УСТРОЙСТВО С ТЕПЛОЗАЩИТНЫМ ЭКРАНОМ, КАМЕРА СГОРАНИЯ И ГАЗОВАЯ ТУРБИНА
DEVICE WITH HEAT-INSULATING SCREEN, COMBUSTION CHAMBER AND GAS TURBINE

Изобретение относится к устройству с теплозащитным экраном, состоящему из несущей конструкции и закрепленного на ней теплозащитного экрана с прилегающей к несущей конструкции, огибающей боковой стенкой, причем боковая стенка, по меньшей мере, на отдельных участках имеет паз, а также с обращенным к несущей конструкции внутренним пространством и образованными пазом и боковой стенкой кромками паза. Кроме того, изобретение относится к камере сгорания, содержащей узел теплозащитного экрана, а также к газовой турбине с такой камерой сгорания.
Из-за высоких температур, господствующих в каналах или других камерах для горячего газа, требуется выполнить внутреннюю стенку канала для горячего газа как можно более температуростойкой. Для этого подходят высокожаропрочные материалы, например керамические. Недостаток керамических материалов заключается как в их сильной хрупкости, так и в неблагоприятной теплопроводящей характеристике. В качестве альтернативы керамическим материалам для теплозащитных экранов подходят высокожаропрочные металлические сплавы на основе железа, никеля или кобальта. Поскольку, однако, температура применения высокожаропрочных металлических сплавов заметно ниже температуры горячего газа, требуется охлаждение металлических теплозащитных экранов в каналах для горячего газа.
В US 6470685 B2 раскрыто устройство с первым теплозащитным экраном и соседним с ним, расположенным с образованием щели вторым теплозащитным экраном. Отдельные теплозащитные экраны размещены на несущей конструкции, так что образуются внутренние пространства. На стороне горячей стенки одного теплозащитного экрана размещено большое число направленных во внутреннее пространство стержней, которые обеспечивают лучшее охлаждение теплозащитного экрана из внутреннего пространства. Боковые стенки теплозащитных экранов удлинены дополнительным элементом, т.е. боковые стенки прилегают непосредственно к несущей конструкции. Для обеспечения выхода воздуха из внутреннего пространства в боковых стенках выполнены охлаждающие отверстия.
В GB 2298266 A раскрыто устройство с накладывающимися друг на друга концевыми участками теплозащитными экранами. Оно образует, тем самым, полное перекрытие защищаемой стенки от горячего газа. По меньшей мере, одна боковая стенка каждого теплозащитного экрана, по меньшей мере, в одной точке контакта прилегает непосредственно к несущей конструкции. Чтобы обеспечить выход воздуха, как в горячей стороне теплозащитных экранов, так и в боковых стенках выполнены охлаждающие отверстия.
В EP 1507116 A1 раскрыто устройство, содержащее несколько расположенных рядом друг с другом на несущей конструкции с образованием щели теплозащитных экранов, причем один или каждый теплозащитный экран размещен на несущей конструкции, в результате чего образуется внутреннее пространство. Для допустимого в отношении теплового расширения и стойкого к возникающим механическим нагрузкам в камере сгорания закрепления теплозащитных экранов боковые стенки не прилегают непосредственно к несущей конструкции, соединены с ней через соответствующее уплотнение. Уплотнительный элемент примыкает непосредственно к боковой стенке, т.е. создает непосредственное удлинение этой боковой стенки. Удлиненная таким образом боковая стенка прилегает к несущей конструкции. Уплотнительный элемент выполняет при этом как уплотняющую функцию для охлаждающего средства, так и механическую демпфирующую функцию для устройства с теплозащитными экранами. Для выхода охлаждающего средства из внутреннего пространства предусмотрен выпускной канал, впадающий в щель.
Резюмируя вышесказанное, можно констатировать, что в основе известных теплозащитных экранов лежит тот принцип, что стенки теплозащитных экранов при монтаже последних прилегают непосредственно к несущей конструкции. Для охлаждения теплозащитных экранов имеются охлаждающие отверстия, ведущие от внутреннего пространства теплозащитного экрана в камеру сгорания. Чтобы уплотнить щель между соседними устройствами с теплозащитными экранами от горячего газа, охлаждающее средство полностью или частично направляется через охлаждающие отверстия в эту щель.
