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Wärmeaustauscher mit einer in seinem Gehäuse untergebrachten wärmespeichernden
Masse, die abwechselnd von den die Wärme austauschenden Fluida durchströmt wird
Bei Wärmeaustauschern der Regeneratorbauart ist es bekannt, die Umsteuervorrichtung
mit üblichen Ventilen auszurüsten, die in einem mehr oder weniger großen Abstand
von der Speichermasse angeordnet sind. Damit tritt aber wegen der ohne Arbeitsleistung
sich vollziehenden Ausdehnung des zwischen Speichermasse und Umsteuervorrichtung
eingeschlossenen gasförmigen Mediums ebenso wie durch dessen Mischung mit Gasmengen
verschiedener Temperaturen ein beachtlicher thermodynamischer Verlust ein, der besonders
dann sehr hoch werden kann, wenn die Umteuerung in kurzen Zeitabständen stattfindet.
Bei größeren Zeiträumen wiederum wird es notwendig,. eine Speichermasse mit größerer
Wärmekapazität zu benutzen, d. h. also eine größere, sperrige Speichermasse, so
daß der Hauptvorteil der Regeneratoren, nämlich deren gedrungene Bauart, wieder
verlor engeht.
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Die kleinsten Toträume zwischen Umsteuervorrichtung und Speichermasse
erhält man dadurch, daß man deren Oberfläche selbst zu einer der beiden abdichtenden
Wände der Umsteuervorrichtung macht (Scheiben- und Trommelregeneratoren).
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Die Erfahrung hat gezeigt, daß es kaum möglich ist, eine Speichermasse
mit einerseits feiner Struktur und andererseits großem Temperaturschwankungsbereich
ordnungsgemäß abzudichten. Dies führt dazu, daß man die Speichermasse in trommel-
oder scheibenförmige Rotoren mit radial verlaufenden Trennwänden einsetzt, wodurch
Kammern gebildet werden, die die Speichermasse aufnehmen und deren einzelne Kammern
ständig durch die Dichtungen zwischen der Heißgasseite und der Kaltgasseite bewegt
werden. Heißgasseite und Kaltgasseite sind bei Gasturbinenanlagen gleichzeitig Niederdruck-
bzw. Hochdruckseite des Regenerators.
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Es sind viele Vorschläge für Gleitdichtungen gemacht worden, welche
Dichtungsschuhe benutzen, die am Gehäuse des Regenerators angeordnet sind und auf
der Oberfläche des Rotors gleiten.
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Alle .diese Anordnungen sind so nachteilig, daß bisher eine zufriedenstellende
Lösung nicht gefunden worden ist. Einer dieser Nachteile ist, daß der Zeitraum,
während dessen jede dieser Kammern teilweise oder ganz bedeckt zwischen den Dichtungsschuhen
liegt, nicht kurz genug gehalten werden kann, da die Kammern, durch thermodynamische
Belange bestimmt, nur mit geringer Geschwindigkeit bewegt werden können. Darüber
hinaus müssen die die Kamcnern abdichtenden Dichtungsschuhe am Gehäuse wesentlich
größer gemacht werden, als es die wirksame Dichtungslänge tatsächlich erfordert,
weil jeder Dichtungsschuh wenigstens eine Kammer des Rotors vollkommen bedecken
können muß, damit während des Umlaufes immer eine der radialen Trennwände des Rotors
zwischen zwei gegenüberliegenden Dichtschuhen liegt. Da im allgemeinen vier Paare
von Dichtschuhen vorgesehen sein müssen, damit eine vernünftige Temperatursymmetrie
am Umfang des Rotors erreicht wird, ist der von ihnen. bedeckte Teil des Rotors,
der somit den wärmeaustauschenden Medien versperrt ist, groß, was Verluste mit sich
bringt. Um diese Verluste in vernünftigen Grenzen zu halten, muß die Weite der Kammern
so klein wie möglich gehalten werden, und dadurch wird eine große Zahl von Trennwänden
erforderlich; die Dichtflächen an ihren Enden aufweisen, welche wiederum einen großen
Teil des Rotors für sich beanspruchen und den Aufbau und insbesondere Anordnung,
Dichtung und Auswechseln der Speichermasse erschweren: Da die Anzahl von Trennwänden
begrenzt ist, können die Dichtschuhe nicht weit genug gemacht werden, um mehrere
Kammern des Rotors gleichzeitig zu bedecken. Dies bringt insofern einen weiteren
großen
Nachteil mit sich, als eine Kammer, die in eine Dichtung
von der Hochdruckseite des Regenerators eintritt, dem vollen Druck des hierin befindlichen
Mediums ausgesetzt ist, welcher von unten her auf die Dichtfläche drückt; ein dementsprechend
hoher Gegendruck muß - ausgeübt werden, wenn Gleitdichtungen verwendet werden, damit
die Teile in abdichtender Berührung miteinander bleiben. Dieser Gegendruck, der
größer sein muß als der größte überhaupt auftretende Arbeitsdruck, wirkt auch dann
voll auf die Dichtung und wird nicht kompensiert, wenn die Kammer in Verbindung
mit der Tiefdruckseite kommt, und dies bedingt eine starke Reibung und großen Verschleiß.
Versuche, eine automatische Druckkompensationsvorrichtung für die Dichtung vorzusehen,
haben zu übermäßig komplizierten Dichtungen geführt.
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Ein großer Teil der Undichtigkeiten, wie sie bei Scheiben- und Trommelregeneratoren
auftreten, ist dadurch bedingt, daß die auf den Umfang wirkenden Dichtungen mit
den Dichtungen abschließen müssen, die in einer rechtwinklig zur Drehachse liegenden
Ebene gelegenen Flächen wirken, und da die Dichtungen verschiedenen Temperaturen,
Ausdehnungen und Drücken ausgesetzt sind, treten an diesen Verbindungsstellen Undichtigkeiten
auf. Die hinsichtlich der Verhinderung von Undichtigkeiten überhaupt denkbar beste
Dichtung würde vollkommen runde Konturen haben, aber dies ist bei dieser Regeneratorart
nicht zu erreichen.
