МНОГООТРАЖАТЕЛЬНЫЙ МНОГОСЛОЙНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ СТЕНКИ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАКОГО МНОГООТРАЖАТЕЛЬНОГО МНОГОСЛОЙНОГО КОМПЛЕКСА (ВАРИАНТЫ)
WALL COOLING MULTIREFLECTION LAMINATED COMPLEX AND METHOD OF ITS PRODUCTION (VERSIONS)

Изобретение относится к многоотражательному многослойному комплексу для охлаждения стенки, стенке с многоотражательным многослойным комплексом и способу изготовления многоотражательного многослойного комплекса.
В двигателе внутреннего сгорания, в частности в газовой турбине, имеются высокие рабочие температуры, так что направляющие горячий газ части подвергаются высокой тепловой нагрузке. Если горячий газ при работе газовой турбины достигает температуры, которая лежит выше максимально допустимой рабочей температуры направляющей горячий газ части, то направляющие горячий газ части необходимо охлаждать, чтобы предотвращать их повреждение. Обычно, в газовой турбине направляющие горячий воздух части охлаждаются охлаждающим воздухом, который ответвляется от компрессора газовой турбины. Это приводит к уменьшению коэффициента полезного действия газовой турбины, так что стремятся к возможно меньшему расходу охлаждающего воздуха, за счет чего охлаждающий воздух должен использоваться возможно эффективнее. В настоящее время для достижения возможно высокого коэффициента полезного действия газовой турбины стремятся к снижению наполовину обычного расхода охлаждающего воздуха.
Направляющая горячий газ часть имеет стенку, на которой она на одной своей стороне находится в соприкосновении с горячим газом, а на своей другой стороне охлаждается охлаждающим воздухом. С помощью охлаждающего воздуха со стенки отводится тепловой поток, так что стенка на своей обращенной к горячему газу стороне имеет контактную температуру, которая лежит ниже температуры горячего газа. Известно предусмотрение на противоположной горячему газу стороне стенки пористой структуры, через которую проходит поток охлаждающего воздуха. Пористая структура прилегает к стенке, так что за счет теплопроводности тепло переносится со стенки в пористую структуру. Пористая структура отдает в свою очередь по всему своему объему тепло в охлаждающий воздух, с помощью которого тепло может переноситься из пористой структуры. Такая пористая структура известна, например, из ЕР 1533113.
С помощью пористых структур можно охлаждать, например, концевые стенки лопаток, кольцевые сегменты над рабочими лопатками, переходные стенки и стенки горелок, при этом эти стенки проходят по существу плоско. Поэтому на этих стенках структура должна иметь лишь относительно небольшой объем для обеспечения возможности переноса желаемого потока тепла из стенки в охлаждающий воздух. Кроме того, известно, что стенка может иметь множество отверстий пленочного охлаждения, через которые охлаждающий воздух направляется через стенку в поток горячего газа, за счет чего на лежащей на стороне горячего газа поверхности образуется пленка из охлаждающего воздуха. За счет предусмотрения множества отверстий пленочного охлаждения поток охлаждающего воздуха выходит из пористой структуры в поток горячего газа, так что достигается равномерное прохождение потока через пористую структуру перпендикулярно стенке. Кроме того, за счет предусмотрения отверстий для охлаждающего воздуха может достигаться, что на стороне горячего газа пленочное охлаждение может приближаться к своему идеальному пограничному случаю, а именно к эффузивному охлаждению. За счет этого одновременно образуется оптимально изолирующая тепло пленка из холодного воздуха на расположенной на стороне горячего газа поверхности стенки.
Пористая структура может быть изготовлена, например, из металлической пены, которая на основании обычного процесса ее изготовления имеет лишь случайную структуру с стохастически распределенной шириной пор. Металлическая пена экономична в изготовлении, однако имеет значительные недостатки. Так, в металлической пене поры могут быть частично закрытыми, которые за счет этого имеют слишком малую ширину, так что существует опасность закупоривания этих пор. Кроме того, металлическая пена имеет внутри острые кромки, за счет чего может возникать повышенная потеря давления при прохождении холодного воздуха через металлическую пену. Кроме того, металлическая пена имеет внутри множество примыкающих к порам перемычек, стохастически постоянный диаметр которых является неблагоприятным для переноса тепла. Кроме того, невозможно образование закруглений на стенке в пористой структуре.
