ТЕПЛОЗАЩИТНЫЙ ЭКРАН Российский патент 1997 года по МПК F16L59/12 F23M5/04 

Изобретение относится к керамическому теплозащитному экрану на несущей структуре, причем теплозащитный экран содержит множество кирпичей, которые расположены в основном с покрытием поверхности рядом друг с другом и закреплены металлическими держателями на несущей структуре.

Подобные усиленные теплозащитным экраном несущие структуры находят многообразное применение, например, в качестве жаровых труб или каналов для горячих газов в установках для сжигания, например, таких, как газотурбинные установки. Соответствующие усиленные теплозащитным экраном несущие структуры исходят из DE-B 11 73 734, DE 25 23 449 C3 и DE 36 25 056 A1. Согласно DE-B 11 73 734 теплозащитный экран состоит из профилированных кирпичей, имеющих снабженные пазами боковые стороны, и причем каждый кирпич закреплен между по меньшей мере двумя держателями, которые входят в зацепление с пазами. Держатели содержат накладки, расположенные под закрепляемым кирпичом на несущей структуре и жестко связанные с ней.

Согласно DE 36 25 056 A1 кирпичи снабжены скошенными боковыми сторонами и лежат непосредственно на подлежащей защите от термической нагрузки несущей структуре. Они закреплены металлическими скобками трапециевидного поперечного сечения, которые вложены в V-образные зазоры соответственно между двумя кирпичами и затянуты с помощью болтов или тому подобного относительно несущей структуры.

В качестве недостатка при некоторых условиях в случае теплозащитного экрана согласно DE-B 11 73 734 следует выделить то, что горячая текущая среда, которая должна удерживаться на расстоянии от несущей структуры, может подтекать под теплозащитный экран, поскольку кирпичи должны быть расположены при необходимости с зазором от несущей структуры, и что кроме того нельзя в достаточной степени учитывать вызванные термической нагрузкой изменения пружинящей силы держателе. Подтекание горячей среды под теплозащитный экран может приводить к возможным повреждениям несущей структуры. Не полный учет изменений пружинящей силы держателей под термической нагрузкой может приводить при высокой термической нагрузке к отделению кирпичей или к чрезмерной механической нагрузке кирпичей при низкой термической нагрузке. Теплозащитный экран согласно DE 36 25 056 A1 хотя и не имеет опасности вследствие подтекания, т.к образующие теплозащитный экран кирпичи лежат непосредственно на несущей структуре; однако металлические крепежные элементы теплозащитного экрана непосредственно подвержены воздействию горячей текучей среды и ограничивают термическую предельную допускаемую нагрузку теплозащитного экрана или соответственно требуют особых мер для охлаждения.

Из SU а.с. N 930390 (опубл. 1982) известен теплозащитный экран, содержащий множество теплоизоляционных блоков на несущей структуре, в основном с покрытием ее поверхности рядом друг с другом и закрепленных на ее поверхности металлическими держателями, причем каждый блок имеет опирающуюся на структуру и обращенную от нее соответственно холодную и горячую стороны, соединенные между собой.

Соответственно настоящему изобретению должен быть создан керамический теплозащитный экран на несущей структуре, при котором в значительной степени избегается повреждение несущей структуры горячей текучей средой и при котором держатели кирпичей выполнены и расположены таким образом, что они без связанного с затратами охлаждения или тому подобного фиксируют кирпичи надежно и без чрезмерных нагрузок в возможно большом диапазоне температур.

Согласно изобретению создан теплозащитный экран на несущей структуре, причем теплозащитный экран содержит множество кирпичей, которые расположены в основном с покрытием поверхности рядом друг с другом и закреплены с помощью металлических держателей на несущей структуре, причем
a) несущая структура снабжена пазами, каждый из которых имеет две противоположные стенки паза, дно паза и отверстие паза;
b) каждый кирпич имеет наложенную на несущую структуру холодную сторону, обращенную от несущей структуры горячую сторону и по меньшей мере две боковых стороны, каждая из которых соединяет холодную сторону с горячей стороной;
c) каждой боковой стороне придан по меньшей мере один держатель который, по меньшей мере, частично охватывает боковую сторону с захватной пластинкой, каждый держатель закреплен в пазу на крепежной накладке, которая направлена практически перпендикулярно к захватной пластинке.

