ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ)
GAS TURBINE ENGINE (VERSIONS)

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА СВЯЗАННЫЕ ЗАЯВКИ
Данная заявка является частичным продолжением и испрашивает приоритет американской патентной заявки №13/314311, поданной 8 декабря 2011 г., которая включена в настоящий документ посредством ссылки во всей ее полноте, как если бы она была полностью сформулирована в настоящем документе.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к газотурбинным двигателям и, более конкретно, к структурам для обеспечения тепловой защиты для ограничения нагревания внешнего кожуха газотурбинного двигателя.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Газотурбинный двигатель обычно включает в себя секцию компрессора, секцию камеры сгорания, турбинную секцию и выпускную секцию. При работе секция компрессора может всасывать окружающий воздух и сжимать его. Сжатый воздух из секции компрессора входит в одну или более камер сгорания в секции камеры сгорания. Сжатый воздух смешивается с топливом в камерах сгорания, и топливно-воздушная смесь может быть сожжена в камерах сгорания для того, чтобы сформировать горячий рабочий газ. Горячий рабочий газ направляется к турбинной секции, где он расширяется через чередующиеся ряды стационарных деталей с аэродинамическим профилем и вращающихся деталей с аэродинамическим профилем и используется для генерации мощности, которая может приводить в движение ротор. Расширенный газ, выходящий из турбинной секции, может быть затем удален из двигателя через выпускную секцию.
В типичном газотурбинном двигателе отбираемый от компрессора воздух, представляющий собой часть сжатого воздуха, получаемого из одной или более ступеней компрессора, может использоваться в качестве охлаждающего воздуха для охлаждения компонентов турбинной секции. Дополнительный отбираемый от компрессора воздух может также быть подан в части выпускной секции, например, для охлаждения частей выпускной секции и поддержания температуры выхлопного кожуха турбины ниже предопределенной температуры посредством воздушного потока принудительной конвекции, обеспечиваемого внутри внешнего корпуса двигателя. Прогресс в технологии газотурбинных двигателей привел к повышению температур и к связанным с этим деформациям внешнего кожуха из-за теплового расширения. Деформация кожуха может увеличить напряжения в кожухе и в компонентах, которые крепятся к нему внутри двигателя, таких как опорные раскосы. Дополнительное напряжение, которое может работать в комбинации с низкоцикличной усталостью, может способствовать образованию трещин, разрывам или отказам опорных раскосов, которые крепятся к кожуху для поддержки корпуса заднего подшипника.
Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков предшествующего уровня техники.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для решения поставленной задачи предлагается, в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения, газотурбинный двигатель, включающий в себя внешний кожух, определяющий центральную продольную ось, и поверхность внешнего кожуха, проходящую по окружности вокруг центральной продольной оси. Проход отработанного газа определяется внутри внешнего кожуха для отведения потока отработанного газа из турбинной секции газотурбинного двигателя. Охлаждающий канал связан с наружной поверхностью внешнего кожуха и имеет вход канала и выход канала. Предусмотрен также воздуховод, который включает в себя входной конец, гидравлически сообщающийся с выходом канала, а также выходной конец, гидравлически сообщающийся с областью пониженного давления относительно входного конца воздуховода. В выходной полости, располагающейся у выходного конца воздуховода, формируется пониженное давление на выходном конце для того, чтобы затягивать воздух из охлаждающего канала в воздуховод.
Воздуховод может включать в себя проход, простирающийся от внутренней поверхности внешнего кожуха к расположению выходной полости в направлении радиально внутрь прохода отработанного газа.
Газотурбинный двигатель может включать в себя распорку, простирающуюся в направлении радиально внутрь от внутренней поверхности внешнего кожуха, и воздуховод может быть определен экраном защиты от излучения, проходящим вокруг распорки и прикрепленным к внутренней поверхности внешнего кожуха.
Сквозные отверстия во внешнем кожухе могут определять выход охлаждающего канала для прохода окружающего воздуха от наружной поверхности внешнего кожуха к воздуховоду.
Охлаждающий канал может быть определен между внешней поверхностью внешнего кожуха и панельной структурой, опирающейся на внешний кожух, и окружающий воздух может проходить через панельную структуру и входить в охлаждающий канал.
Панельная структура может включать в себя множество панельных секций с простирающимися в осевом направлении зазорами между смежными панельными секциями, расположенными с промежутками по окружности, причем эти зазоры позволяют окружающему воздуху проходить в часть канала.
Во внешнем кожухе могут быть предусмотрены сквозные отверстия, определяющие выход охлаждающего канала для прохода окружающего воздуха от наружной поверхности внешнего кожуха к воздуховоду. Для управления температурой внешнего кожуха может быть предусмотрена система теплового барьера/охлаждения, включающая в себя:
внутренний изолирующий слой, поддерживаемый на внутренней поверхности внешнего кожуха, противоположной наружной поверхности внешнего кожуха, который простирается по окружности вдоль внутренней поверхности внешнего кожуха и обеспечивает тепловое сопротивление от энергии, излучаемой при прохождении отработанного газа, расположенного радиально внутри внешнего кожуха; и
охлаждающий канал, определяемый панельной структурой, расположенной в радиальном направлении на расстоянии от наружной поверхности внешнего кожуха, и простирающийся вокруг окружности наружной поверхности внешнего кожуха, причем канал конвекционного охлаждения в целом выровнен в осевом направлении с внутренним изолирующим слоем и образует путь потока для потока окружающего воздуха, охлаждающего наружную поверхность внешнего кожуха.
