ЭЛЕМЕНТ ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ЭКРАНА
ELEMENT OF HEAT-SHIELDING SCREEN

Изобретение относится к элементу теплозащитного экрана, теплозащитному экрану на несущей конструкции, применению теплозащитного экрана для турбин и к способу монтажа элемента теплозащитного экрана с признаками, приведенными в ограничительных частях соответствующих независимых пунктов формулы изобретения.
Во многих технических областях используются мощные керамические теплозащитные экраны для того, чтобы противодействовать температурам от 1000 до 1600°С. В частности, теплозащитные экраны турбин, таких как газовые турбины и газотурбинные двигатели, находящие применение на электростанциях и в самолетах большой грузоподъемности, имеют соответственно большие, экранируемые теплозащитными экранами поверхности внутри камер сгорания. Из-за теплового расширения и больших размеров экран должен состоять из большого числа отдельных, изготовленных из керамики элементов, отстоящих друг от друга с достаточным зазором. Этот зазор дает элементам теплозащитного экрана достаточное пространство для теплового расширения. Однако поскольку зазор обеспечивает также непосредственный контакт горячих газов сгорания с несущей теплозащитный экран конструкцией, в качестве эффективной контрмеры через зазоры в направлении камеры сгорания по охлаждающим каналам вдувается охлаждающая текучая среда в виде охлаждающего воздуха. Этот охлаждающий воздух используется также для целенаправленного обдува и, тем самым, для охлаждения металлических держателей, с помощью которых на несущей конструкции скреплены керамические элементы теплозащитного экрана (CHS, Ceramic Heat Shields). В еще более усовершенствованных устройствах охлаждающий воздух вдувается также под керамическими элементами теплозащитного экрана, чтобы обеспечить охлаждение нижней стороны.
Чтобы выполнить держатели как можно более простыми и цельными, известна конструкция, в которой они, с одной стороны, вставляются в параллельные пазы, огибающие несущую конструкцию по окружности, а с другой стороны, сжимаются захватными участками с удерживающими пазами, выполненными в боковых поверхностях керамических элементов теплозащитного экрана. Эти элементы последовательно вставляются держателями в пазы несущей конструкции, причем последующие элементы блокируют предварительно позиционированные элементы в их положении. Таким образом, в камере сгорания газовой турбины можно выполнить, например, огибающий по окружности ряд элементов теплозащитного экрана.
Однако последний оставшийся элемент нельзя установить описанным образом, поскольку соседние с обеих сторон элементы блокируют тангенциально направленное движение монтажа. Часто такой последний элемент называется бутафорским камнем или бутафорией. Следовательно, для размещения последнего элемента используются решения с резьбовыми соединениями, которые обеспечивают монтаж в направлении нормали к поверхности несущей конструкции. В известном резьбовом соединении для этого используются четыре винта, входящие в выемки, выполненные для этого в боковых поверхностях элемента. Это решение невыгодно по многим причинам, поскольку, с одной стороны, четыре винта требуют дополнительного охлаждения и за счет этого большего расхода охлаждающего воздуха, а с другой стороны, монтаж связан с проблемой обращения с четырьмя винтами. Это вынуждает использовать, например, фиксирующие средства, такие как клей или липкая лента, которые ненадежны, в результате чего винты могут потеряться и из-за опасности повреждения должны быть обязательно найдены. Также невозможен верхний монтаж, так что возникают значительные затраты времени на позиционирование большого турбинного устройства в соответствующем удобном 6-часовом положении места монтажа. Кроме того, может потребоваться помощь двух человек для монтажа последнего элемента, поскольку четыре винта приходится вставлять в соответствующие четыре отверстия в несущей конструкции. Наконец, следует еще учесть, что винты из-за применяемого высокожаропрочного сплава относительно дороги, а из-за высоких требований к безопасности при каждом демонтаже должны заменяться новыми.
