ТЕПЛОЗАЩИТНЫЙ ЭКРАН ДЛЯ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ

Полезная модель  относится к теплозащитному экрану на несущей конструкции и может быть использована для защиты  камеры сгорания газовой турбины.
Теплозащитные экраны используются, в частности, в камерах сгорания газовой турбины газотурбинной установки (ГТУ). Камера сгорания ГТУ  может быть защищена от высокотемпературного воздействия теплозащитным экраном. Обычно теплозащитный экран содержит множество теплозащитных элементов, составляющих экранирующий стенку камеры сгорания и защищающей  ее от воздействия  теплового потока.
Теплозащитные экраны, обеспечивают защиту от  потоков газов,   имеющих температуру  от 1000 до 1600°C. В камерах сгорания газовых турбин ГТУ  используются теплозащитные экраны, имеющие значительную   площадь поверхности. В связи с температурным расширением экранирующих элементов и их значительными габаритами  применяются  составные теплозащитные экраны, состоящие из множества отдельных керамических или металлических теплозащитных элементов,  закрепленных  с зазором на  несущем каркасе.  Величина зазора между элементами  обеспечивает  компенсацию  от  их теплового расширения. Для дополнительной защиты экрана используется воздушное охлаждение элементов экрана.
Известен теплозащитный экран для камеры сгорания  газовой турбины, содержащий несущий каркас со множеством керамических плиток, закрепленных на нем при помощи разъемного соединения, снабженного системой охлаждения  (патент РФ № 2635742, МПК F23R 3/60,   Теплозащитный экран с устройством для охлаждения его несущей конструкции, опубл. Бюл. № 32, 2017 г) .
Известен также теплозащитный экран для камеры сгорания  газовой турбины, содержащий несущую конструкцию  и множество теплозащитных плиток, выполненных  из жаростойкого материала и закрепленных на  несущей конструкции, при помощи по меньшей мере одного крепежного винта, снабженного системой охлаждения  ( патент РФ № 2516713,  МПК F23R 3/60,  Система теплозащитного экрана с элементами для вхождения винтов и способ монтажа элемента теплозащитного экрана. Опубл.   Бюл. № 14, 2014 г.).
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является теплозащитный экран для камеры сгорания газовой турбины, выполненный в виде закрепленных на несущем каркасе  плиток с внешним керамическим покрытием на рабочей поверхности (патент РФ № 2184319. МПК F23R 3/00, Теплозащитный экран, в частности для конструкционных элементов газотурбинных установок. Опубл.  Бюл. № 18, 2002 г.). Известный  теплозащитный экран применяется  для защиты несущей конструкции от воздействия  горячей среды.
Задача настоящего полезной модели заключается в том, чтобы создать улучшенный теплозащитный экран и улучшенный крепежный элемент экрана.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является создание надежного в работе теплозащитного экрана с улучшенным охлаждением несущей конструкции, обеспечивающей эффективную теплоизоляцию деталей газовой турбины.
Технический результат полезной модели достигается за счет того, что  в теплозащитном экране для камеры сгорания газовой турбины, выполненном в виде закрепленных на несущем каркасе  плиток с внешним теплозащитным покрытием на рабочей поверхности, в отличие от прототипа,  плитки толщиной от 8 до 20 мм, выполнены из жаропрочного жаростойкого сплава на основе никеля и снабжены охлаждаемыми полыми болтами для закрепления плиток на упомянутом каркасе, а торцы плиток снабжены стенками, образующими при закреплении на упомянутом каркасе полости охлаждения, а в качестве внешнего теплозащитного покрытия используется двухслойного покрытие, нанесенное газотермическим напылением,  причем толщина  первого  слоя,  нанесенного из  жаростойкого материала составляет от 100 до 250 мкм,  а толщина второго слоя, нанесенного из    окиси циркония составляет от 100 до 1000 мм, причем в центральной части плитки выполнено отверстие под болт, который выполнен с внутренним каналом охлаждения, а плитки закреплены на каркасе с зазором, обеспечивающим компенсацию их термического расширения.
