ТЕПЛОЗАЩИТНЫЙ ЭКРАН ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2021 года по МПК F01D11/08 F01D11/24 F01D25/12 F02C7/18 

Настоящее изобретение относится к теплозащитному экрану, который может использоваться в газотурбинном двигателе, и в частности к охлаждающему устройству для улучшения охлаждения теплозащитного экрана.

Теплозащитный экран представляет собой компонент, который защищает другой компонент, такой как корпус, от горячих рабочих газов, например, в камере сгорания или турбине газотурбинного двигателя. Теплозащитный экран подвержен воздействию очень высоких температур, обычно газов сгорания, и для противодействия высоким температурам теплозащитный экран снабжен системой охлаждения. Система охлаждения получает воздух под давлением или охлаждающее вещество от компрессора и использует воздух для удара о теплозащитный экран, чтобы отводить от него тепло и образовывать пленочное охлаждение на поверхности теплозащитного экрана, подвергаемого воздействию горячих рабочих газов.

US 9145789 B2 раскрывает перегородку, которая выполнена с возможностью взаимодействовать с узлом каркаса. Узел кожуха включает в себя наружный кожух и множество внутренних кожухов с уплотнениями между множеством внутренних кожухов соответственно. Перегородка включает в себя задний краевой участок, передний краевой участок и средний участок между задним краевым участком и передним краевым участком. Множество отверстий в перегородке образованы по всей площади перегородки, а охлаждающая и демпфирующая секция включает в себя по меньшей мере один канал, который имеет форму, ускоряющую охлаждающий поток через перегородку.

EP 2918780 раскрывает компонент, содержащий стенку компонента, которая расположена так, чтобы пропускать горячий газ вдоль внешней стороны. Охлаждающая стенка, имеющая несколько расположенных в виде решетки охлаждающих отверстий, разнесена на внутренней стороне, противоположной внешней стороне. Несколько направляющих элементов для направления охлаждающей среды через охлаждающие отверстия расположены на внутренних сторонах. Направляющие элементы включают в себя контур в форме изогнутой капли с более тонким концом и более толстым концом. Достигают усиленного охлаждения. Эффект охлаждения увеличивается, поскольку всасывающая сторона образована на направляющих элементах эффекта охлаждения потока охлаждающего вещества. Нежелательные поперечные потоки уменьшаются к смежным охлаждающим отверстиям.

US 2014/0271105 раскрывает сегментированное кольцо кожуха, которое окружает окружную группу лопаток ротора газотурбинного двигателя. Кольцо кожуха имеет множество сегментов кожуха, расположенных по окружности один смежно с другим. Смежные по окружности сегменты кожуха имеют противостоящие стороны, ограничивающие межсегментный зазор между ними. Межсегментные зазоры уплотнены уплотнительной лентой, установленной на радиально внешней поверхности сегментированного кольца кожуха, так, чтобы продолжаться через межсегментные зазоры по всей окружности кольца кожуха. Отверстия струй могут быть образованы в уплотнительной ленте для охлаждения сегментов кожуха.

US 2014/0116059 раскрывает устройство сегмента горячего газа, особенно для камеры сгорания газовой турбины, которое включает в себя по меньшей мере один сегмент горячего газа, который установлен с возможностью съема на несущем элементе, и подвергается со своей наружной стороны воздействию горячего газа и охлаждается со своей внутренней стороны. Перегородка с множеством распределенных отверстий расположена на расстоянии на внутренней стороне перегородки. Средство подачи охлаждающего воздуха обеспечено для загрузки перегородки находящимся под давлением охлаждающим воздухом для создания через указанные отверстия в перегородке струй охлаждающего воздуха, которые ударяют о внутреннюю сторону сегмента горячего газа. Эффективность охлаждения и срок службы увеличивают перегородкой, которая является частью закрытого приемного сосуда, который снабжен находящимся под давлением охлаждающим воздухом, и приемным сосудом с перегородкой, установленной на несущем элементе независимо от сегмента горячего газа.

