СИСТЕМА ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ЭКРАНА С ЭЛЕМЕНТАМИ ДЛЯ ВХОЖДЕНИЯ ВИНТОВ И СПОСОБ МОНТАЖА ЭЛЕМЕНТА ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ЭКРАНА Российский патент 2014 года по МПК F23R3/60 F23M5/04 F02C7/24 F16L59/12 

Изобретение относится к системе теплозащитного экрана с элементом теплозащитного экрана, к элементу для вхождения винта, к способу монтажа элемента теплозащитного экрана в системе теплозащитного экрана и к применению системы теплозащитного экрана с указанными в отличительных частях соответствующих независимых пунктов формулы изобретения признаками.

Для решения различных технических задач используются мощные керамические теплозащитные экраны с целью противостояния температурам от 1000 до 1600°С. В частности, теплозащитные экраны турбинных машин, таких как газовые турбины и турбинные двигательные установки, которые находят применение на электростанциях и в больших самолетах, имеют, соответственно, большие защищенные посредством теплозащитных экранов поверхности внутри камер сгорания. Из-за термического расширения и больших габаритов экран должен быть собран из большого количества отдельных изготовленных из керамического материала элементов теплозащитного экрана, которые располагаются на достаточном расстоянии друг от друга. Зазор между ними образует достаточное пространство для термического расширения. Так как зазор делает, однако, возможным также и непосредственный контакт горячих отработанных газов с удерживающей теплозащитный экран несущей структурой, в качестве эффективной контрмеры через зазоры в направлении камеры сгорания по вентиляционным каналам вдувается охлаждающая текучая среда в виде охлаждающего воздуха. Этот охлаждающий воздух используется далее для того, чтобы целенаправленно обдувать и тем самым охлаждать металлические держатели, при помощи которых керамические элементы теплозащитного экрана (CHS, Ceramic Heat Shields) закреплены на несущей структуре.

Известно конструктивное решение для создания простых и монолитных держателей, при котором эти держатели, с одной стороны, могут быть введены с зацеплением в сформированные в несущей структуре по кругу и параллельно монтажные пазы, а с другой стороны, посредством сформированных захватов могут быть закреплены в сформированных в боковых кромках керамических элементов теплозащитного экрана стопорных пазах. Элементы теплозащитного экрана друг за другом вместе с держателями водятся в пазы несущей структуры, причем последующие элементы фиксируют ранее позиционированные элементы в их положении. Таким образом, к примеру, круговой ряд элементов теплозащитного экрана может быть образован в камере сгорания газовой турбины.

Последний оставшийся элемент теплозащитного экрана, однако, не может быть смонтирован таким же образом, так как расположенные с обеих сторон смежные элементы теплозащитного экрана блокируют ориентированное по касательной перемещение в процессе монтажа. Зачастую такой последний элемент теплозащитного экрана именуется декоративной пластиной или декоративным элементом. Поэтому для установки последнего элемента теплозащитного экрана используются решения с винтовыми соединениями, которые позволяют осуществлять монтаж элемента теплозащитного экрана в направлении перпендикуляра к поверхности несущей структуры.

В известном винтовом соединении для этого используются четыре винта, которые входят в зацепление в образованные для этого в боковых кромках элемента теплозащитного экрана выемки (см. фиг.1 и 2). Недостатком данного решения являются проблемы при монтаже. Установка четырех винтов требует, к примеру, использования фиксирующих средств, таких как клей или клейкая лента, которые не являются надежными, вследствие чего винты могут быть утеряны и ввиду высокой степени опасности повреждения турбины перед началом эксплуатации обязательно должны быть обнаружены. Монтаж «над головой» также является трудоемким мероприятием, так как винты в результате фиксации клейкой лентой могут перекоситься и таким образом не смогут быть введены в предусмотренные отверстия. Так как речь идет о последнем элементе теплозащитного экрана, то винты не могут быть позиционированы от руки, а должны быть введены в отверстия посредством внутреннего шестигранника - на ощупь.

В частности, сложно установить крепежные винты в соответствующие отверстия несущей структуры.

ЕР 1701095 А1 и ЕР 0558540 В1 в качестве примера описывают осуществленный по вышепредставленному описанию теплозащитный экран с указанными преимуществами и недостатками. В кругу специалистов элементы теплозащитного экрана именуются также камнями, удерживающие их элементы - держателями камней, а сформированные в боковых кромках элементов теплозащитного экрана пазы - карманами.

Предложенное изобретение ставит своей задачей возможность осуществления надежного и несложного монтажа элемента теплозащитного экрана, в частности замкового камня или декоративного элемента, в направлении перпендикуляра к поверхности несущей структуры образованного из большого количества элементов теплозащитного экрана.