Кроме того, известна сконструированная пористая структура, которая, в принципе, может иметь любую оптимальную геометрию. Сконструированная пористая структура может быть изготовлена, например, с помощью процесса изготовления с селективным плавлением или селективным спеканием лазером. Однако эти процессы изготовления имеют тот недостаток, что с их помощью можно изготавливать сконструированную пористую структуру лишь максимально с 6 порами на дюйм и с минимальной толщиной перемычек от 0,6 до 1 мм. Однако эти так изготовленные сконструированные структуры не пригодны для указанных выше плоских, подлежащих охлаждению стенок, поскольку для этого требуются показатели от 40 до 50 пор на дюйм. Кроме того, селективное плавление лазером требует много времени и затрат. Поэтому сконструированная пористая структура для охлаждения, например, концевых стенок лопаток, кольцевых сегментов над рабочими лопатками, переходных стенок и стенок горелок, в том виде, в котором их можно изготавливать в настоящее время, имеет еще значительные недостатки.
На фиг.4 показана сконструированная пористая структура 101. Сконструированная пористая структура 101 имеет поры 102, которые образованы перемычками 103, которые сходятся в узлах 104. Высокий перенос тепла сконструированной пористой структурой 101 основывается на множестве повторяющихся течений у критической точки при прохождении через сконструированную пористую структуру 101 потока охлаждающего воздуха. При этом за счет одних пор 102, которые имеют показанную на фиг.4 форму пирамиды, ускоряется поток охлаждающего воздуха, который ударяется в одну из перемычек 103 или в один из узлов 104, при этом возникает высокий локальный перенос тепла. Оттуда поток охлаждающего воздуха снова ускоряется с помощью следующего отверстия, чтобы ударяться в следующие узлы 104 или перемычки 103. Однако в сконструированной пористой структуре 101 с 6 порами на дюйм имеется слишком небольшое количество течений у критической точки на единицу объема, чтобы обеспечивать в имеющемся ограниченном объеме плоского конструктивного элемента перенос требуемого тепла в охлаждающий воздух. Теплообменную способность пористой структуры 101 можно повысить с увеличением числа ситуаций охлаждения за счет соударения, соответственно, количества пор на дюйм вплоть до экстремального случая, когда весь объем сконструированной пористой структуры 101 состоит лишь из крошечных течений охлаждения за счет столкновений. Проблемой является то, что обычным образом нельзя изготавливать пористую структуру достаточно тонкой.
Задачей изобретения является создание многоотражательного многослойного комплекса для охлаждения стенки, стенки с многоотражательным многослойным комплексом и способа изготовления многоотражательного многослойного комплекса, при этом при прохождении потока через многоотражательный многослойный комплекс создается большое количество потоков охлаждения за счет столкновений, за счет чего с помощью многоотражательного многослойного комплекса обеспечивается возможность эффективного охлаждения стенки.
Многоотражательный многослойный комплекс, согласно изобретению, предназначен для контактирования с поверхностью подлежащей охлаждению стенки плоско и с возможностью теплопроводности и имеет множество перфорированных экранных слоев с множеством выполненных в качестве перфорированных экранов, расположенных с распределением по поверхности перфорированных экранных слоев сквозных отверстий и множество слоев перемычек, которые расположены попеременно друг над другом с перфорированными экранными слоями и имеют каждый множество перемычек, которые расположены с распределением по поверхности перфорированных экранных слоев и перемыкают их, при этом каждая перемычка одного слоя перемычек расположена на одной линии с одной из перемычек других слоев перемычек, и каждое сквозное отверстие одного перфорированного экранного слоя расположено со смещением относительно сквозных отверстий соседних перфорированных экранных слоев так, что когда многоотражательный многослойный комплекс на одной своей плоской стороне нагружается охлаждающей текучей средой, то охлаждающая текучая среда проходит через сквозные отверстия и затем затопляет расположенные между перемычками и перфорированными экранными слоями промежуточные пространства, за счет чего обеспечивается возможность отвода переносимого из стенки в перемычки теплового потока с помощью охлаждающей текучей среды.