US 7704039 B1 раскрывает наружное воздушное уплотнение лопатки (BOAS) для использования в газотурбинном двигателе. Причем BOAS включает в себя множество первых диффузионных и соударительных полостей для охлаждающего воздуха, отделенных ребрами жесткости, причем каждая диффузионная и соударительная полость соединена с полостью подачи охлаждающего воздуха через первое дозирующее отверстие. Каждая диффузионная и соударительная полость соединена с множеством канавочных диффузионных прорезей, которые открываются на поверхность BOAS и образуют ряд V-образных прорезей. Множество вторых дозирующих и отверстий в перегородке соединяют каждую прорезь с соответствующей первой диффузионной и соударительной полостью. Канавочные диффузионные прорези смещены под углом от нормального направления к поверхности BOAS, а вторые дозирующие и отверстия в перегородке смещены на около 90 градусов от прорезей, так что в прорезях происходит как диффузионное, так и соударительное охлаждение. Группа отделенных диффузионных и соударительных полостей и дозирующих отверстий позволяет охлаждающим потокам и давлениям регулироваться для каждой области BOAS.

US 7597533 B1 раскрывает наружное воздушное уплотнение лопатки (BOAS), используемой в газотурбинном двигателе. Причем BOAS включает в себя дозирующую пластину с дозирующими отверстиями и перегородку с соударительными отверстиями, причем дозирующая пластина и перегородка образуют множество отдельных диффузионных полостей, образующих решетку. Пористая металлическая пластина связана с нижней стороной перегородки и имеет множество охлаждающих каналов, продолжающихся от переднего края к заднему краю BOAS. Охлаждающий воздух от несущего элемента кольца лопатки дозируется через дозирующие отверстия и в диффузионные полости, а затем проходит через множество отверстий в перегородке и в охлаждающий канал, чтобы быть выпущенным со стороны заднего края BOAS. Межсегментные охлаждающие отверстия также пропускают охлаждающий воздух к сторонам BOAS.

US 2012/0063891 A1 раскрывает охлаждаемый компонент для газовой турбины, который наружной стороной стенки ограничивает проход горячего газа газовой турбины, а на внутренней стороне имеет устройство для соударительного охлаждения. Устройство для соударительного охлаждения может включать в себя множество соударительных охлаждающих камер, которые расположены рядом друг с другом, работают параллельно, покрыты соударительными охлаждающими пластинами, которые снабжены соударительными охлаждающими отверстиями, и подвергаются удару охлаждающего воздуха во время работы.

Остается задача обеспечения улучшенного охлаждения компонентов газовой турбины, которое уменьшает температурные градиенты, уменьшает абсолютные температуры и минимизирует использование охлаждающего воздуха.

Для решения проблем известных систем покрытия обеспечивают теплозащитный экран для газотурбинного двигателя. Теплозащитный экран для газотурбинного двигателя содержит: основной корпус, имеющий первую поверхность и вторую поверхность, причем первая поверхность подвергается воздействию горячего рабочего газа при использовании, множество стенок, выступающих из второй поверхности, перегородку, прикрепленную к по меньшей мере одной стенке из множества стенок и образующую камеру со второй поверхностью и множеством стенок и содержащую группу отверстий в перегородке, и по меньшей мере одну пару разделительных стенок, включающую в себя первую разделительную стенку и вторую разделительную стенку, образованные в пределах камеры и проходящие между перегородкой и второй поверхностью. Первая разделительная стенка расположена в направлении от первой стенки ко второй стенке, при этом вторая стенка противостоит первой стенке, причем вторая разделительная стенка расположена в направлении от второй стенки к первой стенке. Как первая разделительная стенка, так и вторая разделительная стенка проходят так, что они перекрывают друг друга, если смотреть в перпендикулярном направлении к первой разделительной стенке и/или второй разделительной стенке, причем первая разделительная стенка и вторая разделительная стенка разнесены друг от друга относительно перпендикулярного направления. Перекрытие составляет более 0% и менее 80% камеры в направлении длины первой и/или второй разделительных стенок.

Предпочтительно, первая разделительная стенка прикреплена к перегородке или второй поверхности, и/или вторая разделительная стенка прикреплена к перегородке или второй поверхности.