Для решения данной задачи изобретение в соответствии с первым аспектом исходит из устройства теплозащитного экрана с элементом теплозащитного экрана, в частности с декоративным элементом, для имеющего большое количество смежно расположенных на несущей структуре элементов теплозащитного экрана. При этом элемент теплозащитного экрана, в частности декоративный элемент, закреплен на несущей структуре при помощи по меньшей мере одного крепежного винта в предусмотренном в несущей структуре средстве для привинчивания, к примеру, в виде по меньшей мере одной резьбовой гайки.

В соответствии с изобретением предусмотренное в несущей структуре средство для привинчивания оснащено конусообразным элементом для вхождения винта, в который может быть установлен или введен крепежный винт.

Предпочтительным является, если средство для привинчивания имеет по меньшей мере один упругий элемент, в частности пакет тарелки пружины, который служит для компенсации термического расширения элемента теплозащитного экрана. В предпочтительном варианте конусообразный элемент для вхождения винта с силовым замыканием закреплен на пакете тарелки пружины.

В следующем предпочтительном варианте осуществления предложенного на рассмотрение изобретения конусообразный элемент для вхождения винта с силовым замыканием закреплен в выемке несущей структуры. Несущая структура может иметь на каждый ряд элементов теплозащитного экрана по меньшей мере один паз для удержания камней, в частности два паза для удержания камней. Особо предпочтительный вариант осуществления выявляется тогда, когда выемка в несущей структуре идентична пазу для удержания камней. В данном случае нет необходимости предусматривать какую-либо специальную выемку, что экономит расходы на изготовление.

В соответствии со следующим предпочтительным вариантом осуществления изобретения соединение с силовым замыканием конусообразного элемента для вхождения винта осуществлено посредством сварки, или прессовой посадки, или за одно целое со средством для привинчивания или с несущей структурой.

Сварка выполнена далее в предпочтительном варианте посредством точечной сварки, шовной сварки, электрически, посредством газового пламени или трения/ультразвука.

В соответствии со следующим аспектом задача в соответствии с изобретением решена посредством элемента для вхождения винта для системы теплозащитного экрана в соответствии с описанным ранее предпочтительным вариантом осуществления.

Элемент для установки винта образован в предпочтительном варианте посредством по меньшей мере одной наклонно расположенной относительно продольной оси крепежного винта поверхности скольжения, причем поверхность скольжения сужается до диаметра средства для привинчивания.

Задача в соответствии с изобретением решается далее посредством способа монтажа системы теплозащитного экрана в соответствии с описанным выше вариантом осуществления.

Это достигается в предпочтительном варианте посредством того, что

- элемент теплозащитного экрана, которым, в частности, может являться декоративный элемент, при вертикальном относительно несущей структуры перемещении в процессе монтажа устанавливается в свое предусмотренное между соседними элементами теплозащитного экрана на несущей структуре положение,

- крепежные винты устанавливаются в соответствующий конусообразный элемент для вхождения винта и ввинчиваются в предусмотренное в несущей структуре средство для привинчивания.

В соответствии со следующим вариантом осуществления способа монтажа в соответствии с изобретением крепежные винты предварительно устанавливаются на элементе теплозащитного экрана.

При использовании системы теплозащитного экрана с упругими держателями камней эти упругие держатели камней с крепежными винтами или без них предварительно монтируются и, соответственно, закрепляются на элементе теплозащитного экрана.

Задача в соответствии с изобретением решатся далее также посредством использования системы теплозащитного экрана в соответствии с описанным ранее предпочтительным вариантом осуществления для образования теплозащитного экрана, в частности замкового камня или декоративного элемента теплозащитного экрана, двигателя внутреннего сгорания, в частности турбины.

Изобретение разъясняется далее на примерах осуществления, на основании приложенных чертежей, которые демонстрируют:

фиг.1 - фрагмент поперечного сечения известной системы теплозащитного экрана,

фиг.2 - фрагмент изображения в перспективе известного элемента теплозащитного экрана с фиг.1, и

фиг.3 - поперечное сечение системы теплозащитного экрана в соответствии с изобретением.

Фиг.1 и 2 демонстрируют фрагмент известной системы 1 теплозащитного экрана в разрезе.

В известных системах 1 теплозащитных экранов элементы 3 теплозащитных экранов или так называемые «камни» при помощи в общей сложности четырех винтовых соединений закрепляются на несущей структуре 30. Речь идет, в частности, о замковых или декоративных камнях теплозащитного экрана.

В боковых кромках элемента 3 теплозащитного экрана образованы углубления или карманы 5 с боковыми выемками 6, в которые сбоку могут помещаться стержень 17 винта и головка 13 винта. Под головкой 13 винта расположен распределитель давления 14 или шайба, которая распределяет давление по большей площади и таким образом предохраняет керамический корпус элемента 3 теплозащитного экрана.

