УДЕРЖИВАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ УДЕРЖИВАНИЯ КИРПИЧА ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ЭКРАНА И СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СТРУКТУРЫ ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ЭКРАНА
RETAINING ELEMENT FOR RETAINING BRICK OF HEAT SHIELD AND METHOD OF COOLING BEARING STRUCTURE OF HEAT SHIELD

Изобретение относится к удерживающему элементу для удерживания удерживаемого на несущей структуре кирпича теплозащитного экрана и к способу охлаждения несущей структуры теплозащитного экрана. Изобретение относится также к такого рода теплозащитному экрану, а также облицованной теплозащитным экраном камере сгорания и газовой турбине.
Во многих технических применениях используют теплозащитные экраны, которые должны противодействовать воздействию горячих газов с температурой от 1000 до 1600°C. В частности, газовые турбины, которые используют на вырабатывающих электрический ток электростанциях и в силовых установках самолетов, содержат внутри камер сгорания подлежащие экранированию с помощью теплозащитных экранов поверхности соответствующего размера. Вследствие термического расширения и больших размеров теплозащитный экран должен собираться из большого количества отдельных, в целом керамических кирпичей теплозащитного экрана, укрепляемых на несущей структуре с достаточным зазором друг от друга. Этот зазор обеспечивает для элементов теплозащитного экрана достаточное пространство для термического расширения. Поскольку, однако, зазор также обеспечивает возможность прямого контакта горячих газообразных продуктов сгорания с металлической несущей структурой и удерживающими элементами, в качестве контрмеры через зазоры в направлении камеры сгорания вдувается охлаждающий воздух.
Соответствующий родовому признаку теплозащитный экран содержит, тем самым, несущую структуру и определенное количество кирпичей теплозащитного экрана, закрепленных с возможностью отсоединения на несущей структуре с помощью удерживающих элементов, причем каждый кирпич теплозащитного экрана содержит одну обращенную к несущей структуре холодную сторону и одну, противоположную холодной стороне, нагружаемую горячей средой горячую сторону. Для защиты от горячих газов в несущей структуре предусмотрен, по меньшей мере, один проход для охлаждающего воздуха.
Соответствующий родовому признаку удерживающий элемент содержит один крепежный участок, который может крепиться на несущей структуре, и один удерживающий участок с удерживающей головкой, выполненной с возможностью зацепления с присутствующим на кирпиче теплозащитного экрана устройством зацепления. При укрепленном на несущей структуре крепежном участке и входящем в зацепление с кирпичом теплозащитного экрана удерживающем участке крепежный участок содержит одну верхнюю сторону, обращенную к холодной стороне кирпича теплозащитного экрана.
Заявка ЕР 1701095 А1 раскрывает названный выше теплозащитный экран камеры сгорания газовой турбины с одной несущей структурой и определенным количеством укрепленных с Возможностью отсоединения на несущей структуре кирпичей теплозащитного экрана. С целью защиты стенки камеры сгорания кирпичи теплозащитного экрана расположены на несущей структуре, покрывая поверхность с сохранением зазоров расширения, причем каждый кирпич теплозащитного экрана имеет одну, обращенную к несущей структуре, холодную сторону и одну, расположенную напротив холодной стороны, нагружаемую горячей средой горячую сторону. Кирпичи теплозащитного экрана пружиняще закреплены на несущей структуре соответственно с помощью двух удерживающих элементов. С этой целью каждый удерживающий элемент содержит один удерживающий участок с одним участком зацепления и один крепежный участок. В каждом кирпиче теплозащитного экрана на двух противолежащих периферийных сторонах выполнены удерживающие пазы, так что для удерживания кирпича теплозащитного экрана участки зацепления удерживающих элементов могут входить с зацеплением друг против друга в удерживающие пазы. Укрепленные таким образом, будучи расположенными друг против друга, удерживающие элементы направляются своим крепежным участком в несущей структуре в крепежном пазу, проходящем ниже кирпича теплозащитного экрана. С целью защиты от горячих газов участки зацепления металлических держателей кирпичей охлаждаются. Для этого в держателях кирпичей в области удерживающего участка и в удерживающих стопорах кирпичей теплозащитного экрана выполнены отверстия, которые расположены на одной прямой с расположенным в несущей структуре отверстием для охлаждающего воздуха, так что охлаждающий воздух из отверстия для охлаждающего воздуха с потоком по прямой линии попадает на холодную сторону участка зацепления.
