ТЕПЛОЗАЩИТНЫЙ ЭКРАН С НЕСУЩЕЙ СТРУКТУРОЙ И СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СТРУКТУРЫ
HEAT SHIELD WITH CARRYING STRUCTURE AND METHOD OF CARRYING STRUCTURE COOLING

Изобретение относится к теплозащитному экрану с несущей структурой и способу охлаждения несущей структуры теплозащитного экрана.
Изобретение относится также к камере сгорания с таким теплозащитным экраном и к газовой турбине.
Во многих технических применениях используются теплозащитные экраны, которые должны противостоять нагретым от 1000 до 1600°C газам. В частности, газовые турбины, находящие применение в вырабатывающих электроэнергию электростанциях и в авиационных двигателях, имеют соответственно большие экранируемые теплозащитными экранами поверхности внутри камер сгорания. Из-за теплового расширения и из-за больших габаритных размеров теплозащитный экран должен состоять из множества отдельных, в целом, керамических брусков теплозащитного экрана, фиксированных на несущей структуре на некотором расстоянии друг от друга с достаточной щелью. Эта щель предоставляет достаточное для теплового расширения пространство элементам теплозащитного экрана. Однако, поскольку щель обеспечивает также непосредственный контакт горячих газообразных продуктов сгорания с металлической несущей структурой и с удерживающими элементами, в качестве контрмеры, через щель в направлении камеры сгорания подают холодный воздух.
Таким образом, известный теплозащитный экран содержит несущую структуру и некоторое количество брусков теплозащитного экрана, фиксированных с возможностью разъединения в несущей структуре посредством держателей бруска, причем каждый брусок теплозащитного экрана имеет обращенную к несущей структуре холодную сторону и противоположную к холодной стороне, нагружаемую горячей средой горячую сторону. Каждый из держателей бруска имеет, по меньшей мере, один удерживающий участок для закрепления на бруске теплозащитного экрана и участок крепления с возможностью фиксации на несущей структуре. Участок крепления может крепиться к проходящему в несущей структуре крепежному пазу. Для защиты от нагретых газов в несущей структуре имеется, по меньшей мере, одно сверление для холодного воздуха.
Для крепления держателей бруска на несущей структуре, в ней могут быть предусмотрены охватывающие по окружности и параллельные крепежные пазы. В этом случае держатели бруска задвигают поочередно своими участками крепления в крепежные пазы, причем последующие держатели бруска блокируют положение прежде позиционированных держателей бруска. Вследствие этого охватывающий по окружности ряд брусков теплозащитного экрана может фиксироваться на несущей структуре внутри камеры сгорания газовой турбины.
Из публикации EP 701095 AI известен теплозащитный экран камеры сгорания газовой турбины с несущей структурой и с несколькими расположенными с возможностью разъединения на несущей структуре брусками теплозащитного экрана. Для защиты стенки камеры сгорания бруски теплозащитного экрана расположены, закрывая всю поверхность и оставляя щели для расширения на несущей структуре, причем каждый брусок теплозащитного экрана имеет обращенную к несущей структуре холодную сторону и противоположную холодной стороне нагружаемую горячей средой - горячую сторону. Бруски теплозащитного экрана фиксированы при помощи соответственно двух металлических держателей бруска на несущей структуре. Для этого каждый держатель бруска содержит удерживающий участок в виде участка зацепления и участок крепления. В каждом бруске теплозащитного экрана на двух противоположных сторонах по периферии выполнены пазы или вырезы для фиксации, поэтому для удерживания бруска теплозащитного экрана участки зацепления держателей бруска могут входить в зацепление с расположенными напротив пазами для фиксации. Таким образом противоположно фиксированные к бруску теплозащитного экрана держатели бруска проводятся своим участком крепления в проходящий ниже бруска теплозащитного экрана крепежный паз в несущей структуре. Для защиты от нагретых газов участки зацепления металлических держателей бруска охлаждают. Для этого в держателях бруска в области удерживающего участка и в удерживающих фиксаторах брусков теплозащитного экрана выполнены отверстия, располагающиеся на одной прямой с расположенным в несущей структуре сверлением для холодного воздуха, поэтому холодный воздух, протекая из сверления для холодного воздуха по прямой линии, ударяется в холодную сторону участка зацепления.