Кроме того,  в качестве жаропрочного жаростойкого сплава на основе никеля может быть  использован  сплав состава: Cr – 16-17%, Со – 8-10 %, Мо – 1,6 -2,0%, Al  –  3,2 -3,5%, Ti – 3,3 -3,5%, Nb –  0,8 - 1,0%, C – 0,10-0,12, B – 0,010-0,012 %,  Zr – 0,1-0,12%, Ta – 1,6-1,8%, W – 3,5 -3,8%. Остальное -  Ni  или сплав состава: Cr – 16-17%, Со – 8-9 %, Мо – 1,6 -2,0%, Al  –  3,2 -3,8%, Ti – 3,1 -3,8%, Nb –  0,6 - 1,0%, Re – 0,015-0,02, La – 0,1- 0,2, Ce – 0,01-0,015,   Ba – 0,02-0,03, Hf – 0,010-0,0,15,  C – 0,08-0,12, B – 0,010-0,015 %,  Zr – 0,1-0,12%, Ta – 1,6-2,0%, W – 2,5 -3,0%. Остальное -  Ni , а в качестве материала жаростойкого слоя использован сплав системы Ni–Co–Cr–Al–Y или Ni–Co–Cr–Al–Y,   причем в качестве материала жаростойкого Ni–Co–Cr–Al–Y может быть использован  сплав состава, в  вес.%:  Cr 22% , Al –10%, Y –1,0% - остальное Ni.
Теплозащитные экраны при эксплуатации камеры сгорания кроме высокой термической нагрузки частично подвержены также механическим нагрузкам посредством вибраций. Если элементы теплозащитного экрана не зафиксированы в осевом направлении несущей структуры, то при подобной механической нагрузке они могут смещаться в осевом направлении. Подобное смещение приводит, однако, в случае осесимметричных, в частности, конических камер сгорания или жаровых труб к изменениям осевых зазоров, а также окружных зазоров между элементами теплозащитного экрана. Если элементы теплозащитного экрана смещаются на несущей структуре, зазоры между ними могут уменьшаться или увеличиваться, что приводит к неравномерному вытеканию охлаждающей текучей среды и неравномерным температурным градиентам в зазорах. Поэтому для закрывания зазоров с учетом всех допусков зазоров при всех условиях эксплуатации имеет место повышенная потребность в охлаждающей текучей среде. В частности, принятие во внимание увеличенных зазоров повышает потребность в охлаждающей текучей среде. Кроме того, при отсутствии осевого фиксирования элементов теплозащитного экрана вследствие их не определенного точно осевого положения при монтаже требуется индивидуальная доработка, которая увеличивает время монтажа.
Посредством осевого фиксирования может быть эффективно предотвращен сдвиг элементов теплозащитного экрана, так что при определении потребности в охлаждающей текучей среде могут быть приняты меньшие допуски зазоров, за счет чего может быть установлена меньшая потребность в охлаждающей текучей среде. В частности, в комбинации с уплотнениями, расположенными как в осевых, так и в окружных зазорах, потребность в охлаждающей текучей среде может быть заметно уменьшена. Осевое фиксирование, кроме того, приводит также к более равномерным температурным градиентам на элементах теплозащитного экрана и к более равномерным тепловым напряжениям. За счет этого при термической нагрузке элементов теплозащитного экрана возникает меньше трещин или соответственно более короткие трещины, в результате чего снижается частота замены элементов теплозащитного экрана и инспекционные интервалы могут быть увеличены.
Плитки теплозащитного экрана выполняются из жаропрочного жаростойкого сплава на никелевой основе. В качестве сплава на никелевой основе могут использоваться сплавы составов, в вес %: Cr – 16-17%, Со – 8-10 %, Мо – 1,6 -2,0%, Al  –  3,2 -3,5%, Ti – 3,3 -3,5%, Nb –  0,8 - 1,0%, C – 0,10-0,12, B – 0,010-0,012 %,  Zr – 0,1-0,12%, Ta – 1,6-1,8%, W – 3,5 -3,8%. Остальное -  Ni  или сплав состава, вес %: Cr – 16-17%, Со – 8-9 %, Мо – 1,6 -2,0%, Al  –  3,2 -3,8%, Ti – 3,1 -3,8%, Nb –  0,6 - 1,0%, Re – 0,015-0,02, La – 0,1- 0,2, Ce – 0,01-0,015,   Ba – 0,02-0,03, Hf – 0,010-0,0,15,  C – 0,08-0,12, B – 0,010-0,015 %,  Zr – 0,1-0,12%, Ta – 1,6-2,0%, W – 2,5 -3,0%. Остальное -  Ni .