Предпочтительно, первая и вторая разделительные стенки имеют длину от 10% до 90% длины камеры, предпочтительно от 15% до 85% длины камеры.

Предпочтительно, перекрытие составляет более 40% и менее 80% камеры в направлении длины первой и/или второй разделительных стенок.

Предпочтительно, первая разделительная стенка и вторая разделительная стенка параллельны друг другу.

Предпочтительно, первая разделительная стенка и вторая разделительная стенка расположены под углом α друг к другу.

Предпочтительно, теплозащитный экран содержит две пары разделительных стенок.

Предпочтительно, одна из множества стенок представляет собой расположенную ближе по ходу стенку, имеющую боковые концы, и одна из первой разделительной стенки и второй разделительной стенки проходит от расположенной ближе по ходу стенки, при этом одна или каждая пара разделительных стенок расположены в пределах 30% длины расположенной ближе по ходу стенки от одного или каждого из боковых концов.

Предпочтительно, по меньшей мере одна пара разделительных стенок делит камеру на по меньшей мере первую боковую зону и центральную зону, группа отверстий в перегородке имеет по меньшей мере первый набор отверстий в перегородке, открывающихся в первую боковую зону, и второй набор отверстий в перегородке, открывающихся в центральную зону, первый набор отверстий в перегородке имеет другое расположение отверстий в перегородке по сравнению со вторым набором отверстий в перегородке, причем другое расположение отверстий в перегородке обеспечивает другой эффект охлаждения.

Предпочтительно, множество стенок имеет по меньшей мере одну боковую стенку и первая боковая зона расположена непосредственно смежно с боковой стенкой, и первая боковая зона занимает до 25% второй поверхности в пределах камеры.

Предпочтительно, вторая пара разделительных стенок делит камеру на вторую боковую зону, группа отверстий в перегородке имеет третий набор отверстий в перегородке, открывающихся во вторую боковую зону, третий набор отверстий в перегородке имеет другое расположение отверстий в перегородке по сравнению с по меньшей мере вторым набором отверстий в перегородке, причем другое расположение отверстий в перегородке обеспечивает другой эффект охлаждения.

Предпочтительно, другое расположение отверстий в перегородке содержит, по меньшей мере, одно из другой плотности отверстий в перегородке и другой площади сечения отверстий в перегородке.

Предпочтительно, теплозащитный экран имеет центральную линию, по меньшей мере одна разделительная стенка по меньшей мере одной пары разделительных стенок расположена под углом (α) относительно центральной линии, предпочтительно α находится между +25° и -25°, более предпочтительно α находится между +15° и -15° и наиболее предпочтительно α находится между +15° до 0°.

Предпочтительно, теплозащитный экран представляет собой по меньшей мере часть окружного сегмента или наружного воздушного уплотнения лопатки турбины (BOAS), кожуха турбинной системы, плитки или теплозащитного экрана стенки системы камеры сгорания, платформы или кожуха лопатки турбины или лопасти турбины.

Предпочтительно, первая и/или вторая разделительные стенки проходят на полное расстояние от перегородки до второй поверхности, так что между первой и/или второй разделительными стенками и перегородки и второй поверхностью нет зазоров.

Предпочтительно, первая разделительная стенка имеет свободный конец, а вторая разделительная стенка имеет свободный конец.

Вышеупомянутые особенности и другие признаки и преимущества этого изобретения и манера их достижения станут более очевидными, а само изобретение будет лучше понято со ссылкой к нижеследующему описанию вариантов выполнения изобретения, взятому вместе с сопровождающими чертежами, на которых:

Фиг. 1 - часть турбинного двигателя на виде в сечении, в который встроен настоящий теплозащитный экран;

Фиг. 2 - вид на настоящий теплозащитный экран, если смотреть радиально внутрь, причем пунктирные линии показывают скрытые признаки, причем теплозащитный экран содержит перегородку, имеющую группу отверстий в перегородке;

Фиг. 3 - вид в перспективе на настоящий теплозащитный экран, если смотреть радиально внутрь и аксиально вперед, причем перегородка была удалена;

Фиг. 4 - сечение А-А на Фиг. 2 настоящего теплозащитного экрана; и

Фиг. 5 - вид на второй вариант выполнения настоящего теплозащитного экрана, если смотреть радиально внутрь и без перегородки.