Несмотря на такое известное охлаждение участков зацепления, согласно уровню техники, при подводе к теплозащитному экрану горячего газа может происходить втягивание горячего газа на участке щелей для расширения между брусками теплозащитного экрана. Затем горячий газ может распространяться ниже теплозащитного экрана и приводить к окалинообразованию несущей структуры.
Поэтому задача предложенного изобретения состоит в создании теплозащитного экрана с несущей структурой, газовой турбины с камерой сгорания с таким теплозащитным экраном и способ охлаждения несущей структуры, посредством которого можно особенно эффективно предотвращать окалинообразование несущей структуры вследствие втягивания горячего газа.
Задача решается согласно изобретению теплозащитным экраном прежде указанного вида посредством того, что дополнительно к крепежным пазам на несущей структуре расположен, по меньшей мере, один паз для холодного воздуха. Паз для холодного воздуха частично перекрыт, по меньшей мере, у фиксированных на несущей структуре брусков теплозащитного экрана в продольном направлении паза для холодного воздуха так, что образуется участок паза в виде канала, в который впадает, по меньшей мере, один канал холодного воздуха, поэтому холодный воздух, вытекающий из канала холодного воздуха, может проходить, по существу, в продольном направлении паза для холодного воздуха.
При помощи теплозащитного экрана согласно изобретению обеспечивается охлаждение несущей структуры. Для этого холодный воздух образует посредством компоновки канала холодного воздуха и частично перекрытого паза для холодного воздуха направление истечения, предотвращающее ударное охлаждение брусков теплозащитного экрана. Вследствие этого можно свободно выбирать компоновку и ход, по меньшей мере, одного паза для холодного воздуха и, в частности, проводить также ниже брусков теплозащитного экрана вдоль особенно важных для крепления брусков теплозащитного экрана участков несущей структуры. Тем самым обеспечивается особенно эффективное охлаждение несущей структуры. Холодный воздух, текущий из канала холодного воздуха, может быть повернут посредством перекрытия в продольном направлении паза для холодного воздуха и выходить вследствие этого из паза для холодного воздуха вниз по потоку перекрытия с составляющей скорости в продольном направлении паза для холодного воздуха.
Такое косое направление истечения холодного воздуха из паза для холодного воздуха обеспечивает предпочтительное введение холодного воздуха, предотвращая ударное охлаждение брусков теплозащитного экрана. В частности, паз для холодного воздуха может проходить в несущей структуре ниже бруска теплозащитного экрана и подавать холодный воздух в зазор ниже бруска теплозащитного экрана. Понятие "Зазор ниже брусков теплозащитного экрана и выше несущей структуры" означает при этом зазор, продолжающийся от холодной стороны брусков теплозащитного экрана до обращенной к холодной стороне брусков теплозащитного экрана поверхности несущей структуры. Понятие "Несущая структура ниже бруска теплозащитного экрана" означает участок несущей структуры, к которому обращена холодная сторона бруска теплозащитного экрана.
В несущей структуре могут располагаться несколько согласно изобретению пазов для холодного воздуха, распределенных, на несущей структуре, например, в ряд друг с другом, или отдельно друг от друга. По меньшей мере, один паз для холодного воздуха может проходить, например, параллельно дну паза крепежного паза или внутри него. Однако он может располагаться в другом участке несущей структуры. При этом холодный воздух может направляться предпочтительно к охлаждаемому участку несущей структуры. Например, паз для холодного воздуха может проходить, по существу, по центру под бруском теплозащитного экрана в участке, в котором на несущей структуре фиксирован своим участком крепления, по меньшей мере, один держатель бруска. Повреждение этого участка влечет за собой в противном случае потерю бруска теплозащитного экрана, фиксированного держателем бруска. Паз для холодного воздуха может иметь прямой или другой ход. Однако, предпочтительно, если ход является прямым, так как такой паз для холодного воздуха можно особенно просто выполнять в несущей структуре. Если паз для холодного воздуха имеет кривой ход, то продольное направление паза для холодного воздуха показывает направление соответствующей касательной к ходу паза для холодного воздуха.
Согласно изобретению паз для холодного воздуха частично перекрыт в продольном направлении, так что образуется участок паза в виде канала. Вместо понятия "перекрыт" можно использовать также понятие "прикрыт". Участок паза в виде канала, по существу, закрыт, так что текущий из канала холодного воздуха холодный воздух можно эффективно поворачивать в паз для холодного воздуха.
