DE2542683A1

DE2542683A1 - Gasturbinenwaermeaustauschereinrichtung

Info

Publication number: DE2542683A1
Application number: DE19752542683
Authority: DE
Inventors: Clarence L Marksberry; Kenneth O Parker
Original assignee: Garrett Corp
Current assignee: Garrett Corp
Priority date: 1974-09-30
Filing date: 1975-09-25
Publication date: 1976-04-08
Also published as: JPS5322293B2; SE7510887L; SE411375B; JPS5161050A; US3945434A; DE2542683B2; DE2542683C3

Description

Dipl.-lng. A. Wasmeier	Unser Zeichen Our Ref.	Dipl.-lng. W. Langewiesche
	G/p 8272	Dipl.-lng. H. Graf
Patentanwälte 8400 Regensburg 2 Postfach 382
	D 8400 REGENSBÜfiG 2
Deutsche Patentamt	GREFLINGER STRASSE 7 TELEFON (09 41) 547 53
8000 München 2	TELEGR. BEGPATENT RGB. TELEX 6 5709 repat d
	Tag Date
Ihr Zeichen Ihre Nachricht Your Ref. Your Letter	3. September 1975 W/Ja

THE GARRETT CORPORATION, Los Angeles, Californien 90009, USA

Gasturbinenwärmeaustauschereinrichtung

Zusammenfassung:

Gegenstand der Erfindung ist eine Wärmeaustauschereinrichtung für eine Gasturbine, die mit einem Wärmeaustauscher mit Formplatten vom Gegenflußtyp, der einen Kern mit einer Gasturbinenauslaß- Gaseinlaßfläche mit einstUckigen Luftauslaßleitungen und einen Einlaßgastemperaturregler aufweist, welcher die Temperatur des auf die Leitungen und die Kernfläche auftreffenden Gases steuert. Der Temperaturregler besteht aus einem Gehäuse, das einen Gasdurchflußpfad zur Wärmetauscherkernfläche festlegt, Strömungsmitteldurchlässen innerhalb des Gehäuses, die das Gas mit etwa voller Gastemperatur auf die Leitungen richten, und einem Wärmeabsorber innerhalb des Gehäuses, der Wärme von dem Gas aufnimmt, um die Temperatur auf eine niedrigere Temperatur als die volle Gastemperatur während Ubergangsbedingungen zu reduzieren, z.B. beim Turbinenanlassen, und das Gas auf die Kernfläche richtet.

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Konto: Bayerische Vereinsbank (BLZ 75020073) 5 804 248 Postscheckkonto München 89369-801

Gerichtsstand Regensburg

Gasturbinenmotoren verwenden in üblicher Weise Wärmetauscher, um einen Teil der Wärme der Turbinenauslaßgase zur Übertragung auf die Kompressorabgabeluft rückzugewinnen, bevor das Gas in die Turbinenbrennkammer eintritt, was eine verhältnismäßig hohe Brennstoffersparnis ergibt. Während des Anlassens der Turbine können beispielsweise die Turbinenauslaßgase sehr hohe Temperaturen erreichen, die sehr hohe thermische Gradienten zwischen der Auslaßgaseinlaßfläche und der Auslaßfläche des \7ärmetauscher[-kernes verursachen, wodurch thermische Beanspruchungen entstehen, die zu einer Rissebildung im Kern führen können. Um solche Nachteile auszuschalten, ist bei bekannten Wärmetauschern eine Wärmesenke vorgesehen worden, die vor der Wärmetauscherkerngaseinlaßfläche im Durchflußpfad der Turbineta auslaßgase angeordnet war, wodurch vorübergehend die Gastemperatur reduziert werden konnte und thermische Gradienten während des Anlassens der Turbine verhindert wurden. Die Verwendung einer solchen Wärmesenke, die

Temperatur der
die/Saseinlaßfläche des Wärmetauscherkernes reduziert, reduziert auch unerwünschter Weise die Temperatur des Gases, das auf die Luftauslaßleitungen auftrifft, die die Kompressorabgabeluft fördern, so daß der Brennstoffverbrauch wieder unwirtschaftlich wird.