Многоотражательный многослойный комплекс имеет также много перфорированных экранных слоев, которые расположены друг над другом и имеют расположенные со смещением относительно друг друга сквозные отверстия. За счет сквозных отверстий обеспечивается возможность перевода охлаждающей текучей среды каскадообразно в течение охлаждения за счет столкновений с соответствующей лежащей ниже плоскостью. Последняя (горячая) или первая (холодная) плоскость представляет стенку, которая может быть значительно толще, чем плоскости охлаждения за счет столкновений. Плоскости соединены друг с другом перемычками, которые выполнены в виде соединительных элементов перфорированных экранных слоев. Через перемычки тепло от подлежащей охлаждению стенки проводится к другим плоскостям, так что течения охлаждения за счет столкновений могут там также отдавать тепло. Для этого перемычки лежат на одной линии друг над другом. Перемычки имеют каждая возможно большую площадь поперечного сечения для того, чтобы коэффициент теплопроводности вдоль перемычек был большим. Однако площади поперечного сечения перемычек выбираются лишь настолько большими, чтобы вызываемые перемычками потери давления в потоке текучей среды и сопровождаемые этим переносы тепла в течениях охлаждения за счет столкновений не были бы слишком большими. Порядок величины площадей поперечного сечения перемычек следует из расстояния между сквозными отверстиями.
С увеличением расстояния до горячей, подлежащей охлаждению стенки уменьшается доля теплового потока, который принимается охлаждающей средой. Тем самым в далеко удаленных от стенки слоях охлаждения за счет столкновений доля теплового потока, который принимается охлаждающей средой, является небольшой. За счет этого достаточно ограничивать толщину многоотражательного многослойного комплекса максимально необходимым размером, так что многоотражательный многослойный комплекс имеет достаточное для заданной теплопроводности и для определенной потери давления количество перфорированных экранных слоев и слоев перемычек. Геометрию многоотражательного многослойного комплекса можно оптимировать относительно его общего переноса тепла и его общей потери давления. Расстояния между перемычками и расстояния между сквозными отверстиями могут быть от менее 1 мм до нескольких сантиметров. Таким образом, многоотражательный многослойный комплекс выполнен в виде экстремального случая выполнения сконструированной пористой структуры, при этом многоотражательный многослойный комплекс имеет высокое геометрическое структурирование.
В многоотражательном многослойном комплексе возникают наряду с течением у критической точки еще другие механизмы переноса тепла. В обычной сконструированной пористой структуре зона течения у критической точки ограничена очень небольшим поперечным сечением, которое образовано зоной затронутых охлаждающей текучей средой структурных элементов. За счет этого становится необходимой указанная выше концентрация возможно большего количества критических точек в единице объема, за счет чего требуется большое количество пор на дюйм пористой структуры. В многоотражательном многослойном комплексе зона высокого переноса тепла у критических точек распространяется на все промежуточное пространство между ограничивающими слоями перемычек. За счет этого расстояние между перемычками и сквозными отверстиями может быть далеко не таким небольшим, как это необходимо в сконструированных пористых структурах с 40-50 порами на дюйм. Дополнительно к этому, за счет столкновений распространяющейся в стороны охлаждающей текучей среды с перемычками образуется завихрение, которое обеспечивает аналогично большой перенос тепла на перемычки и лежащие дальше ниже по потоку поверхности столкновения, чем в самой критической точке. Таким образом, вся внутренняя поверхность многоотражательного многослойного комплекса имеет большой перенос тепла, хотя расстояние между перемычками и сквозными отверстиями может быть намного больше, чем при 40-50 порах на дюйм.
