DE2040680C3 - Heat exchangers for gas turbines - Google Patents
Heat exchangers for gas turbinesInfo
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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.The invention relates to a heat exchanger for gas turbines with a rotating core from a a plurality of axial gas channels having, heat-resistant, ceramic material in his middle area on at least one side high temperatures and in its middle area surrounding edge area is exposed to lower temperatures, with the core at its periphery with a number of grooves is provided and in the grooves (z. B. lenticular) inserts are arranged.
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 erreichtHeat exchangers of the type mentioned are z. B. already known from US-PS 34Oi 741. With these Known heat exchangers are the lenticular arranged on the core in the grooves distributed on its circumference Inlays attached via a putty, which is also used to seal the outer periphery of the Kernes is used. These lenticular inserts grip metallic clips on the circumference of the Core attacking mechanical drive system. Although these are arranged on the circumference of the core Lenticular inserts that occurred in earlier, closed ring assemblies for the drive system Should avoid difficulties due to stress cracks - ο ten, this goal was not fully achieved
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.During a detailed investigation of the problem of stress cracks it was found that the stress cracks in the core were not caused by the arrangement of the drive system, but rather by the thermally induced stresses in the core itself. The careful study showed that the middle region of the core reached a high temperature exceeded 705 0 C, while the central region surrounding the edge region of the lower temperatures was exposed to from the compressor gas flows, a temperature of only 232 ° C reached. Although the thermal expansion of ceramic material is theoretically negligibly small, the considerable temperature differences led to a greater expansion of the inner area of the core, as a result of which tensile stresses occurred in the surrounding edge area of the core, which then occasionally led to stress cracks in the core.
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.The object of the invention is therefore to provide a heat exchanger of the type mentioned at the beginning improve that the tensile stresses occurring in the edge area of the core by counteracting Expansion forces are compensated.
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-J5 According to the invention, this object is achieved by arranging the inserts or their fastening putty in the grooves on the circumference of the core consist of a material with such a high coefficient of thermal expansion that the expansion forces
AO te dieses Materials den im Randbereich des Kernes auftretenden Zugspannungen entgegengesetzt sind. AO te of this material are opposed to the tensile stresses occurring in the edge area of the core.
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.By according to the invention from a material with a high coefficient of thermal expansion produced deposits or the attachment of conventional deposits with a fastening putty with high coefficient of thermal expansion or a combination of these two measures, can on simple way, without changes to the conventional structure of the heat exchanger in the edge area of the Tensile stresses occurring at the core can be controlled or compensated for at any time.
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;The invention is explained in more detail using an exemplary embodiment shown in the drawing.
F i g. Fig. 1 shows a perspective view of a disc-shaped core of a heat exchanger, on the periphery of which a number of lenticular inserts are attached;
F i g. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teiles des scheibenförmigen Kernes, aus der die Art der Befestigung der Einlagen zu ersehen istF i g. Fig. 2 shows a perspective view of part of the disc-shaped core from which the type of Attachment of the deposits can be seen
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 einerIn the figures, the disk-shaped core made of ceramic material is denoted by 10. The core 10 has a solid ceramic hub 12 which is surrounded by a ceramic material 14, which with a
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 10hS is provided with a large number of axial gas channels. This porous material 14 extends to the outer periphery of the core 10. Im in a gas turbine one side 15 of the core 10 is in the installed state
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.exposed to the hot gas streams coming from the working wheels of the gas turbine, and this side and the axially adjoining part work at a higher operating temperature than the rest of the core 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.A number of grooves 16 are spaced apart on the outer periphery of the core 10. The grooves 16 run essentially parallel to the axis of rotation of the core 10. In each groove 16 is a solid, ceramic, Lenticular insert 18 arranged. Both the groove 16 and the insert 18 face each other Area on a calf-cylindrical peripheral part.
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.The inserts 18 are secured in the grooves 16 by means of two different types 20 and 22 of cement The cement 20 is foam-shaped, inorganic type, and its coefficient of thermal expansion is essentially the same as that of the porous material 14 of the core 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 istA typical foam-like putty as can be used for the present invention can be im Trade are related. This cement 20 is between the cylindrical surfaces of each insert 18 and the Grooves 16 arranged, wherein it is in a starting from the hot side 15 of the core 10 small axial Area is arranged only on the inner surface 21
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. J5The cement 22, however, consists of a material that has a greater coefficient of thermal expansion than that of the material 14 of the core 10 comprises a typical cement with a high coefficient of thermal expansion Mullite in sodium silicate and can be obtained commercially. The cement 22 is between the Inlays 18 and the grooves 16 are arranged on both sides of the inner surface 21. The inlays 18 can be connected to an annular drive ring for driving the core 10, as z. B. from US-PS 34 01 741 can be found. 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.For a typical heat exchanger with a disc-shaped core that is about 71 cm in diameter and has an axial thickness of about 10 cm, the lenticular inserts 18 have a radius of about 2.5 cm The putty 20 and putty 22 are applied in layers which, after hardening, have a thickness of about 2.5 mm. The putty 22 is essentially along the last radially outer 12 mm and in an axial range of about 25 to 50 mm between the Bolt 18 and the grooves 16 arranged in the core 10.
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.During operation of the gas turbine, the hot gas streams, which flow axially through the central area of the core 10 from the side 15, heat it to a temperature of over 705 ° C. The edge area of the core 10 surrounding the central area is exposed to the relatively cooler gas streams that leave the compressor, and therefore works at a temperature of about 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.As soon as the temperature of the cement 22 rises to the operating temperature of the gas turbine, the expansion forces caused by the high coefficient of thermal expansion on the material 14 of the core 10 exert compressive forces in the direction of the arrows 24, which reduce the tensile stresses in the edge area and thus the risk of stress cracks. The cement 20 dt ″ - : ch is not made to the same extent as the cement 22 unc = »orgt for a secure fastening of the insert 18 in the grooves 16 of the core 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.If necessary, the cement 22 can along the entire axial thickness of the core 10 on both sides of the cement 20 located on the central surface. In some special cases it can only the putty 22 can also be used. The grooves 16 can, however, also in terms of their dimensions can be considerably reduced and only be filled with such a putty mass that the same high The number of grooves essentially depends on the coefficient of thermal expansion on the expansion characteristics of the core, the cement and the operating temperatures of the gas turbine away. A few attempts are generally sufficient to determine both the number and the size of the grooves for define a specific use case. Furthermore, thin strips of a material with a high coefficient of thermal expansion are arranged in the grooves. The grooves can also be used as serrated slots are formed, starting from the hot side 15 on the circumference of the core short axial amount protrude into the core and with material with a high coefficient of thermal expansion, are filled.
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.The putty with high coefficient of thermal expansion preferably has a higher coefficient of thermal expansion in the temperature range up to the operating temperature of the gas turbine (generally about 232 "C) and a lower coefficient of thermal expansion in the temperature range between the operating temperature and the higher firing temperature of the two putties, which is generally about 540 ° C A graphical representation of the expansion characteristics of the two putties would thus show an expansion curve for the putty with a high expansion coefficient, which rises sharply up to the operating temperature of about 232 ° C, and then falls and approaches or crosses the expansion curve of the other putty.
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.The mullite and sodium silicate based putty mentioned above has such a characteristic This arrangement makes it possible to burn the core together with the inlays 18 without this create excessive stresses in the joints between the bolts and the core.
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.The present invention seeks to provide a heat exchanger for gas turbines which has an improved physical Quality and a longer service life, even at high operating temperatures. Furthermore a drive system acting on the circumference of the disk-shaped core can be achieved with a minimum Effort can be realized.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
Claims (5)
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