Beispiele für Wärmeaustauscher der vorbeschriebenen Art sind die folgenden US-Patentschriften: 2 492 788, 2 891 774, 3 263 744, 3 289 743, 3 322 189, 3 326 214, 3 507 115, 3 528 783.

Gemäß der Erfindung wird ein Wärmetauscher vorgeschlagen, bei dem ein Vlärmepuffer die Auslaßgastemperatur reduziert, die auf die Gaseinlaßfläche des Wärmetauscherkernes einwirkt, jedoch das auf die Luftauslaßleitungen auftreffende Gas auf voller Gastemperatur während der Ubergangsbedingungen, z.B. während des Turbinenanlassens hält.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Wärmetauscher mit Formplatten vom Gegenstromtyp (formed plate counterflow type) vorge-

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sehen, der einen Kern mit einer Gaseinlaßfläche mit einteiligen Luftauslaßfeitungen sowie eine Vorrichtung aufweist, die die Gastemperaturverteilung über die Kerngaseinlaßfläche und die Leitungen während der Gasturbinenübergangsbedingungen steuert.

Der V/ärmetauscher nach vorliegender Erfindung weist einen thermischen Kondensator auf, der eine bevorzugte Temperaturverteilung auf die Gaseinlaßfläche und die Leitungen eines Gasturbinenwärmeaustauschers mit Formplatten ergibt, was zu einer gleichförmigeren Oberflächentemperaturverteilung auf der Gaseinlaßfläche führt. Der thermische Kondensator hat die Fähigkeit, die Gasübergangstemperatur zu reduzieren, wenn die Temperatur auf die Gaseinlaßfläche bei voller Pufferkapazität auftrifft. Der thermische Kondensator verringert die Gastemperatur an Teilen der Leitungen, jedoch wird an ausgewählten Teilen der Leitungen ermöglicht, daß das Gas mit voller Gastemperatur auftrifft.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers gemäß der Erfinf dung,

Fig. 2 eine Schnittansicht nach Fig. 1,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Teiles der Fig. 1, i« Schnitt,

Fig. 4 eine Auföcht auf den Wärmetauscherkern und den Gastemperaturregler nach den Fig. 1 und 2,

Fig. 5 eine Schnittansicht längs der Linie 5-5 der Fig. 1, Fig. 6 eine Querschnittsansicht längs der Linie 6-6 der Fig. 4, Fig. 7 eine Querschnittsansicht längs der Linie 7-7 der Fig. 4, Fig. 3 eine perspektivische Teilansicht des Temperaturreglers nach Fig in vergrößertem Maßstab.

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Fig. 1 zeigt einen Wärmeaustauscher 10 nach vorliegender Erfindung, der einen Kern 2 und einen Heißeinlaßgas-Temperaturregler oder thermischen Puffer 13 besitzt, der in einem Gehäuse 14 untergebracht ist. Der Kern 1 ist mit einteilig ausgebildeten Leitungen 16, 17 auf entgegengesetzten Heizgaseinlaß- und Auslaßendflächen versehen und mit Kopfstücken 18, 19 verbunden. Der Wärmetauscherkern 12 ist innerhalb des Gehäuses 14 Über Befestigungen 20 aufgenommen. Der Regler 13 ist ebenfalls innerhalb des Gehäuses mit ähnlichen Befestigungen 20 abgestutzt. Das Gehäuse 14 ist mit Einlaß- und Auslaßkanälen 22 und 23 versehen, um heißes Gas durch der Wärmetauscherkern 12 in innige Wärmetauscherverbindung mit zwischen den entsprechenden Leitungen 16, 17 strömender Luft zu bringen. Luft tritt ! durch das Kopfstück 19 über eine Einlaßleitung 24 ein, die eine Lastkompensationsbalgenvorrichtung aufweisen kann, um eine Anpassung an Dimensionsänderungen zu erzielen. Das Kopfstück 18 ist mit einer Auslaßleitung j