Продольные направления перемычек предпочтительно проходят перпендикулярно слоям перфорированных экранов. Кроме того, перемычки предпочтительно расположены с равномерным распределением по поверхности перфорированных экранных слоев. Сквозные отверстия предпочтительно расположены на одинаковом расстоянии от четырех непосредственно соседних перемычек, и образованное между четырьмя перемычками промежуточное пространство имеет предпочтительно либо в одном слое перфорированных экранов, либо в другом слое перфорированных экранов одно из сквозных отверстий, так что сквозные отверстия расположены с зазором.
Перемычки имеют предпочтительно круговое поперечное сечение. В качестве альтернативного решения, перемычки предпочтительно имеют ланцетовидное поперечное сечение с двумя противоположно лежащими тупыми кромками и двумя противоположно лежащими острыми кромками. Кроме того, на воображаемых, пересекающих острые кромки линиях предпочтительно лежат сквозные отверстия того соседнего перфорированного экранного слоя, через который охлаждающая текучая среда выходит в образованное между четырьмя перемычками промежуточное пространство, когда многоотражательный многослойный комплекс на своей одной плоской стороне нагружается давлением охлаждающей текучей среды. Кроме того, предпочтительно, что на воображаемых, пересекающих тупые кромки линиях лежат сквозные отверстия того соседнего перфорированного экранного слоя, через который охлаждающая текучая среда входит в образованное между четырьмя перемычками промежуточное пространство, когда многоотражательный многослойный комплекс на своей одной плоской стороне нагружается давлением охлаждающей текучей среды. За счет этого достигается равномерное ускорение потока охлаждающей текучей среды между точкой столкновения с тупыми кромками и выходными сквозными отверстиями соответствующей плоскости. Тем самым предотвращается отрыв потока охлаждающей текучей среды, который происходит, например, при перемычках с круговым поперечным сечением позади наиболее узкого поперечного сечения и ниже по потоку значительно уменьшает перенос тепла на лежащую на подветренной стороне поверхность перемычки. Все поточные эффекты, такие как, например, завихрение потока охлаждающей текучей среды в образованных перемычками промежуточных пространствах, остаются, так что ланцетовидное выполнение перемычек является оптимальным для многоотражательного многослойного комплекса.
У сквозных отверстий перфорированные экранные пластины предпочтительно округлены или снабжены фаской. За счет этого уменьшаются потери давления в многоотражательном многослойном комплексе, за счет чего можно уменьшить давление охлаждающей текучей среды, с которым следует нагружать многоотражательный многослойный комплекс. За счет дополнительного округления переходов между пластинами перфорированных экранов и перемычками напряжения в перфорированных экранных пластинах и перемычках предпочтительно распределяются так, что исключаются чрезмерные пики напряжений. Стенка, согласно изобретению, имеет многоотражательный многослойный комплекс, который находится в контакте с поверхностью стенки плоско и с обеспечением теплопроводности. Многоотражательный многослойный комплекс предпочтительно прилегает к стенке одним из слоев с перемычками, и стенка предпочтительно имеет множество сквозных отверстий, так что стенка выполнена в качестве одного из перфорированных экранных слоев. Плотность распределения сквозных отверстий в стене можно предпочтительно выбирать равной плотности распределения сквозных отверстий в перфорированных экранных слоях, так что обеспечивается возможность создания оптимального, направленного перпендикулярно стенке потока. Кроме того, можно оптимально использовать эффузивный охлаждающей эффект при тесно лежащих рядом друг с другом сквозных отверстиях в стенке. Однако плотность распределения отверстий в стене может отличаться от плотности распределения отверстий в перфорированных экранных пластинах.