Согласно изобретению теплозащитный экран можно реализовать, например, посредством того, что в несущей структуре выполняют канал холодного воздуха и продолжающийся до него паз для холодного воздуха, так что канал холодного воздуха впадает в паз, а паз для холодного воздуха, отходя от канала холодного воздуха, частично перекрывают. Вследствие своей простой конструкции изобретение также подходит, в частности, для дополнительного выполнения паза для холодного воздуха в уже установленном теплозащитном экране. В этом случае для реализации согласно изобретению теплозащитного экрана может использоваться уже имеющийся в несущей структуре канал холодного воздуха.
Предпочтительно может быть предусмотрено, что не перекрытый участок паза для холодного воздуха у расположенных на несущей структуре брусков теплозащитного экрана проходит ниже холодной стороны бруска теплозащитного экрана и вне выступающего от держателей бруска участка. Вследствие этого, холодный воздух, вытекающий из паза для холодного воздуха, может проникать в зазор ниже теплозащитного экрана и распределяться там. Это эффективно охлаждает участок несущей структуры ниже бруска теплозащитного экрана. Холодный воздух сразу не удаляется через расположенные между брусками теплозащитного экрана щели для расширения.
Предпочтительно паз для холодного воздуха может быть выполнен в дне паза крепежного паза. Это особенно эффективно обеспечивает охлаждение боковых стенок крепежного паза, служащего для крепления держателей бруска на несущей структуре.
Далее можно предпочтительно предусмотреть, что перекрытие реализовано посредством участка крепления держателя бруска. Это осуществление изобретения имеет особенно легко реализуемую конструкцию. Для этого перекрытие паза для холодного воздуха производят при компоновке бруска теплозащитного экрана на несущей структуре, причем удерживающий брусок теплозащитного экрана держатель бруска приводят в зацепление с крепежным пазом и задвигают по пазу для холодного воздуха так, чтобы он был частично перекрыт в продольном направлении. В этом выполнении исключаются дополнительные элементы для перекрытия паза для холодного воздуха. Это уменьшает издержки такого теплозащитного экрана.
Предпочтительный усовершенствованный вариант изобретения может предусматривать, что не перекрытый участок паза для холодного воздуха проходит в дне паза крепежного паза на участке между двумя участками крепления двух противоположных держателей бруска. Компоновка паза для холодного воздуха согласно этому усовершенствованному варианту особенно хорошо подходит для охлаждения предусмотренных для крепления держателей бруска краев крепежного паза. Согласно этому усовершенствованному варианту, паз для холодного воздуха проходит у фиксированных на несущей структуре брусков теплозащитного экрана, по существу, по центру, под бруском теплозащитного экрана.
Предпочтительно в несущей структуре могут располагаться, по меньшей мере, два, проходящих рядом паза для холодного воздуха, причем соответствующее перекрытие пазов для холодного воздуха расположено на противоположных концах обоих пазов для холодного воздуха. Вследствие этого вытекающий из обоих пазов для холодного воздуха холодный воздух протекает в противоположном направлении. Этот усовершенствованный вариант изобретения обеспечивает равномерное распределение холодного воздуха по участку несущей структуры.
Кроме того, предпочтительно может быть предусмотрено, что канал холодного воздуха впадает, по существу, вертикально к продольному направлению паза для холодного воздуха в него. Такую ориентацию канала холодного воздуха можно особенно просто выполнить в несущей структуре. Текущий из канала холодного воздуха холодный воздух ударяется вследствие этого вертикально в расположенную напротив выходного отверстия боковую стенку участка паза в виде канала и поворачивает в продольном направлении паза для холодного воздуха. Под боковой стенкой может подразумеваться обращенная к дну паза для холодного воздуха нижняя сторона держателя бруска.
Также предпочтительно, паз для холодного воздуха располагается, по существу, по центру под бруском теплозащитного экрана. Это выполнение изобретения обеспечивает особенно длительное время нахождения холодного воздуха под теплозащитным экраном при предотвращении ударного охлаждения бруска теплозащитного экрана. Тем самым обеспечивается эффективное охлаждение расположенной под теплозащитным экраном несущей структуры, прежде чем холодный воздух выйдет через компенсационные зазоры между брусками теплозащитного экрана.