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Ein weiterer Nachteil dieser Typen ist der überaus große Verschleiß
bei der Benutzung von Gleitdichtungen.
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Der größte Nachteil dieser Regeneratorart besteht jedoch darin, daß
in den Gehäusen und Rotoren Temperaturdifferenzen und asymmetrische Temperaturverteilungen
auftreten, welche zu Ausdehnungen und Verwindungen Anlaß geben, die die Dichtungen
nicht mitmachen können, ohne gleichzeitig ihre Dichtwirkung zu verlieren.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Wärmeaustauscher der
Regeneratorbauart, der die geschilderten Nachteile weitgehend überwindet. Er unterscheidet
sich von den bekannten Wärmeaustauschern,die aus einer abwechselnd von den die Wärme
tauschenden Fluida durchströmten Speichermasse bestehen, die in einem Gehäuse aufgenommen
ist, vor allem dadurch, daß die Steuerung durch einen Rohrschieber geschieht und
daß die wärmespeichernde Masse, in zwei Teile aufgeteilt, in einem Gehäuse befestigt
ist oder zusammen mit dem Rohrschieber bewegt wird.
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Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher mit einer in seinem
Gehäuse untergebrachten wärmespeichernden Masse, die abwechselnd von den die Wärme
austauschenden Fluida durchströmt wird, und ist dadurch gekennzeichnet, daß ein
Rohrschieber vorgesehen ist, der die Strömung der wärmetauschenden Fluida steuert,
wobei die Speichermasse sich in zwei getrennt voneinander angeordneten Teilen in
dem Gehäuse befindet, das zwei Endbereiche oder -kammern und einen Zwischenbereich
oder -kammer mit jeweils Ein- und Auslässen für die Fluida aufweist, die so zu den
Speichermassenteilen liegen, daß die Verbindung zwischen einem Endbereich und dem
Zwischenbereich durch einen Speichermassenteil geht, und wobei die Strömungsverteilung
so getroffen ist, daß das heiße Fluidum mindestens einem .der Speichermassenteile
durch den Einlaß des Zwischenbereichs zugeführt und gezwungen wird, durch den Speichermassenteil
nach außen zum Endauslaß des Gehäuses zu strömen. während das kalte Fluidum mindestens
einem Teil der Speichermasse durch einen Endeinlaß des Gehäuses zugeführt und gezwungen
wird, in das Gehäuse durch den Speichermassenteil in Richtung auf den Auslaß des
Zwischenbereichs zu strömen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Speichermassenteile
Ringform auf, sind koaxial zueinander und in Richtung ihrer gemeinsamen Achse getrennt
voneinander angeordnet, und auch der Rohrschieber ist koaxial zu den Teilspeichermassen
gelegen. Die Rohrschieberanordnung kann so angeordnet sein, daß der Schieber längs
der mit den Teilspeichermassen gemeinsamen Achse abwechselnd wirkt. Um den Rohrschieber
können ringförmige Kammern angeordnet sein, durch die die Fluida dem Wärmeaustauscher
zu- und abgeführt werden. Diese Kammern sind am Außenumfang durch ein Gehäuse und
am Innenumfang mittels zylindrischer, mit Öffnungen versehener Wände gehalten, die
Dichtflächen bilden. Es können ferner Endkammern vorgesehen sein, denen das zu erhitzende
Fluidum zugeleitet wird, wobei diese Kammern durch den Schieber miteinander in Verbindung
stehen, der zu diesem Zweck als Durchführung für das kalte Fluidum ausgebildet ist.
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Die Erfindung schließt selbstverständlich auch Regenerativ-Wärmeaustauscheranlagen
ein, die aus zwei oder mehr der vorerwähnten Austauschei bestehen. Die Rohrschieber
der einzelnen Wärmeaustauscher können dabei zwecks gleichzeitiger Wirkung miteinander
verbunden sein.
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In den Zeichnungen sind einige Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise
dargestellt; es bedeutet Fig.l eine Ausführungsform der Erfindung im Längsschnitt,
bei der die Speichermasse in einem Rohrschieber mit diesem beweglich angeordnet
ist, Fig. 2 einen Wärmeaustauscher im Schnitt, ähnlich dem nach Fig. 1, mit Mitteln
zum Druckausgleich während des Ortswechsels des Rohrschiebers.
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Fig. 3 und 4 eine Endansicht und einen Längsschnitt durch eine Anordnung,
bei der zwei parallelliegende Rohrschieber in einem gemeinsamen Gehäuse aufgenommen
sind, Fig. 5 einen Teilschnitt durch einen Wärmeaustauscher gemäß Fig. 1 mit einer
Vorrichtung zur Bewegung eines Rohrschiebers, Fig.6 einen Schnitt wie Fig.5 mit
einer elektrischen Antriebsvorrichtung für den Rohrschieber, Fig. 7 einen Schnitt
durch einen Wärmeaustauscher mit einer pneumatischen Antriebseinrichtung für den
Rohrschieber, Fig.8 eine Ausführungsform, bei der Umsteuervorrichtung und Kaltgaseinlaß
auf einer Seite des Wärmeaustauschers liegen, Fig. 9 und 10 die Vereinigung mehrerer
Wärmeaustauscher in einem einzigen Gehäuse im Teilschnitt und in einer teilweisen
Endansicht, Fig. 11 eine teilweise geschnittene Endansicht einer Anordnung, bei
der mehrere Wärmeaustauscher in einem Gehäuse untergebracht sind, beider aber dieses
Gehäuse jeden einzelnen Regen.erator umgibt, Fig.12 einen Schnitt durch einen Wärmeaustauscher
mit Nockenwellenantrieb und Untersetzungsgetriebe für den Antrieb des Rohrschiebers,
Fig.13 eine Endansicht der Anordnung nach Fig. 12, Fig.14 einen Teilschnitt durch
einen Wärmeaustauscher mit einer Vorrichtung zum Abdichten von Rohrschiebern großen
Durchmessers,
Fig. 15 einen Schnitt durch einen Rohrschieber mit
Dichtungsringen, Fig.16 eine abgeänderte Ausführungsform nach Fig. 15, bei der die
Speichermasse konische Form hat, Fig. 17 und 18 eine Wärmeaustauscheranlage mit
Rohrschiebern der in Fig. 15 und 16 gezeigten Art, Fig. 19 einen Schnitt durch einen
Wärmeaustauscher, dessen Speichermassenteile stationär angeordnet sind, Fig. 20
eine Wärmeaustauscheranlage, teilweise im Schnitt, mit senkrecht angeordneten einzelnen
Regeneratoren, Fig. 21 einen Schnitt durch einen Teil eines Wärmeaustauschers mit
Mitteln, um dem Rohrschieber eine Drehbewegung zu erteilen.