Внешний изолирующий слой может поддерживаться панельной структурой и закрывать ее. Внешний кожух может включать в себя выхлопной кожух турбины, и может включать в себя выхлопной диффузор, определяющий проход для отработанного газа у осевой локализации внутреннего изолирующего слоя.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предлагается газотурбинный двигатель, включающий в себя выпускную секцию, включающую в себя внешний кожух, определяющий центральную продольную ось, и внешнюю поверхность внешнего кожуха, простирающуюся по окружности вокруг центральной продольной оси. Канал для отвода выхлопных газов располагается внутри внешнего кожуха и определяется между внешней стенкой канала и внутренней стенкой канала, и канал для отвода выхлопных газов определяет проход для горячих отработанных газов, выходящих из турбинной секции газотурбинного двигателя. Корпус заднего подшипника располагается радиально внутрь от внутренней стенки канала, и распорка проходит от внешнего кожуха до корпуса подшипника для поддержания корпуса подшипника.
Экранирующая структура окружает распорку для того, чтобы защитить распорку от отработанных газов. Во внешней поверхности внешнего кожуха формируется воздушное отверстие, гидравлически сообщающееся с радиальным проходом, простирающимся между распоркой и частью экранирующей структуры. Дискообразная полость располагается смежно со ступенью турбинной секции и гидравлически сообщается с радиальным проходом. Дискообразная полость находится под давлением ниже, чем давление окружающего воздуха за пределами газовой турбины, для создания потока окружающего воздуха через воздушное отверстие в дискообразную полость.
Экранирующая структура может включать в себя экран распорки, окружающий распорку, и экран защиты от излучения, расположенный между экраном распорки и распоркой.
Радиальный проход может определяться внутренней поверхностью экрана защиты от излучения и внешней поверхностью распорки.
Экран защиты от излучения может проходить через кольцевой зазор, определенный между внешней стенкой канала и внешним кожухом.
Экран защиты от излучения может включать в себя внешний в радиальном направлении конец, прикрепленный к внутренней поверхности внешнего кожуха и окружающий воздушное отверстие.
Туннельная полость может определяться радиально внутрь от внутренней стенки канала и располагаться дальше по течению от дискообразной полости, причем туннельная полость получает окружающий воздух до того, как окружающий воздух войдет в дискообразную полость.
Охлаждающий канал может быть определен между внешней поверхностью внешнего кожуха и панельной структурой, опирающейся на внешний кожух, и окружающий воздух, входящий в воздушное отверстие, проходит через панельную структуру и входит в охлаждающий канал.
Охлаждающий канал может простираться по окружности вокруг выхлопного кожуха, а панельная структура может включать в себя множество панельных секций с проходящими в осевом направлении зазорами, определяемыми между смежными панельными секциями, расположенными по кругу на некотором расстоянии друг от друга, причем эти зазоры обеспечивают прохождение окружающего воздуха в часть канала.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием вариантов его осуществления, приводимых со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг. 1 представляет собой поперечное сечение через часть газотурбинного двигателя, включая выпускную секцию, иллюстрирующее аспекты настоящего изобретения;
Фиг. 2 представляет собой частично срезанный вид в изометрии выпускной секции, иллюстрирующий аспекты настоящего изобретения;
Фиг. 2А представляет собой вид в изометрии нижней части структуры, проиллюстрированной на Фиг. 2, иллюстрирующий главное отверстие для впуска воздуха;
Фиг. 2В представляет собой вид в изометрии снизу структуры, проиллюстрированной на Фиг. 2, иллюстрирующий дополнительные отверстия для впуска воздуха;
Фиг. 3 представляет собой поперечное осевое сечение выпускной секции, схематически иллюстрирующее воздушный поток, обеспечиваемый вокруг внешнего кожуха газотурбинного двигателя;
Фиг. 4 представляет собой вид в изометрии и в разрезе части выпускной секции, смежной с положением верхней мертвой точки выпускной секции;
Фиг. 5 представляет собой вид в изометрии, иллюстрирующий сегмент изолирующего слоя в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения;
Фиг. 6 представляет собой поперечное сечение через часть газотурбинного двигателя, включая выпускную секцию, иллюстрирующее дополнительный аспект настоящего изобретения;
Фиг. 7 представляет собой частично срезанный вид в изометрии выпускной секции, иллюстрирующий аспекты настоящего изобретения, показанные на Фиг. 6;
Фиг. 8 представляет собой увеличенное поперечное сечение структуры распорки, проиллюстрированной на Фиг. 7;
Фиг. 9 представляет собой увеличенный разрезанный вид в изометрии части структуры раскоса, иллюстрирующий впадины, сформированные в экране защиты от излучения структуры распорки;
Фиг. 10 представляет собой вид в изометрии экрана защиты от излучения;
Фиг. 11 представляет собой вид в изометрии части наружной поверхности внешнего кожуха для выпускной секции, показывающей сквозные отверстия для прохождения окружающего воздуха в кожух; и
Фиг. 12 представляет собой вид в изометрии панельной структуры с изоляцией, иллюстрирующий перемычки, формирующие зазоры между секциями панельной структуры.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В последующем подробном описании предпочтительного варианта осуществления делается ссылка на сопроводительные чертежи, которые являются его частью, на которых показывается посредством иллюстрации, а не посредством ограничения, конкретный предпочтительный вариант осуществления, с помощью которого может быть реализовано настоящее изобретение. Следует понимать, что могут быть использованы другие варианты осуществления и что изменения могут быть выполнены без отступлений от сущности и объема защиты настоящего изобретения.
На Фиг. 1 для иллюстрации аспектов настоящего изобретения показана часть выпускной секции 10 газотурбинного двигателя, расположенная в осевом направлении после турбинной секции 12. Выпускная секция 10 обычно включает в себя цилиндрическую структуру, включающую в себя внешний кожух 11, проходящий по окружности вокруг обычно горизонтальной центральной продольной оси Ас, и формирует выступающую часть внешнего кожуха газотурбинного двигателя. Внешний кожух 11 выпускной секции 10 включает в себя выпускной цилиндр или выхлопной кожух 14 турбины, а также выпускную барабанную структуру 16, расположенную после выхлопного кожуха 14.