Фиг. 1 показывает пример газотурбинного двигателя 10 на виде в сечении. Газотурбинный двигатель 10 содержит, последовательно по потоку, впускное отверстие 12, секцию 14 компрессора, секцию 16 камеры сгорания и секцию 18 турбины, которые в общем расположены последовательно по потоку и в общем вокруг и вдоль направления продольной оси или оси 20 вращения. Газотурбинный двигатель 10 дополнительно содержит вал 22, который выполнен с возможностью вращаться вокруг оси 20 вращения и который продолжается продольно через газотурбинный двигатель 10. Вал 22 с возможностью передачи приводного усилия соединяет секцию 18 турбины с секцией 14 компрессора.

При работе газотурбинного двигателя 10, воздух 24, который берется через впускное отверстие 12 для воздуха, сжимается секцией 14 компрессора и подается в секцию сгорания или секцию 16 горелки. Секция 16 горелки содержит нагнетательную камеру 26 горелки, одну или несколько камер 28 сгорания и по меньшей мере одну горелку 30, прикрепленную к каждой камере 28 сгорания. Камеры 28 сгорания и горелки 30 расположены внутри нагнетательной камеры 26 горелки. Сжатый воздух, проходящий через компрессор 14, входит в диффузор 32 и выпускается из диффузора 32 в нагнетательную камеру 26 горелки, откуда порция воздуха входит в горелку 30 и смешивается с газообразным и/или жидким топливом. Затем смесь воздух/топливо сжигается, и газ 34 сгорания или рабочий газ из камеры сгорания направляется через камеру 28 сгорания в секцию 18 турбины через переходной канал 17.

Этот примерный газотурбинный двигатель 10 имеет устройство 16 с трубчато-кольцевой секцией камеры сгорания, которое образовано кольцевой группой банок 19 камеры сгорания, каждая из которых имеет горелку 30 и камеру 28 сгорания, причем переходный канал 17 имеет в общем круглое впускное отверстие, которое взаимодействует с камерой 28 сгорания, и выходное отверстие в форме кольцевого сегмента. Кольцевая группа выходных отверстий переходного канала образует кольцевое пространство для направления газов сгорания в турбину 18. В других примерах секция 16 камеры сгорания может быть кольцевой камерой сгорания, известной в области техники.

Секция 18 турбины содержит несколько дисков 36, переносящих лопатки, прикрепленные к валу 22. В настоящем примере каждый из двух дисков 36 переносит кольцевую группу лопаток 38 турбины. Однако количество дисков, переносящих лопатки, может быть разным, то есть только один диск или более двух дисков. Кроме того, направляющие лопасти 40, которые прикреплены к статору 42 газотурбинного двигателя 10, расположены между ступенями кольцевых групп лопаток 38 турбины. Между выходом камеры 28 сгорания и передними лопатками 38 турбины обеспечены направляющие лопасти 44 впускного отверстия, которые разворачивают поток рабочего газа на лопатки 38 турбины.

Газ сгорания из камеры 28 сгорания входит в секцию 18 турбины и приводит в движение лопатки 38 турбины, которые, в свою очередь, вращают вал 22. Направляющие лопасти 40, 44 служат для оптимизации угла газа сгорания или рабочего газа на лопатках 38 турбины.

Секция 18 турбины приводит в движение секцию 14 компрессора. Секция 14 компрессора содержит осевой ряд ступеней 46 лопастей и ступеней 48 роторных лопаток. Ступени 48 роторных лопаток содержат роторный диск, поддерживающий кольцевую группу лопаток. Секция 14 компрессора также содержит корпус 50, который окружает ступени ротора и поддерживает ступени 46 лопастей. Ступени направляющих лопастей включают в себя кольцевую группу радиально продолжающихся лопастей, которые установлены на корпусе 50. Лопасти обеспечены для представления потока газа под оптимальным углом для лопаток в заданной рабочей точке двигателя. Некоторые ступени направляющих лопастей имеют переменные лопасти, причем угол лопастей вокруг их собственной продольной оси может регулироваться по углу согласно свойствам воздушного потока, который может возникать при различных условиях работы двигателя.