Согласно изобретения в несущей структуре предусмотрены пазы, в которых фиксированы служащие для крепления кирпичей держатели. Таким образом кирпичи могут быть наложены непосредственно на несущую структуру, и исключается опасность подтекания. Хотя каналы между кирпичами и несущей структурой в виде покрытых кирпичами пазов и остаются, однако с помощью соответствующего выбора размеров и подходящего пространственного направления пазов а также, при необходимости, с помощью дальнейших мер можно предотвратить проникновение обтекающей горячую сторону кирпичей горячей текучей среды в пазы. Изобретение позволяет также полностью отказаться от металлических крепежных элементов, которые расположены на горячей стороне кирпичей. Наконец оказываемые держателями на кирпичи нагрузки являются в основном нагрузками давления, которые не являются критичными с точки зрения хрупкости керамики. Чреватые опасностью сдвигающие нагрузки и тянущие нагрузки практически полностью избегаются.

Изобретение позволяет также значительное упрощение крепления держателей в несущей структуре; так в случае выгодного дальнейшего развития изобретения каждая стенка паза каждого паза в области дна паза может быть снабжена проходящим примерно параллельно относительно дна паза удерживающим пазом, в который входит держатель удерживающей пружиной, находящейся на крепежной накладке с зазором относительно захватной пластинки. При этом больше не требуется закреплять держатели болтами или тому подобным. Установка держателя ограничивается вдвиганием удерживающих пружин в удерживающие пазы стенок пазов. Фиксация положения держателя в пазу обуславливается трением сцепления холодной стороны охваченного скобой кирпича на несущей структуре; это трение сцепления является, как правило, более чем достаточно высоким вследствие шероховатости поверхности обычно неглазурованной керамической массы кирпичей.

В рамках изобретения можно кроме того защитить пружинящее действие металлических держателей и противодействовать опасности пластической деформации при монтаже и при эксплуатации, так что достигается определенная защита относительно отделения кирпичей. В смысле дальнейшего развития изобретения для этого каждый паз в области отверстия паза на каждой стенке паза снабжен упорной планкой, за счет чего ширина паза в области отверстия паза несколько уменьшается. Каждый держатель к тому же на крепежной накладке получает две упорные кромки, каждая из которых придана одной упорной планке, и причем упорные кромки выступают за приданные им упорные планки. Таким образом каждая упорная кромка упирается на соответствующую упорную планку, если захватная пластинка держателя соответственно далеко выгибается из паза. Таким образом ограничивается деформация держателя, и ведущие к пластичным деформациям изгибы могут быть исключены.

Выгодным далее является в случае структурированных стенок паза снабжать каждый паз вводным отверстием, в которые могут вкладываться держатели и из которых они могут вводиться в паз. Это является в равной степени важным и предпочтительным для пазов, стенки которых содержат удерживающие пазы и/или упорные планки.

Позиционирование держателей в пазах может быть обеспечено и улучшено за счет того, что соответственно между двумя держателями в пазу располагают дистанционный элемент в виде пластинки или тому подобное. Такой дистанционный элемент может быть закреплен, например, на полу паза, в частности, привинчен или введен в удерживающие пазы посредством удерживающих пружин. Введение дистанционного элемента является особенно предпочтительным между двумя соседними держателями, которые приданы различным кирпичам, так как дистанцирование держателей, приданных одному и тому же кирпичу, уже имеет место за счет этого кирпича.

В случае особенно выгодного дальнейшего развития изобретения в рамках любого выполнения каждый кирпич на каждой боковой стороне снабжен пазом и каждый приданный кирпичу держатель охватывает боковую сторону только между захватным пазом и холодной стороной. Таким образом металлические удерживающие элементы лежат полностью сзади горячих сторон кирпичей, а термическое повреждение этих удерживающих элементов уменьшено до минимума.