Выхлопной кожух 14 включает в себя выходной фланец 18 выхлопного кожуха, который проходит радиально наружу из выходного конца выхлопного кожуха 14, а барабанная структура 16 включает в себя входной фланец 20 барабанной структуры, который проходит радиально наружу из барабанной структуры 16. Выходной фланец 18 выхлопного кожуха и входной фланец 20 барабанной структуры упираются друг в друга в соединении 22, и могут быть скреплены обычным образом, например болтами (не показаны). В дополнение к этому, входной фланец 21 выхлопного кожуха проходит радиально наружу от входного конца выхлопного кожуха 14 и может быть прикреплен болтами к радиально проходящему фланцу 23 турбинной секции 12 для присоединения выхлопного кожуха 14 к турбинной секции 12.
Выхлопной кожух 14 включает в себя относительно толстую стенку, образующую структурный элемент или раму для поддержки корпуса 24 заднего подшипника, а также для поддержки по меньшей мере части выхлопного диффузора 26. Корпус 24 заднего подшипника предназначен для поддержки конца ротора 25 для газотурбинного двигателя.
Диффузор 26 включает в себя внутреннюю стенку 28 и внешнюю стенку 30, определяющие кольцевой проход для горячих отработанных газов 31 из турбинной секции 12. Корпус 24 подшипника поддерживается множеством структур 32 распорки. Каждая из структур 32 распорки включает в себя распорку 34, проходящую от соединения 36 на выхлопном кожухе 14 через диффузор 26 к соединению 38 на корпусе 24 подшипника для поддержания и обслуживания корпуса 24 подшипника в центральном положении внутри выхлопного кожуха 14. Структуры 32 распорки могут дополнительно включать в себя экран или обтекатель 40 распорки, окружающий распорку 34 для ее изоляции от горячих отработанных газов 31, проходящих через диффузор 26, см. также Фиг. 3.
В результате прохождения горячих отработанных газов 31 через диффузор 26 внешняя стенка 30 диффузора 26 излучает тепло радиально наружу по направлению к внутренней поверхности 42 выхлопного кожуха 14. Как было показано выше, обычные конструкции для охлаждения выхлопной секции турбины могут обеспечивать подачу отбираемого от компрессора воздуха из секции компрессора двигателя к выхлопной секции для обеспечения потока охлаждающего воздуха между диффузором и выхлопным кожухом для того, чтобы управлять или уменьшать температуру выхлопного кожуха посредством принудительной конвекции. В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предлагается система 44 теплового барьера/охлаждения для того, чтобы уменьшить и/или устранить использование отбираемого от компрессора воздуха для управления температурой выхлопного кожуха 14 и барабанной структуры 16.
Что касается Фиг. 2 и Фиг. 3, система 44 теплового барьера/охлаждения обычно включает в себя внутренний изолирующий слой 46 и канал 48 конвекционного охлаждения. Внутренний изолирующий слой 46 поддерживается на внутренней поверхности 42 кожуха и проходит по окружности, покрывая по существу всю внутреннюю поверхность 42 кожуха. Внутренний изолирующий слой 46 образует тепловой барьер между диффузором 26 и выхлопным кожухом 14 для обеспечения теплового сопротивления для энергии, излучаемой от внешней стенки 30 диффузора 26.
Внутренний изолирующий слой 46 предпочтительно формируется множеством сегментов 46а изолирующего слоя (Фиг. 5), в целом расположенных бок о бок друг с другом, и имеет продольную или осевую длину, которая примерно равна осевой длине выхлопного кожуха 14 для того, чтобы обеспечить тепловой барьер по существу для всей внутренней поверхности 42 выхлопного кожуха 14. Следовательно, существенная часть тепла, излучаемого диффузором 26, не достигает выхлопного кожуха 14, и таким образом стенка выхлопного кожуха 14 изолируется от тепловой нагрузки.
Обращаясь далее к Фиг. 5, сегменты 46а изолирующего слоя могут включать в себя прямоугольные сегментные элементы, имеющие передний край 50, задний край 52 и противолежащие боковые края 54, 56. Сегменты 46а изолирующего слоя имеют более низкую удельную теплопроводность, чем стенка выхлопного кожуха 14. Удельная теплопроводность сегментов 46а изолирующего слоя может иметь максимальную величину приблизительно 0,15 Вт/м-К, и предпочтительно составляет приблизительно 0,005 Вт/м-К для того, чтобы препятствовать переносу тепла от диффузора к кожуху 14 двигателя. Сегменты 46а изолирующего слоя могут располагаться на внутренней поверхности 42 выхлопного кожуха 14 с боковыми краями 54, 56 одного сегмента 46а изолирующего слоя, плотно примыкающими или зацепляющимися с боковыми краями 54, 56 смежного сегмента 46а изолирующего слоя.
Конструкция сегментов 46а изолирующего слоя может включать в себя пару противолежащих слоев 58, 60 листового металла и теплозащитный слой 62, расположенный между слоями 58, 60 листового металла и имеющий существенно более низкую удельную теплопроводность, чем слои 58, 60 листового металла. Множество металлических втулок 64 могут проходить через слои 58, 60 листового металла и теплозащитный слой 62 в установочных точках для сегментов 46а изолирующего слоя. В частности, каждая из металлических втулок 64 включает в себя жесткую структуру, определяющую предопределенное расстояние между слоями 58, 60 листового металла, и выполнена с возможностью приема крепежной структуры, такой как упор 66 (Фиг. 4), для прикрепления каждого сегмента 46а изолирующего слоя к выхлопному кожуху 14. Упоры 66 могут быть выполнены с возможностью ограниченного перемещения сегментов 46а изолирующего слоя относительно внутренней поверхности 42 кожуха, например, для того, чтобы предусмотреть термическое несоответствие между внутренним изолирующим слоем 46 и выхлопным кожухом 14. Например, каждый из упоров 66 может включать в себя штифт 67, имеющий радиально внешний конец, прикрепленный к внутренней поверхности 42 кожуха, а также снабженный резьбой радиально внутренний конец для приема гайки 69, чтобы удерживать сегмент 46а изолирующего слоя между гайкой и внутренней поверхностью 42 кожуха.