Принципиально общим для описанных устройств является то, что для камеры сгорания и ее облицовки в качестве охлаждающего средства используется воздух компрессора. Охлаждающее средство попадает в камеру сгорания, не принимая участия в горении. Известно, что расход охлаждающего средства негативно сказывается на к.п.д. и создает более высокие эмиссионные показатели за счет требуемой более высокой настройки температуры пламени. Таким образом, в основе устройств с теплозащитными экранами лежит цель, заключающаяся в максимальном снижении расхода охлаждающего средства.
Задачей изобретения является создание усовершенствованного в отношении эффективности охлаждения устройства с теплозащитным экраном, которое отличалось бы повышенным к.п.д. Устройство должно использоваться в камере сгорания газовой турбины.
Эта задача решается, согласно изобретению, посредством устройства с теплозащитным экраном, состоящего из несущей конструкции и закрепленного на ней теплозащитного экрана с прилегающей к несущей конструкции, огибающей боковой стенкой, причем боковая стенка, по меньшей мере, на отдельных участках имеет паз, а также с обращенным к несущей конструкции внутренним пространством и образованными пазом и боковой стенкой кромками паза, причем паз охватывает уплотнение, по меньшей мере, с двумя противоположными кромками, которое расположено натягом в пазу таким образом, что при монтаже теплозащитного экрана на несущей конструкции, по меньшей мере, две противоположные кромки уплотнения загибаются на кромки паза, что обеспечивает обкат уплотнения по несущей конструкции, а это, в свою очередь, обеспечивает ее уплотняющую функцию также при эксплуатации.
Изобретение исходит из того наблюдения, что при требуемых для горения высоких температурах у описанных выше теплозащитных экранов возникают термически обусловленные деформации таким образом, что углы теплозащитных экранов прижимаются к несущей конструкции. Середина горячей стороны теплозащитных экранов выгибается. Прилегающие к несущей конструкции отдельные стороны теплозащитных экранов, образующие боковую стенку, также выгибаются от несущей конструкции, а именно таким образом, что середина сторон отстоит от несущей конструкции с термически обусловленной щелью. Плотно прилегающие к несущей конструкции в холодном состоянии стороны теплозащитных экранов имеют щель. При обычной длине кромок 200 мм она может составлять обычно до 2,0 мм. Однако за счет этой термически обусловленной щели происходит неконтролируемый увеличенный выход охлаждающего средства, а это приводит к тому, что в случае нескольких расположенных рядом друг с другом теплозащитных экранов щели между ними недостаточно термически закрываются от проникновения в них горячего газа. Это приводит к заметно большему расходу охлаждающего средства, чем потребовалось бы для задач охлаждения и закрывания щели. Повышенный расход охлаждающего средства приводит, однако, к снижению к.п.д. До сих пор, если было желательно компенсировать это снижение к.п.д., повышалась температура пламени и, тем самым, температура горячего газа, в результате чего приходилось считаться с повышенным выбросом NOx.
Исходя из этого факта, с помощью предложенного устройства с теплозащитными экранами удалось избежать нежелательных потерь охлаждающего средства и вследствие этого нежелательного снижения к.п.д. Для этого в пазу размещается уплотнение. Оно натягивается, так что обе кромки расходятся от несущей стороны. При монтаже теплозащитных экранов над уплотнением эти кромки прижимаются к кромкам паза, т.е. сгибаются к боковой стенке теплозащитного экрана. Уплотняющая функция обеспечивается, так сказать, за счет натяжения уплотнения кромками паза, поскольку кромки паза удерживают уплотнение в его нужном положении. За счет формы натяженного таким образом уплотнения оно обкатывается по всей несущей конструкции. В результате обката уплотнение оптимально прижимается к несущей конструкции, т.е. по всей длине боковых стенок, к которым прилегает несущая конструкция. Термически обусловленная щель противодействует термической деформации, как это произошло бы при возникновении градиента температуры с ненатяженным уплотнением. В эксплуатационном состоянии теплозащитный экран выгибается. В этом состоянии в контакте с несущей конструкцией остаются только четыре угла теплозащитного экрана. В результате этого уплотнение в критическом эксплуатационном состоянии удерживается кромками паза, т.е. остается в своем заданном нужном положении. Следовательно, это обеспечивает корректную посадку уплотнения во всех эксплуатационных состояниях, а функция уплотнения, тем самым, сохраняется. Таким образом, уплотнение может оптимально выполнять свою функцию, поскольку оно всегда остается в нужном положении.