Особое значение имеет изобретение для теплозащитных экранов на несущих структурах, которые являются осесимметричными относительно оси, например, цилиндрическим или коническими. В таких случаях каждый паз выгодным образом расположен по окружности вокруг оси. Так пазы проходят перпендикулярно к направлению, вдоль которого может протекать горячая текучая среда на теплозащитном экране. Таким образом может быть в основном исключено подтекание под теплозащитный экран горячей текучей среды, которая проникает в пазы. Для дальнейшего снижения термической нагрузки металлических держателей, что может быть необходимым в рамках явно высокотемпературных применений, таких как, например, в камерах сгорания газотурбинных установок, несущая структура может быть снабжена каналами для подачи текучей среды через несущую структуру в пазы. Предпочтительным является при этом придавать каждому держателю по меньшей мере один канал так, чтобы держатель мог охлаждаться подаваемой по каналу текучей средой. Так как текучая среда вытекает между кирпичами, это запирает также зазор между кирпичами, а также пазы несущей структуры относительно горячей текучей среды; наряду с охлаждением это обуславливает также предпочтительное "запирание".

В случае другого выгодного выполнения изобретения в рамках любого выполнения пазы приформованы к несущей структуре, например, выточены или выфрезерованы. Таким образом можно заметно снизить затраты на изготовление в противоположность к также возможной конструкции пазов путем помещения дополнительных деталей на несущую структуру.

Дальнейшее пояснение изобретения производится на основе представленных на чертеже предпочтительных примеров выполнения. Там, где это выгодно для выявления специфичных преимуществ изобретения, чертеж схематизирован или слегка искажен.

На фиг. 1 показан пример с многими возможностями выполнения для керамического теплозащитного экрана на несущей структуре согласно изобретению; на фиг. 2 пример закрепления кирпича согласно изобретению; на фиг. 3-5 - различные виды металлического держателя для керамического теплозащитного экрана на несущей структуре согласно изобретению; на фиг. 6 металлические держатели для конического теплозащитного экрана на несущей структуре согласно изобретению.

На несущей структуре 1 (фиг. 1), которая является осесимметричной относительно оси 20, закреплены кирпичи 2 с помощью держателей 31, 32 для образования керамического теплозащитного экрана. Каждый держатель 31, 32 находится в пазу 4, который вделан в несущую структуру 1 и имеет две стенки паза 5, дно паза 6 и отверстие паза 7. Кирпич 2 имеет наложенную на несущую структуру 1 холодную сторону 8 и обращенную от несущей структуры 1 горячую сторону 9. Кроме того каждый кирпич 2 имеет боковые стороны 10, которые соединяют друг с другом холодную сторону 8 и горячую сторону 9 и частично охвачены захватной пластинкой 11 приданного держателя 31, 32. Само собой разумеется, возможно также полностью охватить боковую сторону 10 захватной пластинкой 11, т. е. вплоть до горячей стороны 9. Однако таким образом держатели 31, 32 оказываются частично незащищено воздействию горячей текучей среды, которая направляется через структуру вдоль в основном параллельного относительно оси 20 направления течения, в результате чего предельная допускаемая нагрузка теплозащитного экрана при некоторых условиях ограничивается. Поэтому является особенно выгодным, в каждой боковой стороне 10 размещать захватный паз 19, в который может входить захватная пластинка 11 соответствующего приданного держателя 31, 32 при сохранении известного расстояния от горячей стороны 9. Холодная сторона 8 каждого кирпича 2 в основном плоско опирается на несущую структуру 1 и прижимается к ней держателями 31, 32 так, что кирпич 2 вследствие трения сцепления керамической холодной стороны 8 на металлической несущей структуре 1 достаточно фиксирован в его положении. На фиг. 1 представлены две возможности выполнения для держателей 31, 32 и паза 4. В простейшем случае, как представлено на правой стороне фиг. 1, паз 4 имеет примерно прямоугольное поперечное сечение, а крепежная накладка 12 каждого держателя 31 опирается на дно паза 6 и укреплена там, например, с помощью болтов или тому подобного. Дальнейшее развитие держателей 32 и паза 4 представлено на левой стороне фиг. 1. Держатель 32 имеет на своей крепежной накладке 12 удерживающие пружины 14, которые входят в зацепление с удерживающими пазами 13, выполненными в стенках паза 5. Таким образом держатель 32 может быть достаточно закреплен в пазу 4. Далее отверстие паза 7 на левой стороне фиг. 1 сужено упорными планками 15 на обеих стенках пазов так, что каждая стенка паза 5 получает примерно трапециевидную форму. С упорными планками 15 корреспондируют упорные кромки 16 держателя 32. Если держатель 32 на захватной пластинке 11 достаточно далеко выгнут из паза 4, что может происходить, как при монтаже, так и при эксплуатации, то упорные кромки 16 упираются на упорные планки 15 и предотвращают дальнейшее движение захватной пластинки 11 из паза наружу. Пластические деформации держателя 32 тем самым эффективно предотвращаются. Согласно специальной форме выполнения изобретения представленная на фиг. 1 несущая структура 1 снабжена каналами 21 для подачи текучей среды на держатели 31, 32. С помощью этой меры можно больше повысить нагрузку теплозащитного экрана, в частности, в случае явно высокотемпературных применений, которые имеют место в камерах сгорания газотурбинных установок.