Несмотря на такое охлаждение участков зацепления в соответствии с уровнем техники при нагружении теплозащитного экрана горячим газом может произойти втягивание горячего газа в области расширительных пазов между кирпичами теплозащитного экрана. После этого горячий газ может распространяться ниже кирпичей теплозащитного экрана и привести к образованию окалины на несущей структуре.
В связи с этим задача настоящего изобретения состоит в создании удерживающего элемента для удерживаемого на несущей структуре кирпича теплозащитного экрана, теплозащитного экрана с несущей структурой и способа охлаждения несущей структуры, благодаря которым можно особенно эффективно избежать образования окалины на несущей структуре вследствие втягивания горячего газа.
Следующая задача изобретения заключается в создании камеры сгорания и газовой турбины, с помощью которых можно особенно эффективно предотвратить образование окалины несущей структуры теплозащитного экрана, охваченного камерой сгорания.
В случае удерживающего элемента названного выше типа задача в соответствии с изобретением решается за счет того, что на крепежном участке расположен, по меньшей мере, один проход для охлаждающего воздуха. Проход для охлаждающего воздуха содержит одно входное отверстие и, по меньшей мере, одно выходное отверстие, расположенное в одной боковой поверхности и/или на поверхности крепежного участка. Входящий во входное отверстие охлаждающий воздух выходит из, по меньшей мере, одного выходного отверстия, причем с помощью прохода для охлаждающего воздуха охлаждающему воздуху может быть соответственно придано направление выхода, которое содержит компоненту скорости, параллельную холодной стороне, и предотвращает ударное охлаждение кирпича теплозащитного экрана, удерживаемого удерживающим участком. Для этого крепежный участок может располагаться на несущей структуре таким образом, что проход для охлаждающего воздуха сообщается, по меньшей мере, с одним из каналов охлаждающего воздуха, расположенных в несущей структуре.
Соответствующее изобретению выполнение удерживающего элемента позволяет осуществлять подвод охлаждающего воздуха в области крепежного участка ниже кирпича теплозащитного экрана. На основании этого охлаждающего воздуха, входящего в основном в центре под кирпичом теплозащитного экрана, достигается эффективное охлаждение несущей структуры на участках, служащих для крепления кирпичей теплозащитного экрана. Пружинящие удерживающие элементы, называемые также держателями кирпича, укреплены в основном в центре ниже кирпичей теплозащитного экрана. С помощью изобретения эта область эффективно охлаждается, причем прямому обдуву кирпичей теплозащитного экрана препятствует выполненный в соответствии с изобретением держатель кирпича. Тем самым, надежно предотвращается повреждение кирпичей теплозащитного экрана. Кирпичи теплозащитного экрана состоят в целом из керамического материала и в процессе эксплуатации входят на своей горячей стороне в непосредственное соприкосновение с горячими газами в камере сгорания. Ударное охлаждение кирпичей теплозащитного экрана с холодной стороны могло бы привести к термически наведенным напряжениям в кирпиче теплозащитного экрана и, следовательно, к повышенному образованию трещин в нем. В соответствии с изобретением встроенный в крепежный участок проход для охлаждающего воздуха может при пригодном позиционировании держателя кирпича на несущей структуре запитываться через, по меньшей мере, один канал охлаждающего воздуха в несущей структуре. Сообщение прохода для охлаждающего воздуха с каналом охлаждающего воздуха следует понимать в том смысле, что держатель кирпича может быть позиционирован на несущей структуре таким образом, что выходящий из канала охлаждающего воздуха охлаждающий воздух, по меньшей мере, частично, поступает во входное отверстие прохода для охлаждающего воздуха.