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In der folgenden Beschreibung ist lediglich behspielsweise angenommen,
daß der Wärmeaustauscher in eine Gasturbinenanlage eingebaut ist. In diesem Fall
ist das kalte Fluidum Luft, die, nachdem ihr Druck in einem Verdichter erhöht wurde
und ehe sie in die Brennkammer gelangt, erhitzt werden soll. Das heiße Fluidum ist
in diesem Falle das Abgas der Turbine. Die Erfindung ist jedoch keineswegs auf diese
Art der Anwendung beschränkt.
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Das in Fig. 1 dargestellte zylindrische .Gehäuse 1 enthält eine Speichermasse
2, die in einem beweglichen Rohrschieber 3 befestigt ist.
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Der Rohrschieber besteht aus vier gleichen Teilen a, ß,
y und d, deren jeder aus aus einem inneren Zylinder 4 und einem mit diesem
durch eine kegelstumpfförmige Wand 6 verbundenen Zylinder 5 besteht. Alle diese
Teile sind durch ein zentrales Rohr 7 zusammengehalten. Der Rohrschieber ist von
durch das Gehäuse 1 gebildeten Ringkammern A1, Bi, Cl, D, C2, Bz und A2 umgeben,
wobei die #innere Zylinderwand 1 b dieser Kammern mit Öffnungen versehen ist und
die Dichtfläche des Rohrschiebers 3 bildet. Die Speichermasse ist in zwei getrennt
voneinander liegenden Teilen zu jeder Seite der Mittellinie des Gehäuses untergebracht,
die senkrecht zur Längsachse des Gehäuses verläuft. Dabei ist jeder Teil so angeordnet,
daß er einen Abschnitt des Rohrschiebers geringeren Durchmessers umgibt, wie bei
4 dargestellt. Um die Wärmeleitung entlang jeden Speichermassenteils herabzusetzen,
besteht jeder Teil aus zwei Abschnitten, die voneinander durch einen schmalen Luftspalt
getrennt sind.
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Bei der in Fig.1 gezeigten Stellung des Rohrschiebers tritt Luft mit
hohem Druck durch den Einlaß a in einer der Endkappen 8 des Zylinders 1 ein und
von hier in die Kammer Al.
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Außerdem dringt Luft durch das Rohr 7 und tritt in die Kammer A2 ein.
Die durch A1 eindringende Luft strömt durch Öffnungen p in der inneren zylindrischen
Wand 1 b und der äußeren Zylinderwand 5 des Rohrschiebers in die linke Hälfte der
Speichermasse 2. Die Gesamtheit dieser Luft strömt in Richtung auf den Zwischenbereich
des Gehäuses durch die Speichermasse in die Kammer C1 und wird dabei auf ihrem Wege
durch die Speichermasse aufgeheizt. An dieser Stelle sei erwähnt, daß dieser Speichermassenteil
vorher durch Heißgas erhitzt worden ist, wie noch beschrieben wird. Die erhitzte
Luft wird durch einen nicht dargestellten Auslaß in der Kammer Cl abgeführt und
dann in eine Brennkammer geleitet, wo sie vor der Ausdehnung in einer Turbine weitererhitzt
wird. Heißes Abgas aus der Turbine tritt in die im Zwischenbereich gelegene Kammer
D durch einen durch Pfeile gekennzeichneten Einlaß ein. Das heiße Gas dringt in
den rechts gelegenen Speichermassenteil ein und strömt von hier aus nach außen in
die Kammer B2, wo es durch die Speichermasse während ihrer Bewegung gekühlt wird.
Das gekühlte Abgas tritt dann durch einen Auslaß in der Ringkammer B2, wie durch
Pfeile dargestellt, in die Atmosphäre aus.
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In dieser Stellung des Rohrschiebers ist die in die Kammer AZ tretende
Luft festgehalten, bis der Rohrschieber, nachdem eine gewisse Zeit für das Erhitzen
bzw. Abkühlen verstrichen ist, nach rechts in seine in dieser Richtung liegende
Endstellung gebracht worden ist.
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In dieser Stellung wird die in die Kammer Al einströmende Luft festgehalten,
da der Rohrschieber die Öffnungen verschließt, durch die sie in den linken Teil
der Speichermasse eintritt. Die in Kammer A2 eindringende Luft jedoch vermag nun
in den rechten Teil der Speichermasse überzuströmen, durch die sie in die Kammer
C2 gelangt, wo sie in erhitztem Zustand gesammelt und, wie vorher beschrieben, mit
der Brennkammer in Verbindung gebracht wird. Gleichzeitig strömt Heißgas in die
Kammer D ein und fließt durch den linken Teil der Speichermasse in die Kammer Bi
und gelangt von hier nach Abkühlung in der Speichermasse in die Atmosphäre.
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Der Rohrschieber wird in regelmäßigen Zeitabständen von einer Endlage
in die andere gebracht, wobei die für die Wechseloperation erforderliche Zeit unabhängig
von der für die Erwärmung und Abkühlung der Speichermassenteile ist.
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Bei der beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnung steigt die Temperatur
allmählich von den Enden des Wärmeaustauschers gegen dessen Mitte an, so daß in
jedem Querschnitt des Gehäuses nur eine Temperatur herrscht. Dies führt zur Temperatursymmetrie
und bedeutet, daß der Rohrschieber ausreichend gestützt, zentriert und geschmiert
werden kann an den Enden, die relativ kühl sind und wo als Folge hiervon das Spiel
zwischen dem Rohrschieber und dem Zylinder geringer ist als im wärmeren Mittelteil.