В публикациях ЕР 1701095 А1 и ЕР 0558540 В1 раскрыт выполненный, как описано выше, теплозащитный экран с описанными преимуществами и недостатками. Его элементы часто называются также камнями, а удерживающие их держатели - камнедержателями.
В публикации ЕР 1533572 А1 раскрыт элемент теплозащитного экрана, охватываемый теплозащитным экраном камеры сгорания турбины, который включает в себя большое число его соседних с несущей конструкцией элементов. Раскрытый элемент теплозащитного экрана содержит образующий горячую сторону керамический облицовочный элемент и образующую холодную сторону изолирующую часть. Для закрепления элемента теплозащитного экрана на несущей конструкции внутри отверстия, проходящего через середину облицовочного элемента и через изолирующую часть, предусмотрено резьбовое соединение.
В публикации ЕР 0724116 А2 также раскрыта керамическая облицовка камер сгорания по меньшей мере с одним элементом теплозащитного экрана, имеющим для своего монтажа на несущей конструкции центральное сквозное отверстие, через которое проходит крепежный элемент. Элемент теплозащитного экрана включает в себя образующую горячую сторону керамическую стеновую плиту и образующий холодную сторону изолирующий слой.
В связи с описанными выше недостатками уровня техники задачей изобретения является создание такого элемента теплозащитного экрана, который можно монтировать последним из большого числа таких элементов и который содержал бы небольшое число монтажных элементов, и при этом сохранялась жарозащитная функция, а также циркуляция охлаждающей текучей среды.
Согласно первому аспекту изобретение предлагает элемент теплозащитного экрана, содержащий большое число соседних с несущей конструкцией элементов теплозащитного экрана, причем элемент теплозащитного экрана имеет горячую и холодную стороны.
Согласно этому аспекту задача решается за счет того, что элемент теплозащитного экрана имеет образующую горячую сторону плиту теплозащитного экрана и образующую холодную сторону несущую плиту, причем плита теплозащитного экрана монтируется на несущей плите. За счет этого можно разделить и выполнить соответственно предпочтительным образом закрепление последнего элемента теплозащитного экрана на несущей конструкции на закрепление несущей плиты на несущей конструкции и закрепление несущей плиты на плите теплозащитного экрана.
Преимущественно образующая горячую сторону плита теплозащитного экрана изготовлена из жаропрочного спеченного или керамического материала, а образующая холодную сторону несущая плита - из металлического материала или металлического сплава.
Для монтажа плиты теплозащитного экрана на несущей плите в плите теплозащитного экрана выполнено отверстие, причем положение этого отверстия на поверхности плиты теплозащитного экрана предусмотрено, в основном, в виде симметричного положения. Одного этого отверстия достаточно, чтобы реализовать резьбовое соединение. При этом поперечный размер отверстия преимущественно меньше диаметра головки крепежного винта, вставляемого в несущую плиту.
Согласно особенно предпочтительному варианту осуществления изобретения в несущей плите в соответствующем отверстию плиты теплозащитного экрана положении выполнено углубление с отверстием, в которое вставляется крепежный винт, причем его головка заперта в пространстве, образованном углублением и обращенной к несущей плите стороной плиты теплозащитного экрана. За счет этого крепежный винт не может выпасть.
Плита теплозащитного экрана имеет по одному, выполненному в двух противоположных и обращенных друг от друга боковых кромках удерживающему пазу, в которые захватными участками входят держатели.
Для размещения и фиксации держателя несущая плита имеет по меньшей мере один паз, который имеет расширяющееся основание и образующий открытую сторону сужающийся участок.
Другие преимущества достигаются тогда, когда несущая плита и плита теплозащитного экрана сжаты между собой с помощью по меньшей мере двух держателей, причем держатель имеет средства для вхождения в удерживающие пазы плиты теплозащитного экрана и средства для вхождения в пазы несущей плиты.
Выполненные в держателе средства для вхождения в удерживающие пазы плиты теплозащитного экрана выполнены преимущественно в виде захватных участков.