В этой позиции входное отверстие прохода для охлаждающего воздуха и выходное отверстие канала охлаждающего воздуха могут располагаться, например, на одной прямой. Тем самым, не должно существовать физического стационарного соединения между каналом охлаждающего воздуха в несущей структуре и проходом для охлаждающего воздуха в держателе кирпича. Держатель кирпича необходимо лишь позиционировать в пригодном месте на несущей структуре, в результате чего достигается возможность несложного встраивания или демонтажа кирпичей теплозащитного экрана в целях технического обслуживания. Например, удерживающие элементы могут направляться в крепежных пазах, причем расположенные в несущей структуре каналы охлаждающего воздуха располагаются в основании крепежного паза. При этом держатели кирпича могут выдвигаться через каналы охлаждающего воздуха в целях технического обслуживания. Проход для охлаждающего воздуха может располагаться, например, в обращенной от удерживающего участка концевой области крепежного участка.
Направление потока охлаждающего воздуха при выходе из выходного отверстия прохода для охлаждающего воздуха может быть за счет соответствующего исполнения прохода для охлаждающего воздуха направлено на подлежащую охлаждению область несущей структуры. При этом направление общего импульса потока охлаждающего воздуха, выходящего из выходного отверстия прохода для сжатого воздуха, не направлено на теплозащитный экран. Поскольку соответствующее направление выходящего потока содержит компоненту скорости, проходящую параллельно холодной стороне кирпича теплозащитного экрана, предотвращается и ударное охлаждение кирпича теплозащитного экрана.
В соответствии с одним предпочтительным выполнением проход для охлаждающего воздуха сообщается с возвышением, выполненным на верхней стороне крепежного участка.
Такое выполнение изобретения позволяет располагать, по меньшей мере, одно выходное отверстие прохода для охлаждающего воздуха сбоку в возвышении.
Предпочтительным может также рассматриваться утолщение крепежного участка в области возвышения.
Поскольку, таким образом, в распоряжении находится больше материала, проход для охлаждающего воздуха может располагаться, например, внутри крепежного участка, например, в виде расположенного на крепежном участке отверстия охлаждающего воздуха, которое охватывает, по меньшей мере, одно выходное отверстие, расположенное в одной боковой поверхности возвышения. Отверстие охлаждающего воздуха может иметь, например, Т-образную форму.
В соответствии с одним выполнением изобретения крепежный участок проходит в области возвышения ступенчато смещенным. В соответствии с этим выполнением проход для охлаждающего воздуха может быть выполнен в виде паза, расположенного ниже ступени. Паз может содержать две противолежащие боковые поверхности. Паз может, однако, содержать также лишь одну боковую поверхность. Тем самым, проход для охлаждающего воздуха охватывает два выпускных отверстия, расположенных в одной боковой поверхности крепежного участка. Проход для охлаждающего воздуха может содержать следующие, расположенные в возвышении выпускные отверстия.
Предпочтительным образом возвышение выполнено ступенчатым и содержит, по меньшей мере, одну боковую поверхность, указывающую в направлении крепежного участка. В соответствии с этим усовершенствованием изобретения, по меньшей мере, одно выходное отверстие прохода для охлаждающего воздуха расположено в этой боковой поверхности.
Таким образом, возможно особенно эффективное охлаждение области несущей структуры, на которой удерживается крепежный участок. С этой целью посредством соответствующего выполнения прохода для охлаждающего воздуха поток охлаждающего воздуха, выходящего из прохода для охлаждающего воздуха, может направляться на боковые края крепежного участка.
Далее, предпочтительно, крепежный участок содержит продольную плиту основания, к одной торцевой стороне которой примыкает крепежный участок, а на другой торцевой стороне которой расположена стопорная плита, смещенная в направлении плиты основания в направлении кирпича теплозащитного экрана. Тем самым с помощью стопорной плиты выполняется ступенчатое возвышение на верхней стороне крепежного участка. В этом случае проход для охлаждающего воздуха ограничен, по меньшей мере, нижней стороной стопорной плиты и проходящей ниже блокировочной плиты частью торцевой стороны плиты основания.
Это выполнение изобретения имеет весьма простую конструкцию. Соответствующий изобретению удерживающий элемент мог бы быть реализован, например, путем крепления стопорной плиты на поверхности обычного крепежного участка.
Следующей задачей изобретения является создание названного выше теплозащитного экрана, благодаря которому можно особенно эффективно предотвращать образование окалины на несущей структуре в результате всасывания горячего газа.