Weiterhin bildet der Rohrschieber selbst ein Teil der Kaltgasführung, in dem die
Kühlluft durch das Rohr 7 strömt. Die Führungsteile für die wärmeaustauschenden
Medien können demzufolge sehr einfach gehalten werden, und der Rohrschieber wird
fortlaufend gekühlt.
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Ein anderer Vorteil ist, daß der auf den Rohrschieber durch die Luft
in der Kammer Al ausgeübte-Druck durch die Luft in Kammer A2 ausgeglichen wird.
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Die in der Speichermasse enthaltene, unter Druck stehende Gasmenge
dehnt sich, wenn der Rohrschieber seine Lage wechselt, aus, ohne dabei Arbeit zu
leisten, und dies bedingt die Umsteuerverluste. Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung
können diese Verluste dadurch vermindert werden, daß man in den Trennwänden zwischen
den Ringräumen A und B sowie C und D Gaskanäle in der Form
einzelner Öffnungen oder, wie Fig. 2 zeigt, in der Form ringförmiger Schlitze
w, .x, y, z vorsieht; diese sind z. B. untereinander mit einer Anzahl von
Rohren 14 verbunden, welche über den Umfang verteilt angeordnet sind. Das Ergebnis
ist, daß während des Übergangs, und zwar zu einer Zeit, zu der alle Eintritts- und
Austrittsöffnungen geschlossen sind, die beiden Seiten der Speichermasse für eine
kurze Zeit miteinander in Verbindung stehen, so daß sich der Druck in ihnen auf
einen Durchschnittswert ausgleicht. Wenn eine neue Endstellung erreicht ist, findet
in dem Teil der Speichermasse, der mit der Seite geringen Druckes verbunden ist,
eine Expansion ohne Arbeitsleistung statt, die jedoch nur von diesem Durchschnittsdruckwert
ausgeht, während die mit der Hochdruckseite in Verbindung stehenden Teile der Speichermasse
von
diesem Durchschn.ittsdruckwert ausgehend unter den dort herrschenden hohen Druck
gesetzt werden.
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Ein weiterer Gewinn kann dadurch erzielt werden, daß man getrennte
Verbindungen für die ringförmigen Schlitze w und z, die mit der kalten Seite des
Regenerators in Verbindung stehen, vorsieht und eine entsprechendeVerbindung für
die ringförmigenSchlitzex und y, die mit der heißen Seite in Verbindung stehen.
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Der diesem letzten Teil der Erfindung zugrunde liegende Gedanke kann
besonders vorteilhaft mit Hilfe der in den Fig.3 und 4 gezeigten Anordnung von zwei
Regeneratoren in einem Gehäuse verwirklicht werden. In diesem Fall braucht man nur
kurze, geradlinig verlaufende Gaskanäle w, x, y, z in den die Gasräume
A und B bzw. C und D trennenden und zwischen den beiden Regeneratoren
liegenden Wänden vorzusehen, damitwährend desUmsteuerns ein schneller und sich getrennt
vollziehender Druckausgleich auf der Heißgasseite bzw. der Kaltgasseite sichergestellt
wird.
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Die Umsteuervorrichtung gemäß der Erfindung sorgt für eine schnelle,
räumlich und zeitlich genau definierte Umsteuerung des Rohrschiebers von der einen
Endstellung in die andere, während gleichzeitig die Möglichkeit einer freien Bewegung
und Justierung des Rohrschiebers auf seiner gleitenden Oberfläche so wenig wie möglich
beeinträchtigt wird. Der Antrieb kann dabei hydraulisch, pneumatisch, elektrisch
oder mechanisch erfolgen oder auch mit einer Kombination aus solchen Antrieben oder
einem sonstigen passenden Antrieb.
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In Fig. 5 ist eine pneumatische Umsteuerv orrichtung dargestellt.
Der Steuerkolben 17 ist durch eine zylindrische Stange 15 und durch ein Gitter 16
mit dem Rohrschieber verbunden, das dem Gas eine unbehinderte Strömung durch das
Rohr 7 gestattet. Der Steuerkolben ist so ausgebildet, daß er eine begrenzte Verschiebung
seiner äußeren Oberfläche mit Bezug auf die Stange15 gestattet, durch welcheVerschiebung
der Exzentrizitätsänderung, die durch den Verschleiß des Rohrschiebers bedingt ist,
Rechnung getragen wird. Dies wird z. B. dadurch erreicht, daß man die Außenwand
des Steuerkolbens mit Hilfe zylindrischer Gummikörper 18 an der Stange 15 befestigt,
welche der Stange ausreichend Bewegungsfreiheit lassen und eine passende Dämpfung
sicherstellen, wenn die Endlage erreicht wird. Der Exzentrizität der Speichermasse,
die durch das ursprüngliche Spiel bedingt ist, wird durch passende Justierung des
Steuerzylinders 9 an der Endkappe 8 Rechnung getragen. Der Steuerzylinder ist gegen
den Ringraum A mit Hilfe einer Kolbenringstopfbüchse 19 abgedichtet, deren Packung
in radialerRichtung frei verschieblich ist. Er kann abwechselnd durch einen -der
beiden Anschlüsse 11 mit Preßluft gespeist werden, wodurch der Rohrschieber von
einer Gasseite zur anderen umgesteuert wird.
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In der elektrischen Umsteuervorrichtung, die in Fig. 6 gezeigt ist,
trägt ein zylindrischer Körper 12, der an einem Gitter 16 befestigt ist, an seinem
größten Umfang eine elektromagnetische Spule 20. Eine periodische Umkehr der Polarität
dieser Spule, welche in das magnetische Feld eines Permanentmagneten oder eines
Elektromagneten 21 hineinragt, erzwingt eine gegenläufige Bewegung des Körpers 12
und daher auch des Rohrschiebers.