28 versehen, die eine Lastkompensationsbalgenanordnung besitzen kann. |

In den Figuren 2 und 3 sind weitere Details des dargestellten Wärmetauschers 10 gezeigt. Der Kernabschnitt 12 weist eine Vielzahl von Formplat-j ten 30 auf, die in Sandwichbauweise zusammengesetzt und voneinander durcN entsprechende Lagen von Gasleitflächen 32 und Luftleitflächen 34 getrennt sind. Die Formplatten 30 sind mit Bunden 36 versehen, die die Leitung 16 umschließen, die sich in die Sandwichkonstruktion erstreckt, und stellen strategisch angeordnete Öffnungen 38 dar, um Luft zwischen die Leitung 16 und die Luftleitflächen 34 einzuführen. Entsprechend sind öffnungen bei 40 für den Durchgang von heißen Gasen von der Außenseite des Kernes 12 zu den Gaskanälen, die die Gasleitflächen 32 enthalten, vorgesehen. Wie sich aus Fig. 3 ergibt, dient die entsprechende Gas- und Luftleitflächenanordnung innerhalb der Sandwichkonstruktion des Kernes 12 dazu, eine bestimmte Steifigkeit und Festigkeit der Konstruktion zu erzielen, während sie gleichzeitig dazu dient, den gewünschten Wärmeübergang zwischen den benach barten Gas- und Luftströmen zu erreichen, während die gewünschte Turbolenz in den entsprechenden Strömungsmitteldurchflüssen entsteht, ^o daß

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die WärmeUbergangseigenschaften der Grenzfläche Strömungsmittel-Metall verbessert werden·

Figur 4 kann als Aufsicht auf den Kern 12 und den Wärmeabsorber 13 nach Fig. 5 angesehen v/erden. Sie stellt auch in allgemeiner Form eine der den Kern 12 bildenden Formplatten 30 (formed plates) dar. Die Platte 30 ist mit einem versetzten Flansch 42 versehen, der um den Umfang herum verläuft. Dieser Flansch dient zur Verbindung mit einem ähnlichen,Flansch auf der Platte der nächsten Lage in Stapel, so daß ein Strömungsmittelkanal festgelegt wird, der Öffnungen besitzt, die nur in der angezeigten i V/eise miteinander in Verbindung stehen, d.h., daß dort, wo der Strömungs-. mittelkanal ein Luftstrom ist, Öffnungen mit den Leitungen 16 und 17 in · Verbindung stehen, während für einen Gasstrom die Öffnungen mit der Außenseite des Kernes 12 an Segmenten zwischen benachbarten Leitungen 16 oder j 17 verbunden sind. Ein derartiges Segment ist bei 44 auf der linken Seite^; der Figur 5 angedeutet und ist ein Abschnitt eines Teiles des Kernes 12 j längs der Linie 5-5 der Fig. 4 in Richtung der Pfeile gesehen. In Gas- '

Öffnungen 40 und die Verbindung benachbarter Flansche 42 sind im Segment

44 der Figur 5 gezeigt. Die Luftöffnungen 38 sind in Figur 5 auf der entgegengesetzten Seite der Leitung 16 dargestellt und stehen damit in Verbindung.

In den Figuren 6, 7 und 8 sind Einzelheiten des thermischen Kondensators oder Heizgastemperaturreglers 13 dargestellt. Der Regler 13 weist ein rechteckförmiges Gehäuse auf, das obere, untere und seitliche Metallplattenglieder 46, 48, 50 und 52 besitzt, die an ihren Endkanten miteinander befestigt, z.B. verschweißt sind, so daß ein Durchllußpfad für das heiße Einlaßgas entsteht. Paare von dazwischenliegenden Plattengliedern 54 sind an ihren Endrändern mit den oberen und unteren Plattengliedern 46, 48 zur Bildung von Strömungsmittelkanälen 56 befestigt, um einen Durchfluß von Teilen des heißen Auslaßgases auf die äußeren Auslaßleitun-