Корпус 50 ограничивает радиально наружную поверхность 52 прохода 56 компрессора 14. Радиально внутренняя поверхность 54 прохода 56 по меньшей мере частично ограничена барабаном 53 ротора, который частично ограничен кольцевой группой лопаток 48.

Секция 18 турбины дополнительно содержит корпус 58 и кольцевую группу теплозащитных экранов 60, установленных на корпусе 58 и частично ограничивающих тракт рабочего газа через секцию турбины. Теплозащитные экраны 60 установлены радиально наружу от лопаток 38 ротора. В других газотурбинных двигателях теплозащитные экраны 60 могут быть установлены между кольцевыми группами лопаток 38 ротора и/или могут быть установлены на радиально внутреннем корпусе 56.

Настоящее изобретение описано со ссылкой на вышеприведенный примерный турбинный двигатель, имеющий один вал или золотник, соединяющий один, многоступенчатый компрессор и одну, одно- или многоступенчатую турбину. Однако следует понимать, что настоящее изобретение в равной степени применимо к двух- или трехвальным двигателям, которые могут использоваться для промышленного, авиационного или морского применения.

Термины «расположенный ближе по ходу» и «расположенный дальше по ходу» относятся к направлению потока воздуха и/или потока рабочего газа через двигатель, если не указано иное. Термины «вперед» и «назад» относятся к общему потоку газа через двигатель. Термины «аксиальный», «радиальный» и «окружной» выполнены со ссылкой на ось 20 вращения двигателя. Термин «теплозащитный экран» используют для обозначения не только теплозащитного экрана, как описано здесь, но также таких компонентов, как

- окружной сегмент или лопатка наружного воздушного уплотнения (BOAS) или кожух турбинной системы 18 газотурбинного двигателя 10,

- плитка или теплозащитный экран стенки 54 системы 16 камеры сгорания газотурбинного двигателя 10,

- платформа или кожух лопатки или лопасти 38, 44 газотурбинного двигателя 10. При нанесении на лопатку или лопасть, либо радиально внутренняя, либо радиально наружная платформа или кожух могут включать в себя существующую конфигурацию теплозащитного экрана. Теплозащитный экран описан ниже со ссылкой на радиально наружный окружной сегмент турбины, который ограничивает часть промываемой рабочим газом поверхности. Когда теплозащитный экран нанесен на радиально внутреннюю платформу или другой компонент, термины радиально внутренний и радиально наружный могут быть переставлены.

Настоящий теплозащитный экран 60 будет теперь описан со ссылкой на фигуры 2-5.

Ссылаясь на Фигуры 2, 3 и 4, теплозащитный экран 60 представляет собой окружной сегмент кольцевой группы окружных сегментов, которые образуют часть промываемой газом наружной поверхности газового тракта через секцию 18 турбины. Теплозащитный экран 60 расположен радиально снаружи от вращающихся лопаток 38 и образует концевой зазор между ними.

Теплозащитный экран 60 имеет основной корпус 61, передний край 62, задний край 64, и левый и правый боковые края 66, 68 соответственно. При установке в газотурбинном двигателе непосредственно и по окружности смежные теплозащитные экраны 60 могут прилегать или находиться в непосредственной близости друг к другу, так что один левый боковой край 66 обращен к одному правому боковому краю 68, и между ними может существовать зазор. Теплозащитный экран 60 имеет первую поверхность или промываемую газом поверхность 70, которая также является радиально внутренней поверхностью и которая частично ограничивает радиально наружную промываемую газом поверхность газового тракта в секции 18 турбины. Промываемая газом поверхность 70 также может называться горячей стороной, которая подвергается воздействию горячих рабочих газов, протекающих через газовый тракт. Теплозащитный экран 60 имеет вторую поверхность или холодную сторону или поверхность 72, которая представляет собой радиально наружную поверхность относительно потока горячего газа.