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Die pneumatische Steuervorrichtung nach Fig.5 kann dadurch vereinfacht
werden, daß die Kolbenringstoptbüchse 19 wegfällt. Wie Fig. 7 zeigt, wirkt in diesem
Fall eine nach außen gerichtete Kraft während des Arbeitsganges dauernd auf den
Steuerkolben 17, deren Größe vom Querschnitt des Kolbens und vom Arbeitsdruck in
den Ringräumen A1 und A2 abhängt. Eine Spiralfeder 22 stellt eine ausreichende Schubkraft
selbst bei geringen Arbeitsdrücken und auch dann sicher, wenn die Anlage in Betrieb
genommen wird. In diesem Falle genügt eine periodische Veränderung des auf die Außenseite
des Steuerkolbens wirkenden Druckes, um den Rohrschieber zu verschieben. Wenn diese
Steueranordnung für verhältnismäßig kleine Anlagen benutzt wird - und für solche
ist sie in erster Linie gedacht -, so ist der Raumbedarf mit Rücksicht auf die größtmögliche
Verschiebung des Steuerkolbens parallel zu seiner Achse so gering, daß der Zylinder
9 starr an der Endkappe 8 befestigt werden kann, und ein starrer Steuerkolben kann
mit Hilfe von Kolbenringen genügend abgedichtet werden, selbst dann, wenn sein Spiel
für die größte Exzentrizität berechnet ist.
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In vielen Fällen kann Raum gespart und die Preßluftleitung dadurch
vereinfacht ,werden, daß man die Steuervorrichtung und den Einlaß für das kalte
Gas zum Regenerator an derselben Seite anordnet. In diesem Fall, der in Fig. 8 dargestellt
ist, wird dasselbe Prinzip wie vorher benutzt, jedoch ist es vorteilhaft, den Steuerkolben
17 feststehend anzuordnen und die Preßluft durch dessen Lager 23 einzuführen und
den Zylinder 9 der Steuervorrichtung am Rohr 7 des Rohrschiebers zu befestigen oder
ihn mit dem letzteren zu vereinigen.
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Eine besonders leichte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers
erhält man durch ein Gehäuse, wie es in den Fig. 7 und 8 dargestellt ist. Die Besonderheit
dieses Gehäuses besteht darin, daß es sich nur über die drei Heißgasringräume Cl,
D, C@ erstreckt und daß eine Büchse 24 an beiden Enden des Gehäuses hervorragt.
Dabei liegen die Ringräume C1 und C2 zu beiden Seiten des Ringraumes D. In
diesem Fall schließen die beiden vorspringenden Enden der Büchse an jeder Seite
hinter einer Reihe von Öffnungen ab, durch die das abgekühlte Gas fließt. An der
Büchse sind die gewölbten Endkappen 8 durch Festklemmen oder Festschrauben befestigt,
welche die Ringräume Al, A2 bilden. Ein Blechmantel 25, welcher den Ringraum B bildet,
ist zwischen den gewölbten Endkappen 8 festgeklemmt.
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Diese Anordnung eignet sich insbesondere dazu, mehrere derartige Regeneratoren
in einem einzigen Gehäuse zusammenzufassen.
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In Fig. 9 und 10 ist eine Anzahl von Rohrschiebern im Ring angeordnet.
Das wärmeabgebende Gas tritt durch die Öffnung d ein und fließt radial nach außen.
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Die Ringräume Cl und C2, die wie bei der Ausführung nach Fig. 7 und
8 zu beiden Seiten des Ringraumes D liegen, sind durch Leitungen 26 miteinander
verbunden. Das erhitzte Gas in den Räumen Cl und C2 kann an irgendeiner, in den
Zeichnungen nicht dargestellten Stelle des Umfangs abgezogen werden.
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Eine Besonderheit dieser Regeneratorart ist es, daß weder die Zahl
noch die Lage der Stellen, an .denen das wärmeaufnehmende Gas nach seiner Erhitzung
abgezogen wird, die Symmetrie der Temperaturverteilung im Gehäuse beeinflußt. Eine
besonders passende Art der Gasentnahme wird dadurch erzielt, daß man Rohrschieber
und Speichermasse in einer der Büchsen 24 wegläßt und nur in den Ebenen der Ringräume
Cl und C2 Öffnungen vorsieht, so daß das erwähnte Heißgas in den Regeneratoren kontinuierlich
in ,diese Büchse strömt und an einer der Endkappen abgezogen werden kann. Für die
Anwendung des
Wärmeaustauschers in Gasturbinenanlagen muß dieses
Gas zusätzlich durch eine oder mehrere Verbrennungskammern erhitzt werden. Die Erfindung
sieht vor, diese Verbrennungskammern im Gehäuse an Stelle eines oder mehrerer Rohrschieber
und ihrer Speichermassen unterzubringen.
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Das Gehäuse 1 ist vorzugsweise vollkommen von einem Blechmantel
25 umgeben, der gleichzeitig zum Sammeln des aus dem Regenerator herausströmenden
wärmeabgebenden Gases dienen kann, welches Gas dann durch den Flansch b abgeleitet
wird. Der Einlaß für das wärmeaufnehmende Gas und die Umsteuervorrichtung in einer
der oben beschriebenen Formen sind mit den Endkappen 8 verbunden, die aus dem Blechmantel
herausragen.
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In den Fällen, in denen verhältnismäßig große Gasmengen zu behandeln
sind, ist es ratsam, das Gehäuse zu unterteilen, und zwar vorzugsweise so, wie dies
in Fig. 11 dargestellt ist. Hier ist das Gehäuse 1 so geformt, daß ein eigener Raum
für jeden Regeneratorkörper gebil'd'et wird, dessen Öffnungen d für das wärmeabgebende
Gas so angeordnet sind, daß sie eine runde Öffnung bilden, an der die das wärmeabgebende
Gas führende Leitung angeschlossen ist. Die abgekühlten wärmeabgebenden Gase sammeln
sich in einem doppelwandigen Raum 27 zwischen dem Blechmantel 25 und dem das Gehäuse
1 umschließenden Blech l a.