Сегменты 46а изолирующего слоя могут быть снабжены щелями 65, проходящими от задней кромки 52 к заднему ряду втулок 64, для того, чтобы облегчить сборку сегментов 46а изолирующего слоя с выхлопным кожухом 14. В частности, щели 65 облегчают надевание сегментов 46а изолирующего слоя на штифты 67 во время сборки путем обеспечения некоторой степени осевого перемещения заднего ряда втулок 64 на соответствующий ряд штифтов 67 в задней части выхлопного кожуха 14, где имеется минимальное пространство между выхлопным кожухом 14 и диффузором 26.
Можно заметить, что ограниченное расстояние может быть предусмотрено между смежными сегментами 46а изолирующего слоя в конкретных местах вокруг внутренней поверхности 42 кожуха. Например, в местах соединений 36, где раскосы 34 простираются внутрь от внутренней поверхности 42 кожуха, некоторое расстояние или зазор может быть предусмотрен между смежными сегментами 46а изолирующего слоя, расположенными смежно с любой стороной каждого раскоса 34.
Аналогичным образом, ограниченный зазор может присутствовать между сегментами 46а изолирующего слоя, которые являются непосредственно смежными со структурой, образующей горизонтальные соединения 92. Следует отметить, что альтернативная конфигурация сегментов 46а изолирующего слоя может быть предусмотрена для того, чтобы уменьшить зазоры в этих местах. Например, сегменты 46а изолирующего слоя могут быть выполнены с возможностью включения частей, которые близко проходят вокруг раскосов 34 и тем самым уменьшают области зазора, которые могут подвергнуть внутреннюю поверхность 42 кожуха воздействию теплового излучения.
Формирование множества сегментов 46а изолирующего слоя облегчает сборку внутреннего изолирующего слоя 46 с кожухом 14 двигателя, а также дополнительно обеспечивает ремонт выбранной части внутреннего изолирующего слоя 46. Например, в случае повреждения части внутреннего изолирующего слоя 46 конфигурация внутреннего изолирующего слоя 46 позволяет удалять и заменять отдельные сегменты 46а изолирующего слоя, которые могут иметь повреждение, без необходимости замены всего внутреннего изолирующего слоя 46.
Следует понимать, что, хотя была описана конкретная конструкция сегментов 46а изолирующего слоя, могут быть предусмотрены другие материалы и конструкции для сегментов 46а изолирующего слоя.
Например, сегменты 46а изолирующего слоя могут быть сформированы из известного керамического изолирующего материала, выполненного с возможностью обеспечения теплового сопротивления для поверхностей, таких как внутренняя поверхность 42 кожуха.
Что касается Фиг. 1, канал 48 конвекционного охлаждения проходит по окружности вокруг внешней поверхности 68 выхлопного кожуха 14, и обычно располагается в осевом направлении, простираясь от входного фланца 21 выхлопного кожуха до по меньшей мере выходного фланца 18 выхлопного кожуха, и предпочтительно простираясь до выходного фланца 70 барабанной структуры, проходя радиально наружу от выходного конца барабанной структуры 16. Канал 48 конвекционного охлаждения определяется панельной структурой 72, которая простирается от предшествующего положения 74, где она прикрепляется к выпускной секции 10 у входного фланца 21 выхлопного кожуха, до последующего положения 76, где она прикрепляется к выпускной секции 10 у выходного фланца 70 барабанной структуры. Панельная структура 72 располагается радиально на некотором расстоянии от внешней поверхности 68 кожуха для того, чтобы определить первую часть 78 канала 48 конвекционного охлаждения, то есть утопленную область между входным фланцем 21 выхлопного кожуха и выходным фланцем 18 выхлопного кожуха. Панельная структура 72 далее располагается радиально на некотором расстоянии от наружной поверхности 80 барабанной структуры 16 для того, чтобы определить вторую часть 82 канала 48 конвекционного охлаждения, то есть утопленную область между входным фланцем 20 барабанной структуры и выходным фланцем 70 барабанной структуры. Первая и вторая части 78, 82 охлаждающего канала определяют параллельные друг другу по окружности пути потока вокруг выпускной секции 10 и могут гидравлически сообщаться друг с другом через радиально внешние концы фланцев 18, 20.
Согласно Фиг. 2 и Фиг. 3, канал 48 конвекционного охлаждения включает в себя главный вход 84 подачи охлаждающего воздуха, расположенный в первом круговом расположении для обеспечения подачи окружающего воздуха к каналу 48 конвекционного охлаждения. Канал 48 конвекционного охлаждения дополнительно включает в себя выход 86 отработанного воздуха во втором круговом расположении, которое диаметрально противоположно первому круговому расположению. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления главный вход 84 подачи охлаждающего воздуха (Фиг. 2А) располагается в нижней мертвой точке внешнего кожуха 11 выпускной секции 10, а выход 86 отработанного воздуха располагается в верхней мертвой точке внешнего кожуха 11 выпускной секции 10.
Как видно на Фиг. 2, выпускная секция 10 может быть сформирована из двух половин, то есть верхней половины 88 и нижней половины 90, соединенных вместе горизонтальным соединением 92. В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения панельная структура 72 включает в себя увеличенные боковые части 94, сформированные как коробчатые секции, проходящие через горизонтальное соединение 92 из расположений выше и ниже горизонтального соединения 92. Боковые части 94 выполнены с возможностью обеспечения дополнительного зазора для воздушного потока вокруг горизонтального соединения 92, и могут дополнительно быть выполнены с возможностью обеспечения дополнительного воздушного потока к каналу 48 конвекционного охлаждения, как будет показано ниже.