Как показали результаты эксплуатации газовых турбин, с точки зрения обеспечения надежности и ресурса теплозащитных экранов наиболее оптимальными являются следующие варианты их исполнения.
Выполнение экрана  в виде закрепленных на несущем каркасе  плиток толщиной от 8 до 20 мм с внешним теплозащитным покрытием на рабочей поверхности. Выполнение плиток  из жаропрочного жаростойкого сплава на основе никеля, в частности из сплава на никелевой основе составов, в вес %: Cr – 16-17%, Со – 8-10 %, Мо – 1,6 -2,0%, Al  –  3,2 -3,5%, Ti – 3,3 -3,5%, Nb –  0,8 - 1,0%, C – 0,10-0,12, B – 0,010-0,012 %,  Zr – 0,1-0,12%, Ta – 1,6-1,8%, W – 3,5 -3,8%. Остальное -  Ni  или сплав состава, вес %: Cr – 16-17%, Со – 8-9 %, Мо – 1,6 -2,0%, Al  –  3,2 -3,8%, Ti – 3,1 -3,8%, Nb –  0,6 - 1,0%, Re – 0,015-0,02, La – 0,1- 0,2, Ce – 0,01-0,015,   Ba – 0,02-0,03, Hf – 0,010-0,0,15,  C – 0,08-0,12, B – 0,010-0,015 %,  Zr – 0,1-0,12%, Ta – 1,6-2,0%, W – 2,5 -3,0%. Остальное -  Ni .
Использование в качестве внешнего теплозащитного покрытия плиток  двухслойного покрытия, нанесенного газотермическим напылением,  при толщине  первого  слоя,  нанесенного из  жаростойкого материала, составляющего  от 100 до 250 мкм и  толщине второго слоя, нанесенного из    окиси циркония составляющего от 100 до 1000 мкм. Использование в качестве материала жаростойкого слоя покрытия на плитке сплава системы  Ni–Co–Cr–Al–Y , в частности   сплава состава, в  вес.%:  Cr 22% , Al –10%, Y –1,0% - остальное Ni, или других подобных сплавов, не образующих на границе «подслой-керамика» многослойного покрытия интенсивно растущего слоя окислов металлов, приводящих к отслоению керамического слоя.
Снабжение теплозащитного экрана  охлаждаемыми полыми болтами для закрепления плиток на каркасе экрана, при выполнении торцов  плиток со стенками, образующими при закреплении на каркасе полости охлаждения. Выполнение в центральной части плитки отверстия под болт,  который выполнен с внутренним каналом охлаждения.
Закрепление плиток  на каркасе экрана с зазором, обеспечивающим компенсацию их термического расширения плиток.
Заявляемый теплозащитный экран иллюстрируется следующим рисунком.
На фиг. 1 представлен теплозащитный экран, с закрепленными на каркасе плитками. На фиг. 2 – внешний вид теплозащитного экрана.   Теплозащитный экран выполнен из закрепленных на каркасе 1  множества  металлических плиток 2  с теплозащитным покрытием 3  на их внешней поверхности.  Плитки 2 закреплены при помощи полых болтов 4, имеющих внутренний канал охлаждения 5. Для охлаждения теплозащитного экрана предусмотрены также отверстия 6 для подачи охлаждающей среды (воздуха – показаны стрелками). В процессе работы  теплозащитный  экран защищает элементы газовой турбины от чрезмерного перегрева от тепловых потоков,  исходящих из камеры сгорания. При этом долговечность и надежность работы теплозащитного экрана обеспечивается выполнением плиток 2 из жаростойкого жаропрочного сплава, а также наличием на внешней поверхности плиток 2  теплозащитного керамического покрытия 3, охлаждением плиток 2  и  болтов  4, также выполненных из жаростойкого жаропрочного материала. Для более эффективного охлаждения болтов 4,  в них предусмотрена внутренний канал охлаждения 5,  внутрь которого подается охлаждающая среда.
Предложенный теплозащитный экран имеет надежную в работе конструкцию,  с улучшенным охлаждением несущей конструкции, обеспечивающей эффективную теплоизоляцию деталей газовой турбины.