Фиг. 2 показывает детали закрепления кирпича 2 на несущей структуре 1. Кирпич 2 имеет две противоположные боковые стороны 10 между горячей стороной 9 и холодной стороной 8, которые снабжены захватными пазами 19, в которые входит захватная пластинка 11 в основном L-образного держателя 3. Согласно изобретения держателя 3 жестко закреплены в пазу 4 несущей структуры 1 на крепежных накладках 12, которые опираются на дно паза 6. Крепежные средства, выбор которых и применение лежит в рамках возможностей соответствующего специалиста, здесь не представлены. Обе крепежные накладки 12 расположены таким образом, что они проходят под кирпич 2 и соответственно защищаются им от чрезмерной термической нагрузки. На фиг. 2 далее схематически показан дистанционный элемент 18 на дне паза 6, который может служить для дистанционирования держателей 3, приданных различным кирпичам 2.

Фиг. 3-5 показывают различные виды держателя 3. Для пояснения делается ссылка на все эти три фигуры вместе. Каждый держатель 3 содержит крепежную накладку 12, на которой он закреплен на дне паза 6. Это крепление может производиться посредством болтов, которые вставляются через отверстие 22. Выгодным образом однако крепление держателя производится посредством удерживающих пружин 14, которые вдвинуты в удерживающие пазы 13 (фиг. 1). В любом случае крепление держателя 3 производится с зазором от захватной пластинки 11, которая примерно под прямым углом отстоит от крепежной накладки 12, чтобы обеспечить достаточную для крепления кирпича 2 (фиг. 1) эластичность. Чтобы держатель 3 при монтаже и/или эксплуатации не подвергался чрезмерным изгибам, крепежная накладка 12 снабжена упорными кромками 16, которые (фиг. 1) упираются в соответственно выполненном пазу 4 при чрезмерных изгибах в соответствующие упорные планки 15.

Фиг. 6 показывает следующий пример выполнения для держателя 3 в связи с соответствующим изобретению керамическим теплозащитным экраном на несущих структурах. Как уже пояснялось, изобретение позволяет не только футеровку плоских или цилиндрических структур, но и позволяет также усиление сложных, например, конически выполненных несущих структур. 1 Коль скоро несущая структура имеет осевую симметрию, пазы могут быть вырезаны из несущей структуры, вращающейся вокруг определенной осевой симметрией оси. В пазах такого рода больше не могут при определенных условиях использоваться представленные на фиг. 3-5 держатели 3 с в основном прямыми крепежными накладками 12. Крепежные накладки 12 должны быть, как представлено на фиг. 6, согласованы с формой паза посредством дуговой или имеющей вид параллелограмма выемки. Для пазов в конических структурах крепежные накладки 12 могут быть изогнуты для этого вдоль двух направляющих линий 23, которые в конкретном случае являются концентричными окружностями. Для крепежных накладок 12, которые оказываются в положении под подлежащим креплению кирпичом, для каждой боковой стороны кирпича необходим иначе выполненный держатель 3. На фиг. 6 это обозначено. Направляющие линии 23 в основном представляют собой развертку вписывающихся в паз 4 кривых на плоскости. Ради полноты обозначено также расширение паза 4, вводное отверстие 17 для введения держателей 3. Держатели 3, которые оказываются в положении во вводном отверстии 17, должны независимо от вида крепления остальных держателей 3 крепиться посредством болтов или тому подобного, которые направляются через соответствующие отверстия 22.

С помощью настоящего изобретения создается керамический теплозащитный экран на несущей структуре, который содержит множество кирпичей, закрепленных металлическими держателями на несущей структуре, причем предельная допустимая механическая и термическая нагрузка теплозащитного экрана является чрезвычайно высокой. Изобретение создано с расчетом особенно для явно высокотемпературных применений, которые имеют место, например, в современных газотурбинных установках.