Способ, согласно изобретению, изготовления многоотражательного многослойного комплекса имеет стадию:
печатания друг на друге отдельных слоев многоотражательного многослойного комплекса способом трафаретной печати, при этом для каждых двух перфорированных экранных слоев и одного слоя перемычек создается один трафарет, через который продавливается паста. Паста предпочтительно имеет металлический порошок и связующее вещество. Многоотражательный многослойный комплекс предпочтительно подвергают спеканию. Толщина перфорированных экранных пластин предпочтительно имеет тот же порядок величины, что и толщина слоев перемычек. Кроме того, предпочтительно, что трафарет изготавливают из металлической фольги фотохимическим способом. В способе трафаретной печати отдельные слои многоотражательного многослойного комплекса печатают друг на друге, при этом для каждого слоя (в целом двух перфорированных экранных слоев и одного слоя перемычек) создают один трафарет. При самой печати для каждого слоя через поры трафарета выдавливают пасту, состоящую из металлического порошка и связующего вещества, которую затем предпочтительно в виде единого целого подвергают спеканию. Если известны параметры процесса, такие как, например, состав, время высыхания и величина усадки, то процесс можно экономично выполнять большими сериями.
В качестве альтернативного решения, другой способ, согласно изобретению, изготовления многоотражательного многослойного комплекса имеет стадии:
предварительного изготовления блоков многоотражательного многослойного комплекса из слоев с постоянным поперечным сечением; предварительной сушки и штабелирования друг на друге блоков. При этом предпочтительно многоотражательный многослойный комплекс подвергают спеканию. Толщина перфорированных экранных пластин предпочтительно имеет одинаковый порядок величины с толщиной слоев перемычек. При предварительном изготовлении блоков многоотражательного многослойного комплекса их предварительно сушат и точно штабелируют друг на друге и затем соединяют друг с другом в процессе спекания. Основой высокой точности изготовления многоотражательного многослойного комплекса является высокоточное изготовление форм для блоков. Формы изготавливают, например, фотохимическим способом, который применяют для отдельных слоев форм, которые изготавливают из металлической фольги.
Кроме того, в качестве альтернативного решения, другой способ, согласно изобретению, изготовления многоотражательного многослойного комплекса имеет стадии:
создания слоев перфорированных пластин и слоев перемычек из тонкой металлической фольги; штабелирования слоев металлической фольги с образованием многоотражательного многослойного комплекса; соединения слоев металлической фольги с помощью "transient liquid phase bonding" (соединения с переходной жидкой фазой). Тем самым слои металлической фольги штабелируют непосредственно друг на друге и соединяют с помощью соединения с переходной жидкой фазой, при этом слои металлической фольги фотохимическим способом формируют в отдельные слои позитива многоотражательного многослойного комплекса.
Если величина прямоугольной координатной сетки перемычек и сквозных отверстий составляет порядка до 1 мм, то предпочтительно можно применять способ трафаретной печати. Однако при больших расстояниях между перемычками существует опасность, что печатаемая с нависанием пленка может разрываться. Однако способ изготовления многоотражательного многослойного комплекса с предварительно изготовленными блоками из предварительно высушенного материала из спекаемого вещества и связующего вещества можно использовать для размера прямоугольной координатной сетки перемычек и сквозных отверстий, который составляет 10 мм и больше. Соединение с переходной жидкой фазой отдельных слоев металлической фольги можно использовать при величине прямоугольной координатной сетки более 10 мм.
Ниже приводится пояснение предпочтительных вариантов выполнения многоотражательного многослойного комплекса, согласно изобретению, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично изображено:
фиг.1 и 3 - первый вариант выполнения многоотражательного многослойного комплекса, согласно изобретению, в изометрической проекции;
фиг.2 - поперечный разрез на виде сверху второго варианта выполнения многоотражательного многослойного комплекса, согласно изобретению;
фиг.4 - обычная сконструированная пористая структура в изометрической проекции.
Как показано на фиг.1-3, многоотражательный многослойный комплекс имеет множество перфорированных экранных слоев 2, в которых предусмотрено множество сквозных отверстий 3 согласно прямоугольной координатной сетке. Через сквозные отверстия 3 проходит поток охлаждающей текучей среды, так что сквозные отверстия имеют каждое входную сторону 4 и выходную сторону 5.