При этом в качестве охлаждающего средства обычно используется охлаждающий воздух, полностью или частично отбираемый у компрессора, подключенного к камере сгорания. За счет сбережения охлаждающего средства для горения имеется больше воздуха компрессора, что положительно сказывается на объемном расходе. Передозировка охлаждающего средства приводит, поэтому к снижению к.п.д. Повышенное количество охлаждающего средства вызывает также неблагоприятные температуры в камере сгорания. Это компенсируется повышенной установкой пламени, что приводит к повышенному выбросу NOx. Благодаря изобретению предотвращается передозировка охлаждающего средства для охлаждения устройство с теплозащитными экранами и закрывания щели между соседними устройствами.
Предпочтительно уплотнение полностью помещено в паз. Таким образом, уплотнение натягивается с особенно надежной защитой от скольжения.
В предпочтительном выполнении уплотнение представляет собой эластичную сгибающуюся ленту. Она может быть особенно хорошо натяжена и помещена в паз, а также легко изготавливается. В качестве альтернативы лента может также иметь форму трубки.
Предпочтительно уплотнение изготовлено из металла или металлического сплава. Оно является тогда особенно жаро- и температуростойким.
В предпочтительном варианте паз выполнен огибающим всю боковую стенку. В качестве альтернативы паз расположен отдельными участками по всей боковой стенке. Это решение может быть принято в зависимости от вида теплозащитного экрана и факторов его изготовления.
Особенно предпочтительно уплотнение имеет за счет натяжения радиус изгиба. При этом в случае плоских или выпуклых уплотняемых поверхностей, радиус изгиба уплотнения меньше радиуса уплотняемой поверхности, а в случае вогнутых уплотняемых поверхностей радиус изгиба уплотнения больше радиуса уплотняемой поверхности.
Кроме того, задача изобретения решается посредством газовой турбины с камерой сгорания, а также посредством камеры сгорания с несущей конструкцией, при этом камера сгорания содержит устройство с теплозащитным экраном.
Ниже изобретение более подробно поясняется на примере его осуществления со ссылкой на чертежи.
На них в упрощенном виде и не в масштабе изображают:
- фиг.1: вид сбоку устройства с теплозащитным экраном;
- фиг.2: сечение устройства с теплозащитным экраном с пазом без уплотнения;
- фиг.3: вид сверху в разрезе на теплозащитный экран с пазом;
- фиг.4: схематичный вид сбоку в разрезе устройства с теплозащитным экраном и с уплотнением (плоская несущая конструкция);
- фиг.5: схематичный вид сбоку в разрезе устройства с теплозащитным экраном и с уплотнением (выпуклая несущая конструкция);
- фиг.6: схематичный вид сбоку в разрезе устройства с теплозащитным экраном и с уплотнением (вогнутая несущая конструкция);
- фиг.7: схематично силы, действующие на теплозащитный экран и уплотнение при работе.
Одинаковые детали обозначены на всех фигурах одинаковыми ссылочными позициями.
Газовая турбина содержит предвключенный компрессор для воздуха для горения, промежуточную камеру сгорания и турбину для привода компрессора и генератора или рабочей машины (не показано).
Посредством лопаток одной или нескольких ступеней компрессора сжимается в большинстве случаев воздух, который затем смешивается в камере сгорания с газообразным и/или жидким топливом, после чего смесь воспламеняется и сжигается. Кроме того, воздух или другое охлаждающее средство может использоваться для охлаждения. Таким образом, возникает горячий газ, который в следующей части турбины расширяется, термически преобразуясь в механическую энергию. При этом камера сгорания содержит несущую конструкцию, на которой закреплены устройства с теплозащитными экранами.