С этой целью, по меньшей мере, один из охваченных теплозащитным экраном удерживающий элемент выполнен в соответствии с одним из пп. 1-9. По меньшей мере, один из расположенных в несущей структуре канал охлаждающего воздуха сообщается с удерживающим элементом, так что при укрепленных на несущей структуре кирпичах теплозащитного экрана выходящий из канала охлаждающего воздуха охлаждающий воздух, по меньшей мере, частично поступает во входное отверстие прохода для охлаждающего воздуха.
То, что расположенный в несущей структуре канал охлаждающего воздуха сообщается с удерживающим элементом, следует понимать таким образом, что удерживающий элемент со своим крепежным участком может быть позиционирован на несущей структуре таким образом, что выходящий из канала охлаждающего воздуха охлаждающий воздух, по меньшей мере, частично поступает во входное отверстие прохода для охлаждающего воздуха.
Задачей изобретения является также создание названной выше камеры сгорания и названной выше газовой турбины, по меньшей мере, с одной камерой сгорания, с помощью которой можно особенно эффективно предотвращать образование окалины на несущей структуре вследствие всасывания горячего газа.
С этой целью теплозащитный экран выполнен в соответствии с п. 10 или, по меньшей мере, одна камера сгорания выполнена в соответствии с п. 11.
Задачей изобретения является также создание способа охлаждения несущей структуры теплозащитного экрана, с помощью которого можно особо эффективно предотвращать образование окалины на несущей структуре вследствие всасывания горячего газа.
Используемый при осуществлении способа теплозащитный экран содержит определенное количество кирпичей теплозащитного экрана, которые могут крепиться с возможностью их удаления на несущей структуре. Кирпичи теплозащитного экрана укреплены на несущей структуре с помощью удерживающих элементов.
Для решения указанной задачи охлаждающий воздух подается в направлении от несущей структуры вдоль проема для охлаждающего воздуха, образованного крепежным участком одного удерживающего элемента, по меньшей мере, к одной верхней стороне и/или боковой поверхности крепежного участка. При этом с помощью прохода для охлаждающего воздуха охлаждающий воздух приобретает направление потока, которое предотвращает ударное охлаждение кирпича теплозащитного экрана.
Придание направления потоку охлаждающего воздуха следует понимать в том смысле, что охлаждающий воздух выходит из одного или нескольких выходных отверстий проема для охлаждающего воздуха. Каждый из этих потоков охлаждающего воздуха имеет при выходе указывающий при необходимости в различных направлениях общий импульс. Общим для них является, конечно, предотвращение ударного охлаждения теплозащитного экрана. Такого рода общий импульс всегда содержит, тем самым, одну компоненту скорости, параллельную холодной стороне кирпича теплозащитного экрана, и не направлен непосредственно на кирпич.
Предпочтительно охлаждающий воздух при выходе из проема для охлаждающего воздуха направлен, по меньшей мере, на одну область несущей структуры, на которой укреплен крепежный участок удерживающего элемента.
Может быть предусмотрено, в частности, что проходящий вдоль проема для охлаждающего воздуха охлаждающий воздух направлен на край крепежного паза.
С этой целью форма прохода для охлаждающего воздуха выполнена соответствующим образом.
Дальнейшие целесообразные выполнения и преимущества изобретения являются предметом описания примеров исполнения изобретения со ссылкой на фигуры чертежей, причем одинаковые ссылочные обозначения указывают на действующие одинаковым образом конструктивные элементы.
При этом фигуры показывают:
фиг. 1 - схематическое изображение газовой турбины согласно уровню техники;
фиг. 2 - в перспективе схематическое изображение соответствующего изобретению удерживающего элемента в соответствии с первым примером выполнения;
фиг. 3 - в сечении изображенный на фиг. 2 удерживающий элемент, расположенный на несущей структуре соответствующего изобретению теплозащитного экрана;
фиг. 4 - в перспективе схематическое изображение соответствующего изобретению удерживающего элемента в соответствии со вторым примером исполнения; и
фиг. 5 - в сечении изображенный на фиг. 4 удерживающий элемент, расположенный на несущей структуре соответствующего изобретению теплозащитного экрана.