Панельная структура 72 включает в себя индивидуальные панельные секции 72а, которые могут быть сформированы из листового металла, то есть являются относительно тонкими по сравнению с внешним кожухом 11. Панельные секции 72а искривлены таким образом, чтобы соответствовать кривизне внешнего кожуха 11, и проходят вниз от боковых частей 94 к главному входу 84 подачи охлаждающего воздуха, и проходят вверх от боковых частей 94 к выходу 86 отработанного воздуха. Панельные секции 72а формируются как в целом прямоугольные секции, простирающиеся между предшествующим и последующим расположениями 74, 76 на выпускной секции 10, и предпочтительно зацепляются или упираются друг в друга точно так же, как боковые части 94 в соединениях 98 внахлест вдоль простирающихся в осевом направлении краев панельных секций 72а. Панельные секции 72а и боковые части 94 могут быть присоединены к внешнему кожуху 11 выпускной секции с помощью любых обычных средств, и предпочтительно прикрепляются как съемные компоненты крепежными элементами, такими как болты или винты. Следует понимать, что, хотя увеличенные боковые части 94 изображены как коробчатые секции, эта часть панельной структуры 72 не нуждается в ограничении конкретной формой и может иметь любую конфигурацию, которая облегчает прохождение воздушного потока через горизонтальные соединения 92, которые как правило включают в себя увеличенные и простирающиеся радиально наружу фланцевые части внешнего кожуха 11 выпускной секции. Кроме того, следует отметить, что главный вход 84 подачи охлаждающего воздуха и выход 86 отработанного воздуха могут быть включены в соответствующие панельные секции 72а в соответствующих расположениях нижней мертвой точки и верхней мертвой точки вокруг панельной структуры 72.
Что касается Фиг. 2 и Фиг. 2В, боковые части 94 могут быть сформированы с нижней частью 100, простирающейся ниже горизонтального соединения 92 и заканчивающейся у обращенной вниз структуры 102 входа дополнительного воздуха. Структура 102 входа дополнительного воздуха может включать в себя первое и второе входные отверстия 104, 106 дополнительного воздуха, расположенные рядом друг с другом, каждое из которых проиллюстрировано как обращенное вниз отверстие в панельной структуре 72. Первое и второе входные отверстия 104, 106 дополнительного воздуха могут быть выровнены в осевом направлении соответственно над первой и второй частями 78, 82 канала. Входные отверстия 104, 106 дополнительного воздуха показаны как снабженные соответствующими закрывающими панелями или пластинами 108, 110, которые могут быть съемным образом прикреплены над отверстиями с помощью крепежных элементов 112, таких как болты или винты. Одна или обе из закрывающих пластин 108, 110 могут быть сдвинуты или удалены из входных отверстий 104, 106 дополнительного воздуха, с возможностью обеспечения поступления дополнительного или вспомогательного окружающего воздуха 116 в канал 48 конвекционного охлаждения через структуру 102 входа дополнительного воздуха, как дополнительно проиллюстрировано на Фиг. 3.
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения канал 48 конвекционного охлаждения получает окружающий воздух, поступающий самотеком через главный вход 84 подачи охлаждающего воздуха. Таким образом, воздух может быть подан в канал 48 конвекционного охлаждения без принуждения или силы давления на входе 84 подачи охлаждающего воздуха, чтобы передать воздух в главный конвекционный поток 114 подачи воздуха снаружи газотурбинного двигателя через главный вход 84 подачи охлаждающего воздуха. Главный вход 84 подачи охлаждающего воздуха может иметь такой диаметр, чтобы он проходил по меньшей мере через часть каждой из первой и второй частей 78, 82 канала так, чтобы часть главного конвекционного потока 114 подачи воздуха могла проходить непосредственно в каждую из частей 78, 82 канала.
Поток окружающего воздуха в канал 48 конвекционного охлаждения обеспечивает уменьшенный температурный градиент вокруг окружности выпускной секции 10 для того, чтобы уменьшить или минимизировать тепловые напряжения, которые могут образоваться при неравномерном распределении температур вокруг выпускной секции 10. В частности, напряжения, относящиеся к дифференциальному тепловому расширению выхлопного кожуха 14 и передаваемые к распоркам 34, могут быть уменьшены за счет увеличенной однородности охлаждающего потока, обеспечиваемого каналом 48 конвекционного охлаждения. Кроме того, рабочая температура выхлопного кожуха 14 может поддерживаться ниже нижнего предела текучести материала для того, чтобы избежать связанной с этим деформации ползучести кожуха, которая может вызвать увеличение напряжений в раскосах.
Многоканальная конфигурация охлаждения может быть обеспечена для канала 48 конвекционного охлаждения путем смещения или удаления по меньшей мере одной закрывающей пластины 108, 110 структуры 102 входа дополнительного воздуха с тем, чтобы увеличить количество мест подачи воздуха для конвекционного охлаждения. Следовательно, количество охлаждения, обеспечиваемого для частей 78, 82 канала, может регулироваться на турбинных двигателях при их эксплуатации с тем, чтобы увеличить или уменьшить охлаждение путем удаления или замены закрывающих пластин 108, 110. Например, может быть желательно обеспечить увеличение потока охлаждающего воздуха путем удаления одной или более закрывающих пластин 108, 110, или может быть желательно обеспечить уменьшение воздушного потока путем замены одной или более закрывающих пластин 108, 110 с тем, чтобы предотвратить или уменьшить поток 116 дополнительного воздуха, в зависимости от увеличения или уменьшения температуры окружающего воздуха. Кроме того, закрывающие пластины 108, 110 могут использоваться для оптимизации температуры выхлопного кожуха 14 и барабанной структуры 16 с тем, чтобы минимизировать термическое несоответствие между смежным оборудованием и компонентами.