Выполненные в держателе средства для вхождения в пазы несущей плиты выполнены предпочтительно в виде расширяющегося башмака, ширина которого соответствует ширине расширяющегося основания паза несущей плиты.
Держатель может иметь далее служащий в качестве удерживающей пружины крепежный участок, ширина которого соответствует ширине сужающегося участка паза несущей плиты.
Толщина плиты теплозащитного экрана и толщина несущей плиты образуют преимущественно общую ширину предложенного составного элемента теплозащитного экрана, которая соответствует толщине цельного керамического элемента теплозащитного экрана.
Согласно второму аспекту задача решается посредством теплозащитного экрана на несущей конструкции, имеющего большое число элементов по меньшей мере с одним элементом теплозащитного экрана в описанном выше выполнении.
Для этого предложенный элемент теплозащитного экрана предусмотрен в качестве последнего элемента, завершающего ряд предварительно смонтированных соседних элементов теплозащитного экрана.
Согласно изобретению его задачи могут быть также решены посредством применения теплозащитного экрана по меньшей мере с одним элементом в описанном выше выполнении для изготовления сжигательной установки или турбины, причем турбина может быть выполнена, в частности, в виде газовой турбины.
Согласно технологическому аспекту для решения указанных задач изобретения применяется способ монтажа элемента теплозащитного экрана в одном из описанных выше предпочтительных выполнениях.
Этот предложенный способ отличается преимущественно тем, что крепежный винт вставляется в выполненное в углублении отверстие, а плита теплозащитного экрана с помощью по меньшей мере двух держателей, вставляемых своим соответствующим башмаком в пазы несущей плиты, сжимается с металлической несущей плитой за счет вхождения держателей захватными участками в удерживающие пазы, выполненные в обращенных друг от друга кромках плиты теплозащитного экрана.
Предложенный способ дает дополнительные преимущества, если по меньшей мере один держатель скрепляется с несущей плитой с силовым замыканием на крепежном отверстии, причем держатель, противоположный этому по меньшей мере одному закрепленному держателю, оставляется незакрепленным.
Согласно изобретению возможно также выполнение в виде так называемого Pocket-CHS (карманный камень).
В результате согласно изобретению можно изготовить элемент теплозащитного экрана, легко монтируемый в качестве его последнего элемента в виде так называемой бутафории, причем обеспечиваются как жаровая защита, так и охлаждение металлических держателей и несущей плиты охлаждающим воздухом.
Другие предпочтительные варианты осуществления изобретения следуют из остальных, приведенных в зависимых пунктах формулы изобретения признаков. Кроме того, другие признаки, свойства и преимущества изобретения приведены в нижеследующем описании примеров его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Изобретение поясняется ниже на примерах его осуществления с помощью соответствующих чертежей, на которых изображают:
фиг.1 - частичное сечение предпочтительного варианта выполнения элемента теплозащитного экрана;
фиг.2 - вид сбоку элемента теплозащитного экрана;
фиг.3 - перспективный вид элемента теплозащитного экрана;
фиг.4 - перспективный вид несущей конструкции;
фиг.5 - перспективный вид держателя;
фиг.6 - увеличенный перспективный частичный вид элемента теплозащитного экрана в зоне держателя.
На фиг.1 изображено частичное сечение предпочтительного варианта выполнения элемента 1 теплозащитного экрана.
Элемент 1 выполнен из двух частей и содержит преимущественно керамическую плиту 10 теплозащитного экрана и преимущественно металлическую несущую плиту 5. Общая толщина обеих плит выбрана так, что она равна толщине обычного, полностью керамического цельного элемента теплозащитного экрана, чтобы получить равномерно толстый теплозащитный экран.
Несущая плита 5 содержит посередине выполненное, в основном, осесимметричным крепежное устройство, состоящее из выдающегося к холодной стороне 4 выступа 3 и углубления 12, в которых выполнено отверстие. В это крепежное отверстие может быть вставлен крепежный винт 2.