Das den Wärmeaustauscher umgebende und
ihn gleichzeitig isolierende Gas wird durch den Flansch b abgezogen. Die Kammern
C1 und C, des Gehäuses sind an ihrem Außenumfang durch biegsame Verbindungen 28
verbunden, so @daß zwei geschlossene Ringleitungen gebildet sind, aus denen das
wärmeaufnehmende Gas an einer passenden Stelle des Umfangs abgezogen wird.
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Als typischen Antrieb für die oben erwähnten Trommelregeneratoren
nach Fig.11 sieht die Erfindung einen Nockenwellenantrieb vor, wie er in den Fig.
1, 2 und 13 gezeigt wird. Eine Nockenscheibe 29 mit einem sich über 180° erstreckenden
Nocken ist koaxial zur Mittellinie des Gehäuses angeordnet. Gegen die Nokkenscheibe
werden Führungsrollen 30 gepreßt, an welchen Stoßstangen 31 befestigt sind. Jede
dieser Stoßstangen 31 ist in einer Endkappe 8 beweglich gelagert, die vom Gehäuse
durch eine Platte 32 abgeschirmt ist, während die Öffnung in der Kappe mit einer
Stopfbüchse 33 abgedichtet ist. Die Stoßstange 31 ist über eine passende Länge seitlich
mit Zähnen versehen, welche in ein Ritzel 34 auf einer Welle 36 eingreifen, zu welchem
Ritzel gleichmittig ein Zahnrad 35 angeordnet ist. Dieses Zahnrad greift in parallele
Rillen auf einer Stange 15 ein, die am Rohr 7 befestigt ist. Eine Spiralfeder 22
(s. Fig. 12), die an der dem Antrieb gegenüberliegenden Seite des Rohrschiebers
vorgesehen ist, die aber auch koaxial zur Stoßstange 31 liegen kann, wirkt zusammen
mit dem vom Arbeitsdruck erzeugten Schub auf die Querschnittfläche der Stoßstange
und hält so .die Führungsrolle 30 auf der Nockenscheibe 29. Die Höhe des Nokkens
auf der Nockenscheibe entspricht der Bewegung des Rohrschiebers unter Berücksichtigung
des Durchmesserverhältnisses zwischen Ritze134 und Zahnrad 35.
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Es kann auch mit einer ungeradenAnzahl vonRohrschiebern in den Anordnungen
nach Fig. 10 und 11 gearbeitet werden, aber so, daß nie zwei Rohrschieber gleichzeitig
betätigt werden, weil dies zu unerwünschten Schwankungen in den Gasströmen führen
kann.
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Im Endergebnis sind bei der beschriebenen Vorrichtung alle Rohrschieber
in der einen Hälfte des Wärmeaustauschers in der einen Endstellung und alle Rohrschieber
in der anderen Hälfte des Wärmeaustauschers in der entgegengesetzten Endstellung.
Die Gasleitungen können dadurch besser ausgenutzt werden, daß man konzentrisch nebeneinander
zwei Nockenscheiben anordnet, deren Nocken gegeneinander versetzt sind und die beide
einen entsprechenden Teil der Steuervorrichtung betätigen.
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Für Rohrschieber verhältnismäßig kleiner Abmessungen ist der Spielraum,
der zur Sicherstellung des ordnungsgemäßen Gleitens in der umgebenden Büchse oder
im Gehäuse notwendig ist, so klein, daß eine ausreichende Abdichtung ohne besondere
Maßnahmen auch dann erreicht wird, wenn die Entfernung zwischen benachbart liegenden
Öffnungenverhältnismäßig gering ist. Die Abdichtung kann jedoch dadurch verbessert
werden, daß man dem Rohrschieber einen Überzug aus einem passenden Schmiermittel
gibt, z. B. eine graphithaltige Paste. Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung
wird die- gleichmäßige Verteilung des Schmier- und Dichtmittelfilms über die Oberfläche
des Rohrschiebers dadurch erreicht, daß man diesen, wie später beschrieben, langsam
dreht.
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Die Verarbeitung größerer Gasmengen bringt es meist mit sich, daß
zwar der Durchmesser, nicht aber notwendigerweise die Länge des Rohrschiebers zunimmt.
Dies bedingt, daß zwar das Spiel im Gehäuse größer sein muß nicht aber die Länge
der abdichtenden Oberfläche. Daher werden bei Rohrschiebern verhältnismäßig großen
Durchmessers spezielle Maßnahmen für die Abdichtung notwendig. Eine wirksame Vorrichtung
zu -diesem Zweck zeigt Fig. 14. Die Besonderheit ist, daß in allen Abdichtebenen
feststehende Abdichtringe 37 vorgesehen sind, deren Innenseite auf dem Schieber
gleitet und die in radialer Richtung in den sie umgebenden Kammern verrückbar sind.
Der Rohrschieber ist durch Büchsen 38 zentriert, die an seinen beiden kalten Enden
vorgesehen sind und in welchen das Rohr 7 gleitet.
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Eine andere brauchbare Methode zum Abdichten der Rohrschieber beruht
auf der Verwendung von Kolbenringen 39, die, wie Fig. 15 und 16 zeigen, im Außenmantel
5 des Rohrschiebers so angeordnet sind, daß ein Paar zwischen je zwei benachbarten
Reihen von Öffnungen in dem umgebenden Gehäuse liegt. Diese Ringe sind vorzugsweise
aus einem selbstschmierenden Stoff gefertigt, oder es werden Metallringe mit Graphiteinlagen
benutzt.
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Wenn Schieber mit glatter zylindrischer Oberfläche benutzt werden,
können deren Öffnungen und die im umgebenden Gehäuse als durchgehende Ringschlitze
ausgeführt werden. Wenn andererseits feststehende, im Gehäuse befestigte Dichtungsringe
benutzt werden, so nehmen die Gasöffnungen im Rohrschieber und -bei der Verwendung
von gleitenden Kolbenringen -die Öffnungen im Gehäuse die Form von runden, rechteckigen
oder dreieckigen Öffnungen an, wobei Ouerbrücken vorhanden sind, an denen entlang
die kingdichtungen gleiten können. Im letzteren Fall ist es vorzuziehen, eine Büchse
zu benutzen, in die sorgfältig abgerundete Öffnungen eingelassen sind und die dann
in das Gehäuse eingepreßt wird. Die Höhe der Öffnungen ist vorzugsweise so bemessen,
daß sie wenigstens das Doppelte der Weite der Öffnungen beträgt, so daß sichergestellt
ist, daß niemals eine direkte Verbindung zwischen den Seiten hohen und niederen
Drucks auftritt. In den Fällen, in denen eine Anlage nur wenige Regeneratoreinheiten
umfaßt, kann die Höhe so bemessen sein, daß sie weniger als das Doppelte der Weite
der Öffnungen beträgt, wodurch die Schwankungen
in der Gasströmung
während des Umsteuerns geglättet werden.