Кроме того, многоотражательный многослойный комплекс 1 имеет множество слоев 6 перемычек, которые расположены каждый между двумя соседними перфорированными экранными слоями 2, так что многоотражательный многослойный комплекс 1 имеет образованную из перфорированных экранных слоев 2 и слоев 6 перемычек многослойную структуру. Слои 6 перемычек образованы из множества перемычек 7, которые также расположены в растре аналогично сквозным отверстиям 3 и проходят своими продольными направлениями перпендикулярно перфорированным экранным слоям 2. За счет этого с помощью перемычки 7 перекрывается расстояние между двумя соседними слоями 2 перфорированных экранов, так что тепло из слоя 2 перфорированных экранов может передаваться через перемычку 7 в другой перфорированный экранный слой 2.
Между соседними перемычками 7 в одном из слоев 6 перемычек образовано промежуточное пространство 8, в которое входит либо входная сторона 4 одного из сквозных отверстий 3, либо выходная сторона 5 одного из сквозных отверстий 3. За счет этого сквозные отверстия 3 расположены с зазором.
Перемычки 7 одного слоя 6 перемычек расположены каждая на одной линии с непосредственно соседними перемычками других слоев перемычек, при этом перемычки 7 в показанном первом варианте выполнения многоотражательного многослойного комплекса, согласно изобретению, имеют каждая круговое поперечное сечение 9. В противоположность этому, перемычки 7 в показанном на фиг.2 втором варианте выполнения многоотражательного многослойного комплекса, согласно изобретению, имеют ланцетовидное поперечное сечение, которое образовано двумя противоположными друг другу острыми кромками 11 и двумя противоположными друг другу тупыми кромками 12, при этом острые кромки 11 и тупые кромки 12 при прохождении по краю ланцетовидного поперечного сечения 10 расположены попеременно друг с другом. На воображаемой линии, которая пересекает обе острые кромки 11 ланцетовидного поперечного сечения 10 одной из перемычек 7, лежат относительно промежуточного пространства 8 сквозные отверстия 3 своими обращенными к промежуточному пространству 8 выходными сторонами 5. Аналогичным образом, на воображаемой линии, которая проходит через тупые кромки 12 ланцетовидных поперечных сечений 10 перемычек 7, лежат обращенные к промежуточному пространству 8 входные стороны 4 сквозных отверстий 3.
На фиг.1 и 3 внизу предусмотрена находящаяся в контакте по поверхности и с обеспечением теплопроводности с подлежащей охлаждению стенкой плоская сторона 17 многоотражательного многослойного комплекса 1. Противоположно этой плоской стороне 17 на многоотражательном многослойном комплексе 1 предусмотрена нагружаемая давлением охлаждающей среды плоская сторона 16. Поток охлаждающей среды проходит через сквозные отверстия 3 и входит на выходной стороне 5 в одно из промежуточных пространств 8 основным потоком 13. За счет того что диаметр сквозных отверстий 3 меньше ширины промежуточных пространств 8, в промежуточном пространстве 8 возникает завихрение 14 охлаждающей текучей среды. После этого возникает поперечный поток 14, который проходит от точки столкновения основного потока 13 с перфорированным экранным слоем 2 к входным отверстиям 4 расположенных со смещением в следующей плоскости сквозных отверстий 3. Охлаждающая текучая среда после этого выходит на входной стороне 4 сквозного отверстия 3 из промежуточного пространства 8 снова в качестве основного потока 13 и попадает через выходную сторону 5 сквозного отверстия 3 в лежащее ниже промежуточное пространство 8. Противоположно основному потоку 13 возникает передаваемый через перемычки 7 из стены тепловой поток 15. Тепловой поток 15 передается, при рассматривании в направлении основного потока 13, из промежуточного пространства 8 в промежуточное пространство 8 посредством конвективного переноса тепла в охлаждающую текучую среду, так что обеспечивается возможность охлаждения стены с помощью охлаждающей текучей среды, дополнительно к этому тепловой поток, который входит в каждый перфорированный экранный слой 2, частично принимается из охлаждающей текучей среды падающим перпендикулярно на перфорированный экранный слой 2 основным потоком 13. Таким образом, в целом происходит охлаждение многоотражательного многослойного комплекса 1 посредством комбинации из охлаждения за счет столкновения и конвективного охлаждения на конфигурации игольчатого типа.