Другой задачей изобретения является создание способа охлаждения несущей структуры известного теплозащитного экрана, при помощи которого можно особенно эффективно предотвращать окалинообразование несущей структуры вследствие втягивания горячего газа.
Для этого дополнительно к крепежным пазам в несущей структуре выполняют, по меньшей мере, один другой паз в качестве паза для холодного воздуха. Впадающий в паз для холодного воздуха канал холодного воздуха выполняют в несущей структуре или он уже расположен в ней. Паз частично перекрывают в продольном направлении так, что вытекающий из канала холодного воздуха холодный воздух может быть повернут посредством перекрытия в продольном направлении паза для холодного воздуха. Это обеспечивает особенно эффективное охлаждение несущей структуры, предотвращая ударное охлаждение брусков теплозащитного экрана.
Преимущества и возможности осуществления способа следуют из описания и аналогичны теплозащитному экрану.
Согласно изобретению способом можно особенно эффективно охлаждать несущую структуру, в частности, на участках крепления держателей бруска. Способ можно применять, например, в рамках технического обслуживания уже установленного теплозащитного экрана, выполняя в несущей структуре дополнительно к крепежным пазам, по меньшей мере, один другой паз в качестве паза для холодного воздуха и, выполняя его согласно пункту 9 формулы изобретения.
Согласно предпочтительному усовершенствованному варианту способа может быть предусмотрено, что паз для холодного воздуха выполняют в несущей структуре на участке удаленного бруска теплозащитного экрана, поэтому холодный воздух, вытекающий из паза для холодного воздуха вниз по потоку перекрытия у установленного бруска теплозащитного экрана может проникать в зазор между холодной стороной бруска теплозащитного экрана и несущей структурой. При этом может быть предпочтительно предусмотрено, что паз для холодного воздуха выполняют в дне паза крепежного паза.
Дня перекрытая паза для холодного воздуха, можно, например, задвинуть, по меньшей мере, один держатель бруска участком крепления через паз для холодного воздуха, так чтобы частично перекрыть его в продольном направлении. Не перекрытый участок паза для холодного воздуха продолжается, по существу, по центру под бруском теплозащитного экрана, фиксированным держателем бруска.
При этом понятие "по центру" нельзя истолковывать в узком смысле. Он обозначает участок, который не находится ниже участка края бруска теплозащитного экрана.
Другая задача изобретения состоит в создании камеры сгорания и газовой турбины, по меньшей мере, с одной камерой сгорания, обеспечивающей особенно эффективное охлаждение несущей структуры охваченного камерой сгорания теплозащитного экрана.
Указанная задача решается согласно изобретению при выполнении теплозащитного экрана согласно любому из п.п. 1-8 формулы изобретения.
Другие целесообразные выполнения и преимущества изобретения являются предметом описания примеров выполнения изобретения со ссылкой на чертежи, причем одинаковые ссылочные позиции обозначают одинаково функционирующие элементы. На чертежах показаны:
фиг. 1. Схематическое изображение паза для холодного воздуха и держателя бруска согласно изобретению теплозащитного экрана согласно примеру выполнения в перспективном виде,
фиг. 2. Фрагмент согласно изобретению теплозащитного экрана на участке крепежного паза и изображенного на фиг. 1 паза для холодного воздуха в схематическом виде в разрезе, и фиг. 3. изображенный на фиг. 2 фрагмент, вид сверху.
На фиг. 1 схематически показан паз 1 для холодного воздуха и держатель 2 бруска согласно примеру выполнения соответствующего изобретению теплозащитного экрана. Держатель 2 бруска содержит удерживающий участок 3, расположенный ортогонально на участке 4 крепления. Участок 4 крепления расширен на противоположном удерживающему участку 3 конце, так что образован так называемый "башмак" 5. Паз 1 для холодного воздуха продолжается в продольном направлении 7, причем паз для холодного воздуха частично перекрыт в продольном направлении 7 участком 4 крепления, поэтому частично перекрытый участок паза для холодного воздуха образует участок 8 паза в виде канала. Канал 9 холодного воздуха впадает в участок 8 паза в виде канала. Канал 9 холодного воздуха впадает вертикально к продольному направлению 7 в паз для холодного воздуха. Холодный воздух, протекающий в направлении 12 потока через канал 9 холодного воздуха, попадает в участок 8 паза в виде канала и проходит вследствие перекрытия паза для холодного воздуха через держатель 2 бруска в продольном направлении 7 паза для холодного воздуха так, что холодный воздух выходит из паза для холодного воздуха в направлении 14 истечения вниз по потоку участка 8 паза в виде канала. При этом поток холодного воздуха имеет составляющую скорости в продольном направлении 7 паза для холодного воздуха. Такое косое направление 14 истечения холодного воздуха из паза для холодного воздуха обеспечивает предпочтительное введение холодного воздуха, предотвращая ударное охлаждение структур выше паза для холодного воздуха.