Обе плиты сжаты между собой преимущественно пружинящими металлическими держателями 7 (фиг.5, 6), причем держатель 7 своим захватным участком 21 входит в боковой удерживающий паз 8 плиты 10 теплозащитного экрана.
Плита 10 имеет сквозное отверстие 11, расположенное точно над крепежным винтом 2. Через это отверстие 11 может быть введен монтажный инструмент (не показан) для вставки в головку винта 2 и его вращения, когда элемент теплозащитного экрана крепится на несущей конструкции. Диаметр отверстия 11 выбран так, чтобы монтажный инструмент, например отвертка или торцовый ключ, мог свободно проходить через него. За счет этого диаметр отверстия 11 может поддерживаться минимальным, благодаря чему в него от горячей стороны 9 может проникать меньше жара и вызывать там тепловую проблему.
Однако поскольку головка крепежного винта 2 намного больше отверстия 11, он должен быть вставлен в крепежное отверстие углубления 12 прежде, чем несущая плита 5 и плита 10 теплозащитного экрана будут сжаты между собой держателями 7. После этого крепежный винт 2 находится в запертом пространстве между обеими плитами и, тем самым, не может выпасть.
На фиг.2 изображен вид сбоку элемента 1 теплозащитного экрана с разворотом на 90° по сравнению с фиг.1.
Видно, как держатель 7 вставлен в несущую плиту 5. Предусмотренный для размещения держателя 7 паз 6 несущей плиты 5 выполнен в выступающем к холодной стороне выступе 13. Последний образует направляющую 13, преимущественно одну на каждой стороне несущей плиты 5, которая вводится в соответствующий паз 15 несущей конструкции 16 и обеспечивает несущей плите 5 со смонтированной на ней плитой 10 теплозащитного экрана точные позиционирование и выверку. Пазы 15 в несущей конструкции 16 необязательно должны быть предусмотрены в ней для элемента 1 теплозащитного экрана, а, как правило, уже предусмотрены для монтажа обычных цельных керамических элементов теплозащитного экрана с помощью таких же по конструкции держателей 7.
На фиг.3 изображен перспективный общий вид элемента 1 теплозащитного экрана, содержащего керамическую плиту 10 теплозащитного экрана и металлическую несущую плиту 5.
Плиты 10 и 5 удерживаются вместе преимущественно четырьмя держателями 7. В другом варианте число держателей 7 может быть уменьшено по меньшей мере до двух, т.е. до одного с каждой стороны. Для этого держатели 7 входят в удерживающие пазы 8 на двух обращенных друг от друга противоположных кромках плиты 10. Подробно это крепление изображено на фиг.5 и 6. При этом держатели 7 имеют такую же конструкцию, которая обычно используется для закрепления цельных керамических элементов теплозащитного экрана, однако в отличие от этого смонтированы на металлической несущей плите 5, позиционированной между плитой 10 и несущей конструкцией 16.
Отверстие 11 служит, как уже сказано, для вставки узкого монтажного инструмента, чтобы ввинтить крепежный винт 2 в несущую конструкцию 16, где либо имеется резьба, либо расположена ответная гайка.
На фиг.4 изображен перспективный вид несущей конструкции 16, например турбины.
Несущая конструкция 16 имеет параллельные пазы 15, в которых последовательно с помощью пружинящих металлических держателей 7 зажимаются цельные керамические элементы теплозащитного экрана. Преимущественно его последний элемент образован составным элементом 1.
Для этого в несущей конструкции 16 точно в месте расположения последнего элемента теплозащитного экрана выполнена расточка 22, в которую вставляется выступ 3 металлической несущей плиты 5. Одновременно два параллельных выступа 13 соответствующих размеров вставляются в параллельные, при необходимости, расширяющиеся пазы 15 несущей конструкции 16, в результате чего составной элемент 1 теплозащитного экрана занимает точно заданное положение на ней.
В предпочтительных вариантах выполнения несущая конструкция 16 может иметь охлаждающие отверстия 23, связанные с каналами для охлаждающего воздуха.