Элемент 3 теплозащитного экрана со всеми четырьмя установленными крепежными винтами 15 и распределителями 14 давления в соответствии с уровнем техники должен монтироваться на несущую структуру 30 вертикально, а четыре стержня 17 винтов должны быть установлены в четыре соответственно расположенных в несущей структуре 30 отверстия под винты. Так как помещенные сбоку в карманы 5 винты могут легко выпасть, они предварительно фиксируются в своем положении при помощи клея или клеящей ленты. При установке винта такое клеевое соединение, однако, нарушается, и винты могут либо выпасть, либо перекоситься и в результате не попадут в отверстия под винты несущей структуры 30.

Так как винты сравнительно высоко выступают из несущей структуры, то они обтекаются горячим газом, проникающим через имеющиеся между соседними элементами 3 теплозащитного экрана зазоры, их температура повышается, вследствие чего возникает необходимость в их охлаждении. Охлаждение производится, к примеру, в форме обдувки через каналы и вентиляционные трубопроводы 25. В качестве охлаждающего канала может служить монтажный паз или паз 40 для удержания камня несущей структуры 30 или специальные образованные в несущей структуре каналы 26.

Так как при таком типе монтажа термическое расширение керамического элемента 3 теплозащитного экрана и металлического крепежного винта 15 существенно и различно, то крепежный винт 15, кроме того, ввинчен в пакет 19 тарелки пружины с целью обеспечения возможности термического смещения элемента теплозащитного экрана. Пакет 19 тарелки пружины заделан во втулку 20, закрытую фиксирующей шайбой 22. Эта фиксирующая шайба 22 предотвращает выпадение тарелки пружины и резьбовой гайки 21, когда винт 15 еще не вставлен. Резьбовая гайка 21, кроме того, защищена от прокручивания во втулке 20 пакета, так что крепежный винт 15 может быть ввинчен в нее.

Установка крепежных винтов 15 является проблематичной, в частности, если должна быть произведена установка четырех крепежных винтов 15.

Такое известное конструктивное решение представляет собой, таким образом, проблему при осуществлении монтажа, так что этот монтаж может быть произведен лишь силами двух человек.

Фиг.3 демонстрирует фрагмент поперечного сечения системы 1 теплозащитного экрана в соответствии с изобретением.

Элемент 3 теплозащитного экрана устанавливается непосредственно до того момента, когда вместе с помещенным сбоку в карман 5 крепежным винтом 15 и распределителем 14 давления будет вертикально опущен в свое положение на несущей структуре 30.

В соответствии с изобретением на служащем в качестве средства привинчивания пакете 19 тарелки пружины расположен конусообразный элемент 33 для вхождения винта. Элемент 33 для вхождения винта имеет в предпочтительном варианте круговую наклонную поверхность 35 скольжения, которая сужается до диаметра средства привинчивания, в данном случае сквозного отверстия в пакете 19 тарелки пружины.

Элемент 33 для вхождения винта выполнен при этом в предпочтительном варианте в виде металлической воронки и помещен на выполненное во втулке 20 пакета 19 тарелки пружины посадочное место. Фиксация элемента 33 для вхождения винта на посадочном месте может быть осуществлена посредством известного способа закрепления, такого как точечная сварка, шовная сварка, сварка трением, ультразвуковая сварка, прессовая посадка и т.д. В другом варианте осуществления изобретения элемент 33 для вхождения винта может быть выполнен также за одно целое с втулкой 20 пакета. В следующем усовершенствованном варианте осуществления изобретения элемент 33 для вхождения винта может быть сформирован также в несущей структуре 30.

Элемент 33 для вхождения винта располагается в предпочтительном варианте в пазу 40 для удержания камня или в другой специально сформированной в несущей структуре 30 выемке, имеющей достаточную высоту h. Вследствие этого элемент 33 для вхождения винта в соответствии с изобретением не выступает за пределы несущей структуры 30 и, следовательно, не нарушает систему 1 теплозащитного экрана.

Конец крепежного винта 15 при монтаже входит в более широкий диаметр конусообразного элемента 33 для вхождения винта и проходит по поверхности 35 скольжения в сквозное отверстие средства для привинчивания, то есть в данном случае пакета 19 тарелки пружины.

Паз 40 для удержания камня, как описано на примере на фиг.1, может использоваться далее для введения охлаждающего воздуха, причем охлаждающий воздух ввиду расположения паза 40 для удержания камня на расстоянии от стенок может достаточно хорошо обтекать элемент 33 для вхождения винта. Для этого также может быть использован вентиляционный трубопровод 25.