На фиг. 2 показан вид в разрезе фрагмента согласно изобретению теплозащитного экрана 15 на участке изображенного на фиг. 1 паза для холодного воздуха. Теплозащитный экран 15 содержит несущую структуру 16, причем разрез вида проходит через выполненный в несущей структуре 16 крепежный паз 18. На изображенном виде в крепежном пазу 18 расположен держатель 2а бруска и держатель 2b бруска. Держатели 2а, 2b бруска опираются соответственно своим участком 4 крепления на дно 19 крепежного паза 18.
В изображенном примере выполнения расширенный участок участка 4 крепления, так называемый "башмак" держателя бруска, входит для крепления держателей бруска 2а, 2b в несущей структуре 16с с ограниченным допуском в проходящее параллельно к поверхности несущей структуры расширение дна канавки. Не расширенный участок участка 4 крепления может беспрепятственно приподниматься в крепежном пазу 18. При этом соответственно расположенные вертикально на участке 4 крепления удерживающие участки 3 держателей бруска выступают из крепежного паза 18 и фиксируют не изображенный брусок теплозащитного экрана. Так как держатели бруска состоят в целом из металла, брусок теплозащитного экрана, фиксированный держателями бруска, можно упруго фиксировать вследствие этого в крепежном пазу 18.
В несущей структуре 16 в дне 19 паза крепежного паза 18 выполнен паз 1 для холодного воздуха. В изображенном положении держателя 2а бруска он частично перекрывается участком 4 крепления в продольном направлении 7 паза 1 для холодного воздуха. Не перекрытый участок паза 1 для холодного воздуха проходит вследствие этого в дне 19 крепежного паза 18 на участке между двумя участками 4 крепления двух противоположных держателей 2а, 2b бруска и ниже холодной стороны бруска теплозащитного экрана (не изображено на чертеже), фиксированного обоими держателями бруска, и вне выступающего из держателей 2а, 2b бруска участка. В изображенном примере выполнения паз 1 для холодного воздуха проходит также, по существу, по центру под одним из брусков теплозащитного экрана (не изображено на чертеже), фиксированных держателями 2а, 2b бруска.
Посредством перекрытия образован участок паза 18 в виде канала. В него впадает вертикально к продольному направлению 7 канал 9 холодного воздуха. Поток холодного воздуха, протекающий в направлении 12 потока через канал 9 холодного воздуха, поворачивает посредством перекрытия в продольном направлении 7 паза 1 для холодного воздуха и выходит вниз по потоку перекрытия из паза 1 для холодного воздуха в направлении 14 истечения, обозначенное в качестве примера при помощи стрелки. В бруске теплозащитного экрана, фиксированном в держателях 2а, 2b бруска, холодный воздух входит в зазор между холодной стороной бруска теплозащитного экрана и несущей структурой, что обеспечивает эффективное охлаждение несущей структуры. При этом надежно предотвращается ударное охлаждение бруска теплозащитного экрана.
На фиг. 3 показан вид сверху изображенного на фиг.2 примера выполнения. В этом изображении, дополнительно к изображенному на фиг. 2 пазу 1 для холодного воздуха, в дне 19 крепежного паза 18 расположен другой паз 22 для холодного воздуха. Оба паза 1, 22 для холодного воздуха проходят рядом в несущей структуре, причем их перекрытия расположены в противоположных концах пазов для холодного воздуха. Вследствие этого выходящий из обоих пазов для холодного воздуха холодный воздух протекает в противоположных направлениях 14а, 14b и равномерно распределяется по участкам края крепежного паза 18, служащего для крепления держателей 2а, 2b бруска. Это особенно эффективно предотвращает потерю бруска теплозащитного экрана, фиксированного держателями бруска.