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gen 16 der Heißgaseinlaßflache des Kernes 12 bei voller Gastemperatur zu richten. Ähnliche Gruppen von gestapelten, im Abstand angeordneten Plattengliedern 58, die in parallelen Ebenen liegen, sind zwischen Seitengliedern 50, 52 und dazwischengeschalteten Plattengliedern 54 befestigt. Ferner sind in parallelen Ebenen gestapelt und im Abstand angeordnet andere ähnliche Gruppen von Plattengliedern 60 vorgesehen, die zwischen den Plattengliedern 54 befestigt sind. Die Platten 58 und 60 dienen zum Absorbieren von Wärme von den Übrigen Teilen des Heißeinlaßgases, das auf den verbleibenden Teil der Gaseinlaßfläche des Kernes 12 gerichtet wird, um die Temperatur des Gases zu senken.

Die die Oberseite und die Unterseite bildenden Plattenglieder 46 und 48 \ sind identisch ausgebildet, haben rechteckförmige Gestalt und haben eine ^: Länge, die im wesentlichen der Breite des Wärmetauscherkernes 12 entspricht; ferner sind sie im wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Die Plattenglieder 46 und 48 haben entsprechende geradlinige Seitenränder und gegenüberliegende ausgekerbte Ränder mit etwa halbkreisförmig ausgebildeten Aussparungen 62, die die Luftauslaßleitungen 16 umschließen und mit der Heißgaseinlaßfläche des Kernes 12 konform ausgebildet sind.

Zwischenplattenglieder 54 sind mit ihren' Enden in vertikalen, parallelen Paaren, etwa senkrecht zu den die Oberseite und die Unterseite bildenden Plattengliedern 46, 48 zwischen ihren geraden Seitenrändern und Aussparungen 62 befestigt, um die vertikal angeordneten Kanäle 56 entgegengesetzt zu den entsprechenden Luftauslaßleitungen 16 zu definieren, damit heißes Gas Über etwa die gesamte Länge gerichtet wird.

Die Plattenglieder 60 sind mit Aussparungen 66 an entgegengesetzten Ecken versehen und verlaufen etwa konform mit der Oberflächenausbildung einer Leitung 16.

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In Betrieb tritt beispielsweise während des Anlassens der Turbine Luft in das Kopfstück 19 über das Einlaßrohr 24 ein, strömt in die Leitungen 17 und dann in die Luftdurchflußkanäle im Wärmetauscherkern 12. Anschließend daran strömt die Luft nach oben durch die Leitungen 16 in das Kopfstück 13 und aus diesem heraus durch das AuslaQrohr 28. Gleichzeitig strömt heißes Turbinenauslaßgas in das Gehäuse 14 durch die Einlaßleitungen 22 über Kanäle 56 des Reglers 13, trifft direkt auf die Luftauslaßleitungen 16 bei voller Gastemperatur auf und strömt dann um die Leitungen 16 herum und durch die Gasdurchflußkanäle des Kernes 12 und aus dem Auslaßkanal 23 heraus. Gleichzeitig strömt heißes Gas zwischen den Platten 58 und 60 des Reglers, wobei Wärmejabsorbiert wird und vorübergehend die Temperatur des Gases auf einen Viert reduziert wirdL der kleiner ist als die volle Gastemperatur des Gases, und anschließend daran durch die Gasflußkanäle, die sandwichartig zwischen den Luftdurchflußkanälen des Kernes 12 angeordnet sind_o

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Claims

Patentansprüche

1./Gasturbinenwärmetauscheranordnung, gekennzeichnet durch die Kombination aus einem Wärmetauscher (10) vom Formplatten- Gegenstromtyp, mit einem Kern (12), der eine Gaseinlaßfläche mit integrierenden Luftauslaßleitungen (16) aufweist, und einer Vorrichtung (13) zur Steuerung der Gastemperaturverteilung am Kern (12), der Gaseinlaßfläche und den Leitungen (16) während Übergangsturbinenbedingungen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (13) ein mindestens einen Gasdurchflußpfad zur Gaseinlaßfläche fest- j legendes Gehäuse, Strömungsmitteldurchflußvorrichtungen (56) inner- ] halb des Gehäuses, die Gas in den oder einen Durchflußpfad bei vollerj Gastemperatur auf die Leitungen (16) richten, und einen Wärmeabsorberi (13) im Gehäuse, der auf die Oberfläche auf treffendes Gas auf eine '-. Temperatur reduziert, die niedriger als die volle Gastemperatur ist, ; aufweist. ^!