На фиг.1 изображен пример устройства 1 с теплозащитным экраном во время термической деформации в соответствии с уровнем техники. Устройство 1 содержит несущую конструкцию 2 и теплозащитный экран 3 с горячей стороной 5. Боковая стенка 4 наклонена к горячей стороне 5. Устройство 1 образует внутреннее пространство 10, которое со стороны несущей конструкции 2 снабжается по подающим каналам 15 охлаждающим средством 14, преимущественно охлаждающим воздухом, отбираемым у компрессора. При высоких термических нагрузках, возникающих, в частности, в камерах сгорания газовых турбин, на горячей стороне 5 и на соответствующих сторонах 4 возникает термически обусловленный выгиб 12. Вследствие этого у теплозащитного экрана 3 между несущей конструкцией 2 и боковой стенкой 4 возникает термически обусловленная щель 13. Через нее охлаждающее средство 14 беспрепятственно проникает в камеру сгорания.
На фиг.2 изображено устройство 1 на несущей конструкции 2 с пазом 7 и кромками паза. При этом паз 7 может быть выполнен огибающим боковую стенку 4 или на ее отдельных участках.
На фиг.3 изображен вид сверху в разрезе на теплозащитный экран с пазом 7. Кромки 16 паза 7 образованы им и боковой стенкой 4. При термической нагрузке углы 22 теплозащитного экрана остаются на несущей конструкции 2, тогда как середины боковых стенок 4 выгибаются так, что они открывают щель 13, через которую может выходить охлаждающее средство 14.
На фиг.4 изображен схематичный вид сбоку в разрезе устройства с уплотнением 6 (плоская несущая конструкция). Паз 7 имеет кромки 16. Уплотнение 6 имеет кромки 8 (концы). Уплотнение 6 с кромками 8 помещается в паз 7. Чтобы уплотнение 6 размещалось соответственно посередине боковых стенок 4, оно имеет такую форму, что его кромки 8 направлены вверх к кромкам 16 паза. При монтаже теплозащитного экрана 3 над уплотнением 6 его кромки 8 прижимаются к кромкам 16 паза, т.е. сгибаются к боковой стенке 4. Таким образом, уплотнение натягивается в пазу 7. За счет натяжения уплотнение 6 имеет радиус изгиба 20.
Для осуществления такого натяжения в случае плоских (фиг.4) или выпуклых (фиг.5) уплотняемых поверхностей радиус изгиба 20 уплотнения 6 меньше радиуса уплотняемой поверхности. В случае вогнутых уплотняемых поверхностей (фиг.6) радиус изгиба 20 уплотнения 6 больше радиуса уплотняемой поверхности. Поэтому за счет своей формы уплотнение обкатывается по несущей конструкции 2. За счет обката уплотнение 6 по всей длине паза 7 прижимается к несущей конструкции 2.
При работе теплозащитный экран 3 выгибается. В этом состоянии он имеет контакт с несущей конструкцией 2, в основном, только на углах 22.
При таком натяженном уплотнении термически обусловленная щель 13 оптимально закрыта. За счет натяжения уплотнение 6 при работе, т.е. при нагружении температурой, не выгибается, как это произошло бы, например, с ненатяженной деталью. Поскольку теплозащитный экран 3 в любом эксплуатационном состоянии имеет контакт с несущей конструкцией 2 на углах 22, это обеспечивает корректную посадку в любом из эксплуатационных состояний. Таким образом, уплотнение 6 всегда остается в своем заданном нужном положении и поэтому может оптимально выполнять свою уплотняющую функцию.
Уплотнение может состоять, например, из тонкой согнутой металлической полосы или тонкой согнутой металлической трубки.
На фиг.7 схематично изображены силы, действующие на теплозащитный экран 3 и уплотнение 6 при эксплуатации. Сила F действует на углы 22 теплозащитного экрана и прижимает их к несущей конструкции 2. Уплотнение 6 обкатывается по несущей конструкции 2. Натяжение обеспечивает неподвижное нужное положение уплотнения 6 во всех эксплуатационных условиях.