Поверхность несущей конструкции 16 может быть плоской или искривленной. Кроме того, кривизна может быть выпуклой или вогнутой.
Предпочтительно составной элемент 1 теплозащитного экрана является завершающим элементом теплозащитного экрана в обусловленном этим монтажном направлении, которое, в основном, следует по нормали к поверхности несущей конструкции. Однако для облегчения доступа и уменьшения затрат на замену дефектного элемента теплозащитного экрана могут быть предусмотрены несколько завершающих мест в ряду элементов теплозащитного экрана. Тогда, чтобы заменить лишь несколько элементов, необязательно демонтировать все элементы одного ряда.
Кроме того, составной элемент 1 теплозащитного экрана обеспечивает простой монтаж одним человеком и только с одной стороны установки, если в несущей конструкции 16 предусмотрено резьбовое устройство или резьба для крепежного винта 2.
На фиг.5 в перспективе изображен держатель 7. Он изготовлен преимущественно из металла и имеет крепежный участок 18, называемый также удерживающей пружиной, которым держатель 7 может быть закреплен на несущей конструкции 16 стенки камеры сгорания, например газотурбинной установки.
Каждый держатель 7 вставлен в паз 6 несущей плиты 5 (фиг.6).
При этом расширяющийся отрезок крепежного участка 18, так называемый башмак держателя 7, с узким допуском входит в выполненный параллельно поверхности 6 несущей плиты 5 паз 6 глубиной, например, около 10 мм. Такое крепление изготовленных целиком из керамики стандартных элементов теплозащитного экрана на несущей конструкции 16 известно. Согласно изобретению этот известный вид крепления применяется в служащей в качестве промежуточного элемента несущей плите 5. Благодаря этому, согласно изобретению сохранены преимущества зарекомендовавшего себя вида крепления.
Паз 6 выполнен так, что он имеет необходимую для вставки башмаков ширину только в основании. При подъеме держатель 7 в пазу 6 опирается на узкий участок паза 6, что обеспечивает удерживающее держатель 7 усилие. За счет этого не расширяющаяся часть крепежного участка 18 может быть беспрепятственно поднята в пазу 6. Крепежное отверстие 17 в башмаке служит для фиксации всех или некоторых держателей 7 в пазу, что может осуществляться от холодной стороны несущей плиты 5 с помощью штифтов, фиксирующих потайных винтов или резьбового соединения. Обычно элемент теплозащитного экрана удерживается с двух противоположных сторон соответственно двумя держателями 7, т.е. в общей сложности четырьмя держателями 7.
Крепежные участки 3 расположенных с другой стороны держателей 7 в одном предпочтительном варианте не фиксированы, так что они могут скользить, чтобы не препятствовать тепловому расширению элемента теплозащитного экрана.
На конце удерживающей пружины 18, противоположном концу с крепежным отверстием 17, выполнена удерживающая головка 20. Она имеет отогнутый, в основном, под прямым углом к удерживающей пружине 18 участок 19 и захватный участок 21, который в свою очередь отогнут перпендикулярно участку 19. Захватный участок 21, называемый также захватной лапкой, служит для вхождения в паз элемента теплозащитного экрана. За счет вхождения захватных лапок 21 держателей 7, закрепленных на несущей плите 5, в удерживающие пазы 8 на обращенных друг от друга сторонах плиты 10 теплозащитного экрана элемент теплозащитного экрана может быть сжат с несущей плитой 5 (фиг.6).
На фиг.6 изображен увеличенный перспективный частичный вид элемента 1 теплозащитного экрана в зоне держателя 7.
При этом плита 10 с горячей стороной 9 расположена на находящейся под ней несущей плите 5 и сжата держателем 7. Паз 6 несущей плиты 5 имеет при этом широкое основание и узкий участок 14, через который может выходить удерживающая пружина 18 держателя 7, тогда как башмак удерживается с помощью крепежного отверстия 17.