Система теплозащитного экрана с элементом для теплозащитного экрана имеет большое количество смежно расположенных на несущей структуре элементов теплозащитного экрана. Элемент теплозащитного экрана закреплен на несущей структуре при помощи по меньшей мере одного крепежного винта в предусмотренном в несущей структуре средстве для привинчивания. Средство для привинчивания оснащено конусообразным элементом для вхождения винта, в который может быть установлен или введен крепежный винт. Также объектом изобретения является элемент для установки винта в системе теплозащитного экрана, являющийся составной частью системы теплозащитного экрана. Также заявлен способ монтажа системы теплозащитного экрана, описанного выше, по которому элемент теплозащитного экрана при вертикальном относительно несущей структуры перемещении в процессе монтажа устанавливается в свое, предусмотренное между соседними элементами теплозащитного экрана на несущей структуре, положение. Далее крепежные винты устанавливаются в соответствующий конусообразный элемент для вхождения винта и ввинчиваются в предусмотренное в несущей структуре средство для привинчивания. Также объектом изобретения является использование системы теплозащитного экрана для образования теплозащитного экрана. Изобретение позволяет упростить монтаж системы теплозащитного экрана на стенке камеры сгорания. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система (1) теплозащитного экрана с элементом (3) для теплозащитного экрана, имеющего большое количество смежно расположенных на несущей структуре (30) элементов теплозащитного экрана, причем элемент (3) теплозащитного экрана закреплен на несущей структуре (30) при помощи по меньшей мере одного крепежного винта (15) в предусмотренном в несущей структуре (30) средстве для привинчивания, отличающаяся тем, что предусмотренное в несущей структуре (30) средство для привинчивания оснащено конусообразным элементом (33) для вхождения винта, в который может быть установлен или введен крепежный винт (15).

2. Система теплозащитного экрана по п.1, отличающаяся тем, что конусообразный элемент (33) для вхождения винта с силовым замыканием закреплен на пакете (19) тарелки пружины.

3. Система теплозащитного экрана по п.1, отличающаяся тем, что конусообразный элемент (33) для вхождения винта с силовым замыканием закреплен в выемке несущей структуры (30).

4. Система теплозащитного экрана по п.3, отличающаяся тем, что несущая структура (30) на каждый ряд элементов теплозащитного экрана имеет по меньшей мере один паз (40) для удержания элементов теплозащитного экрана, и выемка в несущей структуре (30) идентична пазу (40) для удержания элементов теплозащитного экрана.

5. Система теплозащитного экрана по пп.2, 3 или 4, отличающаяся тем, что соединение с силовым замыканием конусообразного элемента (33) для вхождения винта осуществлено посредством сварки, или прессовой посадки, или за одно целое со средством для привинчивания или с несущей структурой (30).

6. Система теплозащитного экрана по п.5, отличающаяся тем, что сварка выполнена посредством точечной сварки, шовной сварки, электрически, посредством газового пламени или трения/ультразвука.

7. Система теплозащитного экрана по одному из пп.1-4,6, отличающаяся тем, что средство для привинчивания имеет резьбовую гайку (21).

8. Система теплозащитного экрана по п.5, отличающаяся тем, что средство для привинчивания имеет резьбовую гайку (21).

9. Система теплозащитного экрана по п.7, отличающаяся тем, что средство для привинчивания имеет по меньшей мере один упругий элемент, в частности пакет (19) тарелки пружины, который служит для компенсации термического расширения элемента (3) теплозащитного экрана.

10. Система теплозащитного экрана по п.8, отличающаяся тем, что средство для привинчивания имеет по меньшей мере один упругий элемент, в частности пакет (19) тарелки пружины, который служит для компенсации термического расширения элемента (3) теплозащитного экрана.

11. Элемент (33) для установки винта в системе теплозащитного экрана, отличающийся тем, что он является составной частью системы теплозащитного экрана по любому из пунктов 1-10.

12. Элемент (33) для установки винта по п.11, отличающийся тем, что элемент (33) для установки винта образован посредством по меньшей мере одной наклонно расположенной относительно продольной оси крепежного винта (15) поверхности (35) скольжения, причем поверхность (35) скольжения сужается до диаметра средства для привинчивания.

13. Способ монтажа системы (1) теплозащитного экрана по одному из пп.1-10, отличающийся тем, что
- элемент (3) теплозащитного экрана при вертикальном относительно несущей структуры (30) перемещении в процессе монтажа устанавливается в свое, предусмотренное между соседними элементами теплозащитного экрана на несущей структуре, положение, и
- крепежные винты (15) устанавливаются в соответствующий конусообразный элемент (33) для вхождения винта и ввинчиваются в предусмотренное в несущей структуре (30) средство для привинчивания.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что крепежные винты (15) предварительно устанавливаются на элементе (3) теплозащитного экрана.

15. Использование системы (1) теплозащитного экрана по одному из пп.1-10 для образования теплозащитного экрана, в частности замкового камня или декоративного камня теплозащитного экрана, двигателя внутреннего сгорания, в частности турбины.