Теплозащитный экран 60 установлен на корпусе 58 передним крюком или подвесом 74 и задним крюком или подвесом 76. Передний крюк 74 и задний крюк 76 зацеплены с соответствующими признаками на корпусе 50. Другие или дополнительные крепежные средства для крепления теплозащитного экрана к корпусу 50 или другая опорная конструкция могут быть обеспечены, как известно в области техники. Теплозащитный экран 60 имеет центральную линию 21, которая, если смотреть радиально внутрь к оси 20 вращения газовой турбины 10, параллельна оси 20 вращения. Теплозащитный экран 60 в общем симметричен вокруг его центральной линии 21.

Теплозащитный экран 60 в общем дугообразный, если смотреть на Фиг. 4 (вдоль оси 21), и его кривизна представляет собой кривизну части окружной поверхности группы теплозащитных экранов 60, которая образует промываемую газом поверхность секции 18 турбины. Теплозащитный экран 60 имеет боковые стенки 78, 80 и крючковые стенки 82, 84. Крючковые стенки 82, 84 представляют собой часть переднего крюка 74 и заднего крюка 76 соответственно. Боковые стенки 78, 80 и крючковые стенки 82, 84 в общем называют «стенками», поэтому теплозащитный экран 60 имеет множество стенок, которые выступают из второй поверхности 72.

Теплозащитный экран 60 дополнительно содержит перегородку 86. Перегородка 86 содержит группу отверстий 90 в перегородке. В этом примерном варианте выполнения перегородка 86 расположена на холодной стороне 72 теплозащитного экрана 60 или радиально снаружи от теплозащитного экрана 60. Перегородка 86, в общем расположена и имеет размеры, охватывающие большую часть второй поверхности 72, ограниченную стенками 78, 80, 82, 84, на таком расстоянии, чтобы струи охлаждающей текучей среды ударяли вторую поверхность 72 оптимальным образом. Перегородка 86 прикреплена и предпочтительно расположена сверху по меньшей мере одной стенки 78, 80, 82, 84, и которая представляет собой предпочтительно одну или обе боковые стенки 78 и 80. Перегородка 86, стенки 78, 80, 74, 76 и вторая поверхность 72 образуют камеру 88. Перегородка 86 припаяна или приварена на стенки 78, 80, 82, 84 теплозащитного экрана 60, хотя возможны другие устройства для крепления или способы крепления. В идеале, перегородка 86 уплотнена к стенкам 78, 80, 82, 84 для предотвращения истечения охлаждающего вещества из камеры, что может отрицательно влиять на давление охлаждающего вещества и, следовательно, на то, где оно должно течь.

Теплозащитный экран 60 дополнительно содержит по меньшей мере одну пару разделительных стенок 92, 94, содержащую первую разделительную стенку 92 и вторую разделительную стенку 94, образованные в пределах камеры 88 и продолжающиеся между перегородкой 86 и второй поверхностью 72. Как видно на Фиг. 2, 3 и 4, имеются две пары разделительных стенок и эти две пары симметрично расположены вокруг центральной линии 21 теплозащитного экрана 60. В других примерах две пары разделительных стенок 92, 94 и любые дополнительные пары разделительных стенок могут быть несимметричными. Разделительные стенки 92, 94 образованы за одно целое или изготовлены с теплозащитным экраном 60 литьем, аддитивным производством или другой технологией.

Альтернативно, разделительные стенки 92, 94 образованы за одно целое или изготовлены с перегородкой 86 литьем, аддитивным производством или другой технологией. Образование за одно целое по меньшей мере одной из разделительных стенок 92, 94 с перегородкой 86 позволило бы просто и легко модифицировать конфигурацию разделительных стенок, подлежащих исследованию, чтобы найти лучшую конфигурацию, другими словами, перегородки 86 с другими конфигурациями разделительной стенки могут быть изготовлены дешево, но применены к той же базовой конструкции теплозащитного экрана. Дополнительно, когда теплозащитный экран используют в газотурбинных двигателях с различными показателями мощности, легко могут быть реализованы перегородки, имеющие другие конфигурации разделительной стенки. В дополнение к другим конфигурациям разделительной стенки, размеры отверстия в перегородке и/или расположения и/или плотности могут быль легко настроены для различных применений, включающих в себя модернизации двигателя, где температуры газа сгорания выше.

