobei die keramischen Einlagen (18) eine der Form der Nuten (16) angepaßte Gestalt aufweisen und die zentrale Fläche jeder Einlage (18) mittels eines Kittes (20) von gleichem Wärmeausdehnungskoeffizienten wie dem des Kernes (10) und die äußeren Flächen jeder Einlage (18) mitteis eines Kittes (22) von höherem Wärmeausdehnungskoeffizienten in den Nuten (16) befestigt sind.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kitt (22) mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten nur in einem kurzen axialen Bereich an der den hohen Temperaturen ausgesetzten Seite (15) des Kernes (10) zwischen den Einlagen (18) und den Nuten (16) angeordnet ist.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kitt (22) mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten einen solchen Koeffizienten besitzt, der bis zur Betriebstemperatur des Kernes größer als der des Kernes (10) ist und bei höheren Temperaturen abnimmt.