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse obere, untere und Seitenplattenteile (46, 48, 50, 52) aufweist, wobei die oberen und unteren Plattenteile (46, 48) entsprechende ausgezackte Ränder besitzen, damit Aussparungen (62, 64, 66) zur Aufnahme der Leitungen (16) entstehen.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmitteldurchflußvorrichtungen (56) Paare von im Abstand angeordneten Plattenteilen (58) in der Nähe der Leitungen (16) aufweisen.

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5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeabsorber (13) im Abstand angeordnete, gestapelte, parallele Plattenteile (58, 60) besitzt.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatursteuervorrichtung aufweist:

α) ein Gehäuse mit parallelen oberen und unteren Plattenteilen (46, 48) und parallelen Seitenplattenteilen (50, 52), wobei die oberen, unteren und Seitenplattenteile an ihren Endrändern miteinander so befestigt sind, daß ein Gasdurchflußpfad zur Oberfläche entsteht, und wobei die oberen und unteren Plattenteile (46, 48) geradlinige Seitenränder und ausgezackte Seitenränder mit Aussparungen (62) zur Aufnahme der Leitungen (16) besitzen,

b)im Abstand angeordnete, parallele Paare von Zwischenplattenteilen, (54) die innerhalb des Gehäuses angeordnet und an ihren Endrändern mit den oberen und unteren Plattenteilen (46, 48) etwa senkrecht zu den geradlinigen und ausgezackten Seitenrändern in der Nähe der! Aussparungen (64) befestigt sind, und '

c) Im Abstand angeordnete, gestapelte, parallele Plattenteile (58, 60) die innerhalb des Gehäuses angeordnet und an ihren Endrändern mit den bzw. ausgewählten Paaren von Seiten- und Zwischenplattenteilen (50, 52, 54) befestigt sind, wobei die gestapelten Plattenteile Seitenränder mit Aussparungen {66) zur Aufnahme der Leitungen (16) besitzen.

7. Anordnung mit einem Kern zur Übertragung von Wärme von einem ersten auf ein zweites strömendes Medium, ersten und zweiten Rohrleitungen zum Aufnehmen des zweiten strömenden Mediums während des Einführens und AbfUhrens in den bzw« aus dem Kern, und einer Leitungskanalanordnung, die das erste strömende Medium in Kontakt mit der Rohrleitungsanordnung und dem Kern richtet, gekennzeichnet durch eine Wärme-

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absorbiervorrichtung (13) im Abstand zwischen der Leitungskanalanordnung und dem Kern, damit das erste strömende Medium direkt auf die Rohrleitungsanordnung auftrifft.

8. Verfahren zur Verhinderung einer Beschädigung eines Wärmeaustauschers während thermischer Übergangsbedingungen, bei dem Wärme aus einem ersten strömenden Medium auf ein zweites strömendes Medium Übertragen wird, und eine Rohrleitungsanordnung das zweite strömende Medium in der Nähe des Kernes hält, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des ersten strömenden Mediums vor dem Durchgang durch den Kern zu Beginn auf die Rohrleitungsanordnung und der Rest des ersten strömen4 den Mediums vor dem Durchtritt durch den Kern durch den Wärmetauscher geführt wird, damit das erste strömende Medium bei voller Temperatur auf die Rohrleitungsanordnung und bei verminderter Temperatur auf j den Kern auftrifft. j

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Wärmetauscheis erhöht wird, wenn die Temperatur des Kernes steigt; damit das erste strömende Medium auf den Kern bei voller Temperatur : aufgebracht werden kann, wenn die thermischen Bedingungen sich stabilisieren.

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