Первая и/или вторая разделительные стенки 92, 94 продолжаются на полное расстояние от перегородки 86 до второй поверхности или наоборот, так что между первой и/или второй разделительными стенками 92, 94 и перегородкой 86 и/или второй поверхностью 72 нет зазоров. Следовательно, предполагается, что нет зазоров для охлаждающего вещества по разделительным стенкам 92, 94, а вместо этого только вокруг свободных концов разделительных стенок 92, 94.

Первая разделительная стенка 92 расположена сбоку или по окружности снаружи второй разделительной стенки 94, то есть она расположена дополнительно дальше от центральной линии 21, чем вторая разделительная стенка 94, или ближе к боковым краям 66, 68, чем вторая разделительная стенка 94. Первая разделительная стенка 92 имеет длину, которая продолжается от первой стенки 74 множества стенок ко второй стенке 76, но не касается второй стенки 76. Вторая стенка 76 противостоит первой стенке 74 через камеру 88. Вторая разделительная стенка 94 имеет длину, которая продолжается от второй стенки 76 к первой стенке 74. В этом примере первая стенка представляет собой часть переднего крюка 74, а вторая стенка представляет собой часть заднего крюка 76. Следует отметить, что первая стенка и вторая стенка не обязательно должны быть частью признака крюка, но в этом примере удобно, чтобы они были.

Первая разделительная стенка 92 и вторая разделительная стенка 94 обе продолжаются так, что нет четкой линии видимости в перпендикулярном направлении, указанном стрелкой 96, к первой разделительной стенке 92 и/или второй разделительной стенке 94. Таким образом, в одном крайнем примере (Фиг. 5) свободный конец 93 первой разделительной стенки 92 точно выровнен со свободным концом 95 второй разделительной стенки 94, если смотреть вдоль перпендикулярной стрелки 96. Однако на Фиг. 2 и 3, первая разделительная стенка 92 и вторая разделительная стенка 94 перекрывают друг друга относительно направления длины первой разделительной стенки 92 или второй разделительной стенки 94. В примере, показанном на Фиг. 2 и 3, первая разделительная стенка 92 и вторая разделительная стенка 94 продолжаются на 85% от размера камеры 88, измеренного вдоль направления длины первой и/или второй разделительных стенок 92, 94. Альтернативно, размер камеры 88 может быть измерен в направлении центральной линии 21. В общем, описанные в настоящее время разделительные стенки могут быть реализованы в других теплозащитных экранах 60, где каждая первая разделительная стенка 92 и вторая разделительная стенка 94 продолжается между 10% и 90% по всей камере 88, хотя предпочтительно между 15% и 85%, камеры в направлении вдоль длины первой и/или второй разделительных стенок 92, 94, хотя разделительные стенки не должны иметь четкой линии видимости между их концами 93, 95, если смотреть перпендикулярно одной или другой из разделительных стенок 92, 94. Действительно, первая разделительная стенка 92 и вторая разделительная стенка 94 обе продолжаются так, что они перекрывают друг друга, если смотреть в перпендикулярном направлении 96 к по меньшей мере одной из первой разделительной стенке 92 или второй разделительной стенке 94. Перекрытие составляет более 0% и менее 80% протяженности камеры 88 в направлении длины первой и/или второй разделительных стенок 92, 94. Предпочтительно, перекрытие составляет более 40% и менее 80% протяженности камеры в направлении длины первой и/или второй разделительных стенок 92, 94.

Первая разделительная стенка 92 и вторая разделительная стенка 94 параллельны друг другу, как показано на Фиг. 2, 3, 4 и 5, хотя первая разделительная стенка 92 и вторая разделительная стенка 94 могут располагаться под углом α относительно друг друга и, как показано на Фиг. 5 второй разделительной стенкой 94', показанной пунктирными линиями. Первая разделительная стенка 92 и вторая разделительная стенка 94 разнесены друг от друга на расстояние 97 относительно перпендикулярного направления относительно одной из разделительных стенок. Расстояние 97 представляет собой минимальное расстояние между первой разделительной стенкой 92 и второй разделительной стенкой 94. На Фиг. 5 расположенная под углом вторая разделительная стенка 94’ имеет свой свободный конец 95 на минимальном расстоянии 97 от первой разделительной стенки 92. Как показано на Фиг. 5, минимальное расстояние 97 составляет 10% от расстояния 98 между противостоящими или обращенными друг к другу поверхностями первой стенки переднего крюка 74 и стенкой второй стенки заднего крюка 76. В других вариантах выполнения минимальное расстояние может быть между 5% и 15%, включительно, от расстояния 98.