Выход 86 отработанного воздуха располагается сверху канала 48 конвекционного охлаждения, так что горячий выходящий воздух 118 может вытекать за счет конвекции из канала 48 конвекционного охлаждения. Выход 86 отработанного воздуха может иметь такой диаметр, чтобы он проходил по меньшей мере через часть каждой из первой и второй частей 78, 82 канала так, чтобы горячий воздух, выходящий из канала 48 конвекционного охлаждения, мог быть передан непосредственно к выходу 86 отработанного воздуха из каждой из частей 78, 82 канала.
После этого горячий воздух, выходящий из выхода 86 отработанного воздуха, может быть выпущен из существующей жалюзийной структуры (не показана), предусматриваемой в настоящее время в существующих блоках газотурбинных двигателей.
Следует понимать, что конвекционный воздушный поток через канал 48 конвекционного охлаждения включает в себя поток охлаждающего воздуха, который может по существу приводиться в движение конвективной силой, производимой воздухом, нагреваемым вдоль внешней поверхности 68 кожуха и наружной поверхности 80 барабанной структуры 16. Горячий воздух внутри канала 48 конвекционного охлаждения поднимается за счет естественной конвекции и направляется к выходу 86 отработанного воздуха. По мере того, как воздух поднимается внутри канала 48 конвекционного охлаждения, он вовлекает окружающий воздух в канал 48 через главный вход 84 подачи охлаждающего воздуха, эффективно обеспечивая движущую силу для непрерывного потока охлаждающего воздуха в направлении вверх вокруг наружной поверхности внешнего кожуха 11. Аналогичным образом, при открывании одного или обоих входных отверстий 104, 106 дополнительного воздуха по бокам панельной структуры 72, естественная конвекция будет увлекать воздух вверх вокруг канала 48 через структуру 102 входа дополнительного воздуха к выходу 86 отработанного воздуха.
Следует отметить, что поскольку охлаждающий воздух течет вверх как конвекционный воздушный поток 48, внутри канала 48 конвекционного охлаждения будет создаваться более низкое давление, чем давление окружающего воздуха снаружи канала 48 конвекционного охлаждения. Следовательно, любая утечка в панельных соединениях 98 или в соединениях 97, 99 (Фиг. 2), где края панельных сегментов 72а крепятся к выпускной секции 10 в предшествующем и последующем расположениях 74, 76, будет происходить в направлении внутрь в канал 48 конвекционного охлаждения. В этой связи можно понять, что нет никакой необходимости в обеспечении герметичного соединения периферийных краев панельных сегментов 72а боковых частей 94, и что утечка в канал 48 конвекционного охлаждения может рассматриваться как преимущество, облегчающее функцию охлаждения системы 44 теплового барьера/охлаждения.
Опционально, как схематически проиллюстрировано на Фиг. 3, может быть предусмотрен блок 120 вентилятора, связанный с выходом 86 отработанного воздуха. Блок 86 вентилятора может обеспечивать дополнительный воздушный поток из выхода 86 отработанного воздуха для увеличения охлаждающей способности канала 48 конвекционного охлаждения с одновременным поддержанием потока окружающего воздуха в и через канал 48 конвекционного охлаждения. Альтернативно или в дополнение к этому, блок приточного вентилятора (не показан) может быть предусмотрен на главном входе 84 подачи охлаждающего воздуха для того, чтобы обеспечить увеличение потока окружающего воздуха в канал 48. Следует понимать, что даже при обеспечении блока вентилятора для облегчения потока через канал 48 конвекционного охлаждения, то есть блока 120 вентилятора на выходе 86 и/или блока вентилятора на входе 84, перемещение воздушного потока через канал 48 может создать пониженное давление внутри канала 48 относительно окружающей области, находящейся снаружи внешнего кожуха 11.
Канал 48 конвекционного охлаждения может быть дополнительно снабжен внешним изолирующим слоем 122, как показано на Фиг. 1, Фиг. 3 и Фиг. 4 (не показано на Фиг. 2). Внешний изолирующий слой может покрывать по существу всю внешнюю поверхность панельной структуры 72, определенную панельными сегментами 72а и боковыми частями 94, и имеет низкую удельную теплопроводность, чтобы в целом обеспечить тепловую защиту персоналу, работающему или проходящему рядом с выпускной секцией 10.
Что касается Фиг. 4, в барабанной структуре 16 может быть предусмотрен опциональный дополнительный или второй внутренний изолирующий слой 124, проходящий по окружности вокруг внутренней поверхности 126 сегмента барабана, радиально наружу от Z-образной пластины или пружинной структуры 128, предусмотренной для поддержания диффузора 26. Второй внутренний изолирующий слой 124 может включать в себя отдельные сегменты изолирующего слоя, имеющие конструкцию и удельную теплопроводность, подобные описанным для внутреннего изолирующего слоя 46. Кроме того, второй внутренний изолирующий слой 124 может быть смонтирован на внутренней поверхности 126 сегмента барабана аналогично тому, что описано для сегментов 46а внутреннего изолирующего слоя 46. Второй внутренний изолирующий слой 124 может быть предусмотрен для того, чтобы ограничить или минимизировать количество излучаемого тепла, передаваемого от диффузора 26 к барабанной структуре 16.
Следовательно, потребность в конвективном воздушном потоке для воздуха, текущего через вторую часть 82 канала 48 конвекционного охлаждения, может быть уменьшена за счет включения второго внутреннего изолирующего слоя 124.