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Wo es sich um die Verarbeitung großer Gasmengen bei hohen Temperaturen
handelt, ist die Gleitfläche gemäß der Erfindung ganz auf einer Durchschnittstemperatur
gehalten und dadurch eine wirksame Schmierung und Abdichtung sichergestellt. Zu
diesem Zweck sind die Ringräume C und D an ihren Innenseiten wärmeisolierend ausgestaltet.
Zusätzlich können analer Außenseite des Gehäuses 1 Kühlrippen oder Kühlmäntel vorgesehen
sein. Darüber hinaus ist die Speichermasse im Rohrschieber so angeordnet, daß nur
eine kleine Wärmemenge in seine Wandungen einfließen kann. Dies wird z. B., wie
in Fig. 15 gezeigt, dadurch erreicht, daß man die Speichermasse in einem dünnwandigen
Zylinder 40 anordnet, der so bemessen ist, daß zwischen ihm und der Schieberwand
5 ein wärmeisolierenderLuftspalt bleibt. WenndieSpeichermasse aus einem System-von
parallel zur Mittellinie verlaufenden Kanälen besteht, so kann sie selbst dadurch
zur Isolation benutzt werden, daß man die in Wandnähe liegenden Kanalreihen gegenüber
dem die Speichermasse verlassenden wärmeaufnehmenden Gas durch Lippen 41 abdichtet.
Die Speichermasse kann, wie in Fig. 16 gezeigt, im Rohrschieber in Form eines Kegelstumpfes
angeordnet werden. Auf diese Weise wird der ganze Teil des Zylindermantels 5, der
als Gleitfläche dient, im niederen Temperaturbereich des Regenerators gehalten.
Der Mittelbereich des Rohrschiebers ist vom Heißgas dadurch geschützt, daß er an
einer Seite isoliert und an der gegenüberliegenden Seite gekühlt ist. Diese Kühlung
wird in einfacher Weise dadurch bewerkstelligt, daß man das mittlere Rohr 7 in der
Mitte unterbricht und zwischen -die beiden Hälften des Rohrschiebers eine Scheibe
42 einführt, welche Kaltluft aus der Bohrung des Rohres 7 in den Raum 43 einleitet,
wodurch der mittlere Gleitteil des Rohrschiebers kalt gehalten wird. Wände 44 und
45, die durch eine isolierende Luftschicht getrennt sind, verhindern den Wärmeübergang
von der Auslaßleitung der wärmeaufnehmenden Gase.
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Die beiden in den Fig. 15 und 16 dargestellten Rohrschieber enthalten
Speichermassen mit völlig verschiedenen Eigenschaften, zeigen aber nur zwei der
fast unbegrenzter- Zahl von geeigneten Formen, welche in dieser Regeneratorart verwendet
werden können. Die Speichermasse in Fig. 15 ist gekennzeichnet durch eine verhältnismäßig
große Tiefe und einen verhältnismäßig kleinen Eintrittsquerschnitt, wie sie für
eine Masse mit geraden, glatten Kanälen zweckmäßig sind, wie sie z. B. bei der Verwendung
von Rohrpaketen oder Wellblechanordnungen vorliegen. Die Speichermasse nach Fig.
16 ist durch eine geringe Tiefe und einen großen Eintrittsquerschnitt gekennzeichnet,
wie sie für eine unregelmäßige, schartige Öffnung aufweisende Speichermasse zweckmäßig
sind, die z. B. durch ein Drahtgeflecht oder durch körnige Packungen, Keramikkörper
od. dgl. gebildet wird.
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Eine weitere wünschenswerte Eigenschaft, die mit der in Fig.15 gezeigten
Anordnung erzielt -,werden kann, ist die Unterteilung der Speichermasse in aufeinanderfolgende
Scheiben, die zwei Vorteile mit sich bringt, nämlich eine Abnahme der Wärmeleitung
entlang der Speichermasse und die Möglichkeit, an der heißen und an der kalten Seite
eines Speichermassenblocks in einfacher Weise verschiedene Materialien zu verwenden
und verschiedene Abmessungen zu wählen.
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Eine Wärmeaustauscheranlage mit Rohrschiebern der beschriebenen Art
ist in den Fig. 17 und 18 gezeigt. Sie besteht aus mehreren parallel zueinander
liegenden Zylindern, von denen jeder zwei Schieber enthält. Das kalte komprimierte
Gas fließt durch Leitungen a in die Anlage ein und verläßt sie in erhitztem Zustand
durch Leitungen c. Das einfließende heiße Gas strömt durch rechteckige Leitungen
d und wird in abgekühltem Zustand durch Leitungen b zum Abzug geleitet.
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Der Teil des der Erfindung zugrunde liegenden Gedankens, der bisher
nur mit Bezug auf einen Regenerator mit beweglicher Speichermasse beschrieben steuert
wird, kann ebenso vorteilhaft bei einem Regeneratoren in der Weise beruht, daß der
Rohrschieber einen heißen Mittelbereich und zwei gekühlte Endbereiche aufweist,
mit deren Hilfe sein: Bewegung gesteuert wird, kann ebenso vorteilhaft bei einem
Regenerator mit feststehender Speichermasse angewendet werden, wie er in Fig. 19
gezeigt ist.