Фиг. 1 показывает схематический вид в сечении газовой турбины 1 согласно уровня техники. Газовая турбина 1 содержит внутри укрепленный с возможностью вращения вокруг оси 2 вращения ротор 3 с валом 4, называемый также рабочим колесом турбины. Вдоль ротора 3 следуют один за другим всасывающий корпус 6, компрессор 8, система 9 сжигания с определенным количеством камер 10 сгорания, которые содержат соответственно одно устройство 11 горелки и один корпус 12, турбина 14 и вытяжной корпус 15. Корпус 12 в целях защиты от горячих газов облицован теплозащитным экраном (не изображен).
Система 9 сжигания сообщается с каналом горячих газов, имеющим, например, кольцеобразную форму. Там несколько включенных одна за другой каскадов турбины образуют турбину 14. Каждый каскад турбины образован из лопаточных колец. При рассмотрении в направлении потока рабочей среды в горячем канале образованного направляющими лопатками 17 ряда следует ряд, образованный направляющими лопатками 18. При этом направляющие лопатки 17 укреплены на внутреннем корпусе статора 19, в отличие от этого направляющие лопатки 18 одного ряда расположены на роторе 3, например, с помощью диска турбины. К ротору 3 подсоединен, например, генератор (не изображен).
Во время работы газовой турбины компрессор 8 через всасывающий корпус 6 производит всасывание и сжатие воздуха. Подготовленный на расположенном на стороне турбины конце компрессора 8 сжатый воздух направляется к системе 9 сжигания и в области устройства 11 горелки смешивается там с топливом. Затем смесь с помощью устройства 11 горелки сжигается в системе 9 сжигания с образованием потока рабочего газа. Оттуда поток рабочего газа проходит вдоль канала горячего газа мимо направляющих лопаток 17 и направляющих лопаток 18. На направляющих лопатках 18 поток рабочего газа разряжается с передачей импульса, так что направляющие лопатки 18 приводят в действие ротор 3, который приводит в действие присоединенный к нему генератор (не показан).
Фиг. 2 показывает в перспективе соответствующий изобретению удерживающий элемент 22 в соответствии с первым примером выполнения. Пример выполнения удерживающего элемента 22 охватывает прямоугольный, имеющий форму плиты крепежный участок 23, к одной торцевой стороне которого под прямым углом примыкает удерживающий участок 24. Удерживающий участок 24 содержит удерживающую головку 25, выполненную с возможностью вхождения в зацепление с присутствующим на (не изображенном) кирпиче теплозащитного экрана устройством зацепления. Крепежный участок 23 содержит одну верхнюю сторону 28. Для крепления удерживающего элемента 22 на несущей структуре (не изображена) крепежный участок 23 расширен по участкам. Это расширение крепежного участка 23 называют также башмаком 29. К башмаку 29 примыкает расположенное на верхней стороне 28 крепежного участка 23 возвышение 30, так что крепежный участок утолщен в области возвышения 30. Возвышение 30 имеет ступенчатую форму с одной указывающей в направлении удерживающего участка 24 боковой поверхностью 32. В рамках изобретения термин «боковая поверхность крепежного участка 23» охватывает также боковую поверхность 32. Показанный крепежный участок 23 содержит проход для охлаждающего воздуха, который проходит через утолщенную область крепежного участка 23. Проход 34 для охлаждающего воздуха сообщается, таким образом, с возвышением 30, выполненным на верхней стороне крепежного участка. Проход 34 для охлаждающего воздуха содержит одно входное отверстие 35 и два выходных отверстия 37 и 38. Выходные отверстия 37, 38 расположены в противолежащих боковых поверхностях 32, 39 крепежного участка. Изображенный проход 34 для охлаждающего воздуха является отверстием для охлаждающего воздуха, содержащим выходное отверстие 38, расположенное на боковой поверхности 32 возвышения 30, указывающей в направлении крепежного участка 24.
Поток охлаждающего воздуха, поступающий через входное отверстие 35 в проход 34 для охлаждающего воздуха, делится за счет конфигурации Т-образного прохода 34 для сжатого воздуха на два потока и выходит из прохода 34 для охлаждающего воздуха через выходные отверстия 37 и 38. Во время прохождения через проход 34 для охлаждающего воздуха охлаждающему воздуху придается направление выхода, параллельное верхней стороне крепежного участка 23. За счет этого предотвращается ударное охлаждение структур (не изображены), расположенных выше удерживающего элемента 22.