Как описано выше, система 44 теплового барьера/охлаждения обеспечивает систему, в которой внутренний изолирующий слой 46 существенно уменьшает количество тепловой энергии, передаваемой внешнему кожуху 11 выпускной секции 10, и таким образом уменьшает потребность в охлаждении для того, чтобы поддерживать материал внешнего кожуха 11 ниже его предела текучести. Следовательно, конфигурация внешнего охлаждения, обеспечиваемая каналом 48 конвекционного охлаждения, обеспечивает соответствующее охлаждение внешнего кожуха 11 конвекционным воздушным потоком с одновременным уменьшением или устранением потребности в принудительном воздушном охлаждении внутренности внешнего кожуха 11. Устранение принудительного воздушного охлаждения внутренности внешнего кожуха 11, то есть путем поддержания подачи и отвода охлаждающего воздуха, внешнего по отношению к внешнему кожуху 11, позволяет избежать проблем, связанных с тепловым несоответствием или температурными градиентами между компонентами внутри внешнего кожуха 11.
Дополнительно к этому, поскольку подача воздуха для охлаждения внешнего кожуха 11 не требует отбираемого от компрессора воздуха и вообще не зависит непосредственно от подачи воздуха из газотурбинного двигателя, представленная система 44 теплового барьера/охлаждения не уменьшает мощность турбины, как это может происходить с системами, использующими отбираемый от компрессора воздух, и эффективность охлаждения представленной системы по существу не зависит от условий работы двигателя. Следовательно, настоящее изобретение может быть осуществлено без привлечения вторичного охлаждающего воздуха газотурбинного двигателя и может обеспечить уменьшенные требования к использованию вторичного охлаждающего воздуха с вытекающим из этого увеличением общего коэффициента полезного действия газотурбинного двигателя.
В соответствии с альтернативным аспектом настоящего изобретения поток через канал 48 конвекционного охлаждения может быть активно сформирован путем использования источника давления ниже давления окружающей среды внутри двигателя 10. В соответствии с этим аспектом, как изображено на Фиг. 6-10, структура 32 раскоса дополнительно включает в себя экранирующую структуру, включающую в себя экран 35 защиты от излучения, окружающий каждую из распорок 34, расположенную между распоркой 34 и экраном распорки или обтекателем 40. Экран 35 защиты от излучения и экран распорки или обтекатель 40 определяют экранирующую структуру, обеспечивающую тепловую защиту для распорки 34. Малый зазор 37 экрана распорки определяется экраном 35 защиты от излучения и представляет собой кольцевой зазор между наружной поверхностью раскоса 34 и внутренней поверхностью экрана 35. Экран 35 защиты от излучения может быть сформирован с впадинами 39 (см. Фиг. 9 и Фиг. 10), простирающимися внутрь к распорке 34 так, чтобы удерживать экран 35 на предопределенном расстоянии от распорки 34 и избежать формирования вибрационных режимов в экране 35. Экран 35 защиты от излучения экранирует распорку 34 от излучаемой тепловой энергии и, в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения, зазор 37 экрана раскоса определяет путь потока охлаждающего воздуха.
В частности, зазор 37 экрана распорки формирует структуру воздуховода, определяющую путь или проход для охлаждающего воздуха, простирающийся радиальным образом внутрь вдоль распорки 34, и экран 35 защиты от излучения от входного конца у внутренней поверхности 42 кожуха к выходу у внутреннего конца 47 экрана, гидравлически сообщающийся с выходной полостью, определяемой областью пониженного давления внутри двигателя 10. В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения путь воздуха, определяемый зазором 37 экрана распорки, включает в себя путь воздушного потока, гидравлически сообщающийся с давлением ниже давления окружающей среды, внутренним по отношению к двигателю, для того, чтобы вовлечь поток окружающего воздуха в канал 48. Как можно заметить на Фиг. 7, Фиг. 8 и Фиг. 10, экран 35 защиты от излучения формируется с радиально расширяющимся внешним концом, образованным расширяющимися частями 35а и 35b стенки, простирающимися в противоположных направлениях по окружности и проходящими через кольцевой зазор между внешней стенкой 30 канала 26 и внешним кожухом 11. В дополнение к этому, расширяющиеся части 35а, 35b соединяются отстоящими от них в осевом направлении концевыми стенками 35 с и 35d для того, чтобы сформировать закрытый путь потока между внешней стенкой 30 и внешним кожухом 11, который проходит до внутреннего конца 47 экрана 35 защиты от излучения. Как лучше всего видно на Фиг. 8, экран 35 защиты от излучения присоединяется к внешнему кожуху 11, например, как проиллюстрировано, множеством крепежных элементов 41, соединяющих расширяющиеся части 35а, 35b с внутренней поверхностью 42 кожуха, по существу герметизируя соединение радиально внешнего конца экрана защиты от излучения с внутренней поверхностью 42 кожуха. В кожухе 11 (см. Фиг. 12) формируется множество щелей 43 кожуха, то есть сквозных отверстий, простирающихся от внешней поверхности 68 кожуха к внутренней поверхности 42 кожуха, в области, герметизированной внешним концом экрана 35 защиты от излучения. Щели 43 кожуха определяют воздушные отверстия, обеспечивающие гидравлическую связь между охлаждающим каналом 48 и зазором 37 экрана распорки.
Экран 35 защиты от излучения простирается радиально внутрь между распоркой 34 и обтекателем 40, и включает в себя внутренний конец 47 экрана, который может быть расположен радиально внутрь от внутренней стенки 28 диффузора 26. Внутренний конец 47 экрана выпускает окружающий охлаждающий воздух 49 в выходную полость, включающую в себя внутренний диаметр или туннельную полость 51, где окружающий охлаждающий воздух 49 течет вперед к задней дискообразной полости 57, расположенной у щели 65 между дисковой структурой 59 последней ступени турбинной секции 12 и входным концом выпускной секции 10. В частности, задняя дискообразная полость 57 определяется в осевом направлении назад от дисковой структуры 59 и в осевом направлении вперед от радиальной уплотняющей структуры или перегородки 61, простирающейся радиально от корпуса 24 подшипника до внутренней стенки 28 канала 26. Следует понимать, что перегородка 61 может быть сформирована множеством сегментов, расположенных бок о бок друг к другу по окружности внутри двигателя 10, и что внешний конец каждого из сегментов, формирующих перегородку 61, может включать в себя полосковое уплотнение 61а, такое, которое может иметь эластичную или пружинную характеристику для контакта радиальной детали 61b с внутренней стенкой 28 диффузора 26. Внутренняя граница дискообразной полости 57 определяется у внутреннего герметичного соединения 63 между ротором 25 и корпусом 24 подшипника, а внешняя граница дискообразной полости 57 определяется передней в осевом направлении частью внутренней стенки 28 диффузора 26, простираясь вплоть до платформы 59а лопасти дисковой структуры 59 последней ступени.