Использование: изобретение относится к изоляции теплотехнических установок. Сущность изобретения: теплозащитный экран на несущей структуре 1 содержит множество кирпичей 2 , которые расположены в основном с покрытием поверхности рядом друг с другом на несущей структуре 1 и закреплены имеющими примерно V-образную форму металлическими держателями 3, 31, 32, которые жестко закреплены в пазах 4 несущей структуры 1. Согласно дальнейшему развитию изобретения держатели 3, 31, 32 могут быть полностью экранированы посредством обращенных к горячей текучей среде горячих сторон 9 кирпичей 2. Кроме того согласно дальнейшему развитию изобретения можно отказаться от связанных с затратами средств крепления для держателей 3, 31, 32. Соответствующее изобретению устройство теплозащитного экрана на несущей структуре 1 может выдерживать очень высокие нагрузки, просто в изготовлении и не подвергает кирпичи 2 никаким нагрузкам, которые могут быть сомнительными с точки зрения хрупкости керамики. 13 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Теплозащитный экран, содержащий множество кирпичей, размещенных на несущей структуре в основном с покрытием ее поверхности рядом друг с другом и закрепленных на указанной структуре металлическими держателями, причем каждый кирпич имеет опирающуюся на несущую структуру и обращенную от нее соответственно холодную и горячую стороны, соединенные между собой по меньшей мере двумя боковыми сторонами, отличающийся тем, что несущая структура выполнена с пазами, имеющими каждый две противоположные стенки, дно и отверстие, кирпичи на каждой боковой стороне имеют по крайней мере один упомянутый держатель, выполненный в виде захватной пластины, частично охватывающей соответствующую боковую сторону кирпича и имеющей закрепленную в упомянутом пазу крепежную накладку, отогнутую практически перпендикулярно относительно захватной пластины. 2. Экран по п. 1, отличающийся тем, что в каждой стенке каждого паза в зоне, примыкающей к его дну, выполнен проходящий параллельно последнему удерживающий паз, а на каждой крепежной накладке держателя на участке, примыкающем к пластине, выполнены две удерживающие пружины, заведенные в соответствующий удерживающий паз. 3. Экран по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в каждом пазу в зоне его входного проема выполнен упорный выступ, а каждый держатель на крепежной накладке с одной стороны и с другой ее стороны снабжен упорными кромками, взаимодействующими с указанным выступом для обеспечения фиксации держателя в проеме. 4. Экран по п. 2 или 3, отличающийся тем, что каждый паз выполнен с вводным проемом для ввода держателей в паз. 5. Экран по одному из пп. 1 4, отличающийся тем, что в каждом пазу между соседними держателями установлены дистанционирующие элементы. 6. Экран по одному из пп. 1 5, отличающийся тем, что в каждой боковой стороне каждого кирпича выполнен захватный паз, а захватная пластина каждого держателя расположена с возможностью охвата боковой стороны кирпича в зоне между указанным пазом и его холодной стороной. 7. Экран по одному из пп. 1 6, отличающийся тем, что несущая структура выполнена осесимметричной. 8. Экран по п. 7, отличающийся тем, что каждый паз выполнен в виде осесимметричного кольца относительно оси симметрии структуры. 9. Экран по одному из пп. 1 8, отличающийся тем, что в несущей структуре в дне ее пазов в зонах каждого держателя выполнено по крайней мере по одному каналу для подачи к держателям охлаждающей текучей среды. 10. Экран по одному из пп. 1 9, отличающийся тем, что пазы сформованы в теле несущей структуры. 11. Экран по одному из пп. 1 10, отличающийся тем, что крепежная накладка каждого держателя расположена под холодной стороной соответствующего кирпича. 12. Экран по одному из пп. 1 11, отличающийся тем, что несущая структура выполнена проницаемой вдоль оси ее симметрии для горячего потока, в частности горячего газа, направление которого перпендикулярно практически каждому пазу. 13. Экран по одному из пп. 1 12, отличающийся тем, что он расположен в установке для сжигания. 14. Экран по одному из пп. 1 12, отличающийся тем, что он расположен в газотурбинной установке.