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Im Gehäuse 1 sind zwei feststehende Speichermassen 2 angeordnet, zwischen
denen und an deren Enden je zwei Reihen von Öffnungen p vorgesehen sind. Jeweils
eine dieser Reihen wird :durch den Rohrschieber 46, welcher an dem durch die beiden
Speichermassen hindurchführenden Rohr 7 befestigt ist, verschlossen. Das Rohr 7
trägt an seinen beiden Enden zwei entgegengesetzt gleichartige Schieberkörper 47
und 48, deren Abschlußwände 50 bzw. 51 die Luft in den Räumen A1 und A2 daran hindern,
durch den Rohrschieber in die Speichermasse einzutreten. Die Öffnungen p in dem
Teil des zylindrischen Gehäuses, welcher diesen Rohrschieber umgibt, sind so angeordnet,
daß in einer der Endstellungen das abgekühlte Gas von den Speichermassen zu beiden
Seiten in die Ringräumen Bi und B2 fließen kann, während in der anderen Endstellung
das zu erhitzende Gas aus den beiden Endräumen A1 und A2 gleichzeitig durch beide
Speichermassen fließen und in den Raum C eintreten kann. Bei dieser Anordnung ist
der mittlere Bereich des Schiebers vorzugsweise im Durchmesser größer gehalten als
die Endbereiche, da er der doppelten Gasströmung, und dies bei höherer Temperatur,
ausgesetzt ist. Alle die vorstehend hinsichtlich des Abdichtens, der Verringerung
der Umsteuerverluste, der Wärmeisolation und der anderen Faktoren beschriebenen
Maßnahmen können auch auf diese Regeneratorart angewendet werden.
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Da Regeneratoren dieser Art während einer Periode entweder ganz mit
der Hochdruckseite oder ganz mit der Niederdruckseite verbunden sind, können die
zu einerAnlage gehörigenRegeneratoren derart gesteuert werden, daß den unter niederem
Druck stehenden Gasen ein größerer Querschnitt zur Verfügung steht als den unter
hohem Druck stehenden Gasen. Eine derartige Anordnung ist insbesondere bei großen
Gasturbinenanlagen zweckmäßig, für welche dieseRegeneratorart in erster Linie gedacht
ist, da sie während des größten Teils ihrer Arbeitszeit unter gleichbleibender Belastung
stehen. Ein besonderer Vorteil dieser Art ist es, daß das Verhältnis der mit der
Hochdruck- und der mit der hTiederdruckseite in Verbindung stehenden Regeneratoren
den im Einzelfall vorliegenden Druckverhältnissen ohne Unterbrechung,des Arbeitsvorgangs
ängepaßt werden kann.
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Fig. 20 zeigt eine Wärmeaustauscheranlage mit Regeneratoren dieser
Art, bei welcher selbst die vom Gewicht des Rohrschiebers auf die Gleitflächen ausgeübte
Belastung vermieden ist, und zwar dadurch, daß die Mittellinien der beiden Gruppen,
von denen jede sieben Regeneratoren enthält, senkrecht angeordnet sind. Das heiße
Gas, welches z. B. einer Schiffsgasturbine entstammt, strömt durch rechteckige Flansche
d und sich anschließende Rohre 52, um dann an die zwei
rechts und
links der Rohre 52 angeordneten Gruppen von Speichermassen zu gelangen. Nachdem
es einen Teil seiner Wärme an die acht mit der Niederdruckseite verbundenen Regeneratoren
abgegeben hat, sammelt es sich im Gehäuse 53 und wird zum Abzug 54 geleitet. Das
aus dem Kompressor kommende Frischgas tritt durch den Flansch a in Ringleitungen
55 ein und fließt von dort durch biegsame Verbindungen 56 in die unteren Endkappen
von sechs Regeneratoren, die zu diesem Zeitpunkt mit der Hockdruckseite verbunden
sind, wird dort erhitzt und fließt anschließend in die Leitung 57, von wo aus es
durch die Flansche c zu den Verbrennungskammern geleitet wird. Die Regeneratoren
werden mit Hilfe hydraulischer Zylinder 58, die in ihre unteren Enden eingebaut
sind, umgesteuert.
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Fig. 21 zeigt eine Anordnung, mit deren Hilfe -dem Rohrschieber eine
Drehbewegung erteilt wird. Ein Zylinder 59 ist an der Endkappe 8 angebracht und
enthält an einem seiner Enden eine feststehende Stange 60, deren Achse senkrecht
zur Längsachse des Zylinders verläuft. Im Zylinder 59 gleitet ein Kolben 61 mit
zwei diametral gegenüberliegenden Schlitzen 62, die in einem Winkel zu der Achsrichtung
eingelassen sind, in welcher die Stange 60 gleitet. An der Innenseite des Kolbens
61 sind Zähne 63 vorgesehen, welche in ähnliche Zähne eingreifen, die in die Schlußplatte
64 des Rohres 7 eingelassen sind. Eine Verlängerung 65 des Kolbens 61 greift durch
eine Öffnung in der Abschlußplatte 64 hindurch und weist an seinem inneren Ende
eine Mutter 66 auf, die eine Feder 67 zwischen sich und der Abschlußplatte 64 gepreßt
hält.
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DieWirkungsweise dieserVorrichtung istwie folgt: Wenn der Rohrschieber
in der gezeigten Figur sich nach rechts bewegt, so trennen sich die Zähne.in der
Schlußplatte 64 gegen die Wirkung der Feder 67 von den Zähnen 63 im Kolben 61. Der
Kolben 61 wird ebenfalls nach rechts verschoben, verursacht aber keine Drehbewegung,
da die Zähne 63 nicht mehr mit den Zähnen auf der Abschlußplatte 64 im Eingriff
stehen. Wenn der Rohrschieber nach links verschoben wird, greifen die Zähne ineinander,
und die Bewegung der Schlitze 62 um die feste Stange 60 verursacht eine Drehbewegung
des Kolbens 61.
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Diese leichte Drehbewegung wird dem Rohrschieber erteilt, um vor allem,
wie bereits beschrieben, eine gute Verteilung des Schmiermittels über seine Gleitfläche
zu gewährleisten. Diese Wirkung tritt ein, gleichgültig, ob der Schieber mit Dichtringen
versehen ist oder nicht.