Сегменты, формирующие перегородку 61, размещаются таким образом, что между ними образуются негерметичные зазоры, в том числе между смежными полосковыми уплотнениями 61а, так что поток текучей среды может проходить из туннельной полости 51 к задней дискообразной полости 57. В результате вращения дисковой структуры 59 потоком отработанных газов 31, проходящим щель 65, воздух извлекается из задней дискообразной полости 57, создавая пониженное давление ниже давления окружающей среды внутри задней дискообразной полости 57. Давление ниже давления окружающей среды внутри задней дискообразной полости 57 приводит в движение, то есть засасывает или побуждает, поток окружающего воздуха 49 из зазора 37 экрана распорки к задней дискообразной полости 57. Таким образом, давление ниже давления окружающей среды в задней дискообразной полости 57 создает поток окружающего воздуха 49, проходящий от охлаждающего канала 48 через щели 43 в кожухе 11 и радиально внутрь через зазор 37 экрана распорки к внутреннему концу 47 экрана. Окружающий воздух 49 течет через перегородку 61, то есть проходит через зазоры в перегородке 61 в заднюю дискообразную полость 57.
Следует понимать, что любой источник давления ниже давления окружающей среды, например, полость, внутри двигателя может быть использован для настоящего изобретения, при условии, что источник давления ниже давления окружающей среды не обеспечивается за счет мощности турбины. Кроме того, проходы, описанные для соединения пути окружающего воздуха экрана 35 защиты от излучения, то есть включающие в себя пути через перегородку 61, предложены как общее описание в целях примера, и могут включать в себя любые пути или проходы для сообщения давления ниже давления окружающей среды с внутренним концом 47 экрана 35 защиты от излучения.
Поскольку окружающий воздух 49 течет радиальным образом внутрь через зазор 37 экрана распорки каждой из структур 32 распорки, окружающий охлаждающий воздух засасывается через охлаждающий канал 48 круговым образом вдоль наружных поверхностей 68, 80 кожуха 11 к щелям 43 кожуха. Для того, чтобы обеспечить поток окружающего воздуха в охлаждающий канал, в панельной и/или изоляционной структуре, формирующей внешнюю границу охлаждающего канала 48, могут быть сформированы зазоры. В частности, как показано на Фиг. 11, ориентированные радиальным образом краевые части 72b панельной структуры 72 могут быть расположены у соединений 130 между смежными панельными секциями 72а. Краевые части функционируют так, чтобы обеспечить ограничители для позиционирования краев секций изолирующего слоя 122 с тем, чтобы сохранить проходящее в осевом направлении отверстие или зазор для прохождения окружающего воздуха между смежными секциями изолирующего слоя 122, размещенными на панельных секциях 72а. Зазоры, сформированные у соединений 130 между панельными секциями 72а, позволяют окружающему воздуху течь в охлаждающий канал 48 для прохождения вдоль наружных поверхностей 68, 80 кожуха 11 и в щели 43 кожуха. Местоположения панельных секций 72а и связанных с ними соединений 130 могут быть выбраны таким образом, чтобы, где это возможно, соединения 130 располагались по окружности на полпути между местоположениями структур 32 раскоса, так что окружающий воздух, проходящий в охлаждающий канал 48 через соединения 130, будет течь вдоль существенной части наружных поверхностей 68, 80, охлаждая кожух 11 по мере того, как воздух проходит к щелям 43 кожуха. После этого окружающий воздух проходит радиальным образом внутрь к задней дискообразной полости 57, как описано выше. Следовательно, зазоры у соединений 130 определяют вход в охлаждающий канал, а щели 43 кожуха определяют выход охлаждающего канала для сегментов охлаждающего канала 48, причем множество сегментов охлаждающего канала формируют непрерывный канал 48, расположенный вокруг внешней окружности кожуха 11.
В дополнение к обеспечению потока окружающего воздуха для охлаждения наружных поверхностей 68, 80 кожуха 11, окружающий воздух, проходящий в проходы 37 экрана распорки, формирует барьер охлаждающего воздуха вокруг распорок 34 для того, чтобы обеспечить дополнительную тепловую защиту для распорок 34. Следовательно, давление ниже давления окружающей среды в полости 57 используется для того, чтобы активно создавать поток окружающего воздуха для охлаждения кожуха 11, а также для обеспечения защитного охлаждающего потока к структуре 34 распорки без отбора энергии от двигателя для создания воздушного потока, как, например, при использовании отбираемого от компрессора воздуха.
Следует понимать, что аспекты настоящего изобретения, использующие давление ниже давления окружающей среды для засасывания окружающего воздуха через охлаждающий канал 48 и радиально внутрь вдоль распорок 34, могут использоваться с любым из аспектов внешнего изолирующего слоя 122 и внутренних изолирующих слоев 46, 124, описанных выше. Следует отметить, что для специалистов в данной области техники представляется очевидным, что наряду с вышеприведенными вариантами настоящего изобретения могут иметь место и другие варианты в объеме патентной охраны настоящего изобретения. Таким образом подразумевается, что приложенная формула изобретения покрывает все такие изменения и модификации, которые находятся в объеме охраны настоящего изобретения.