Фиг. 3 показывает фрагмент соответствующего изобретению теплозащитного экрана 42 с несущей структурой 43 и одним укрепленным на несущей структуре удерживающим элементом 22, выполненным в соответствии с фиг. 2. Удерживающий элемент 22 наложен своим крепежным участком 23 на несущую структуру 43 и для удерживания кирпича (не изображен) теплозащитного экрана содержит удерживающий участок 24. В этой позиции верхняя сторона 28 крепежного участка 23 обращена к холодной стороне удерживаемого удерживающим участком 24 кирпича (не изображен) теплозащитного экрана.
В показанном виде в продольном сечении изображен проход 34 для охлаждающего воздуха, описанный более подробно на фиг. 2. Входное отверстие 35 прохода 34 для охлаждающего воздуха находится на одной прямой с расположенным на несущей структуре каналом 45 охлаждающего воздуха. Таким образом, крепежный участок 23 расположен на несущей структуре 43 таким образом, что проход 34 для охлаждающего воздуха сообщается с расположенным в несущей структуре 43 каналом 45 охлаждающего воздуха. На фигуре изображены, например, два пути 47 и 48 потока, вдоль которых часть охлаждающего воздуха, выходящего из канала 45 охлаждающего воздуха, проходит через проем 34 для охлаждающего воздуха. С помощью прохода 34 для охлаждающего воздуха потоку охлаждающего воздуха придается направление 50 и 51 выхода, которое содержит компоненту скорости, параллельную холодной стороне удерживаемого удерживающим элементом кирпича теплозащитного экрана, что предотвращает ударное охлаждение кирпича теплозащитного экрана.
Фиг. 4 показывает соответствующий изобретению удерживающий элемент 54 в соответствии со вторым примером выполнения. Удерживающий элемент 54 отличается от изображенного на фиг. 2 удерживающего элемента иным выполнением прохода 55 для охлаждающего воздуха. При этом крепежный участок 23 содержит продольную плиту 57 основания, к одной торцевой стороне которой примыкает удерживающий участок 24, а на другой торцевой стороне 58 которой расположена стопорная плита 60, смещенная относительно плиты 57 основания в направлении кирпича (не изображен) теплозащитного экрана. Тем самым в верхней стороне крепежного участка 23 выполнено ступенчатое возвышение 30 и крепежный участок 23 проходит ступенчато смещенным. Проход 55 для охлаждающего воздуха ограничен нижней стороной стопорной плиты 60 и проходящей ниже стопорной плиты торцевой стороной 58 плиты 57 основания. Тем самым, проход 55 для охлаждающего воздуха содержит одно выходное отверстие 62, расположенное в боковых поверхностях крепежного участка 23 и огибающее конец крепежного участка 23. При достижении прохода 55 охлаждающего воздуха охлаждающему воздуху придается направление 59, 61, 63 выхода, которое проходит параллельно холодной стороне удерживаемого удерживающим участком кирпича теплозащитного экрана.
Фиг. 5 показывает фрагмент соответствующего изобретению теплозащитного экрана 64 с несущей структурой 43 и укрепленным на несущей структуре удерживающим элементом 54, выполненным в соответствии с фиг. 4. Содержащий плиту 57 основания и стопорную плиту 60 крепежный участок 23 укреплен на несущей структуре 43 таким образом, что канал 45 охлаждающего воздуха сообщается с проходом 55 для охлаждающего воздуха. Охлаждающему воздуху, который вдоль примерно изображенных путей 65 и 66 потока выходит из канала 45 охлаждающего воздуха и входит во входное отверстие 68 прохода 55 для охлаждающего воздуха и выходит из выходного отверстия 62, придается направление 59, 61, 63 выхода. В случае изображенного примера исполнения направление выхода направлено параллельно холодной стороне удерживаемого крепежным участком 24 кирпича (не изображен) теплозащитного экрана. Изображенный пример выполнения особенно хорошо пригоден для охлаждения краев крепежного паза (не изображен), в котором на несущей структуре укреплен удерживающий элемент 54.
В рамках изобретения направление, параллельное холодной стороне кирпича теплозащитного экрана, равнозначно направлению, параллельному поверхности несущей структуры, обращенной к кирпичу теплозащитного экрана. При этом неровности поверхности несущей структуры остаются без учета.