Одна или каждая пара разделительных стенок 92, 94 расположены в пределах 30% (окружной) длины расположенной ближе по ходу стенки 74 от соответствующего бокового края или конца 66, 68. Другими словами, одна пара разделительных стенок 92, 94 расположена в пределах 30% (окружной) длины расположенной ближе по ходу стенки 74 от левого бокового конца 66, а другая пара разделительных стенок 92, 94 расположена в пределах 30% (окружной) длины расположенной ближе по ходу стенки 74 от правого бокового конца 68.

Первая разделительная стенка 92 по меньшей мере одной пары разделительных стенок расположена под углом α относительно центральной линии 21. На Фиг. 2 линия 21' параллельна центральной линии 21, а центральная линия 99 первой разделительной стенки 92 показана под углом α. В примерном варианте выполнения с Фиг. 2 угол α равен 25° для первой разделительной стенки 92 на левой стороне теплозащитного экрана 60. Другими словами и относительно направления потока рабочего газа 34, первая разделительная стенка 92 расположена под углом от центральной линии 21. Для разделительной стенки 92 с правой стороны угол α также составляет 25°, и здесь первый разделитель также расположен под углом от центральной линии 21 относительно направления потока 34 рабочего газа. Однако каждая пара разделительных стенок и, особенно, первая разделительная стенка 92 может быть расположена под углом где-то между от +25° до -25°, включительно, от центральной линии 21'. Отрицательный угол указывает на то, что первая разделительная стенка 92 расположена под углом к центральной линии 21. Предпочтительно угол α находится между +15° и -15°, и наиболее предпочтительно α находится между +15° и 0°.

Ссылаясь на Фиг. 2, 3, 4 и 5, теплозащитный экран 60 содержит группу охлаждающих отверстий 100, показанных пунктирными линиями, которые продолжаются от камеры 88 к боковым сторонам 66, 68 и расположенной дальше по ходу стороне или заднему краю 64. Камера 88 разделена на три основные зоны или подкамеры, две боковые зоны 102, 104 и центральную зону 106. Каждая из двух боковых зон 102, 104 расположена по обе стороны центральной зоны 106 и находится сбоку снаружи от центральной зоны 106 относительно центральной линии 21. Охлаждающие отверстия 100А, 100В, которые продолжаются от боковых зон 102, 104, соответственно, в основном, продолжаются к боковым сторонам 66, 68 соответственно, а охлаждающие отверстия 100С, которые продолжаются от центральной камеры 106, продолжаются до заднего края 64 теплозащитного экрана 60.

Боковые зазоры, которые продолжаются аксиально, существуют между смежными по окружности теплозащитными экранами 60, и существует окружной зазор между задним краем 64 и другими непосредственно расположенными дальше по ходу смежными конструкциями. Эти зазоры могут допускать попадание горячих рабочих газов, что нежелательно, и может в противном случае привести к термической деградации теплозащитного экрана 60. Давление газа в боковых зазорах часто может быть выше, чем давление газа в окружном зазоре. Для предотвращения попадания горячих газов в эти зазоры, охлаждающее вещество подают к зазорам через охлаждающие отверстия 100A, B, C. Кроме того, охлаждающее вещество, проходящее через охлаждающие отверстия 100A, B, C также охлаждает материал теплозащитного экрана 60. Часто существуют различные требования для уплотнения зазоров и охлаждения боковых сторон и областей заднего края. Для примеров на Фиг. 2, 3, 4 и 5 боковые области и стороны 66, 68 подвергаются большему количеству охлаждающего вещества, чем задний край 64. Таким образом, желательно иметь больший массовый поток охлаждающего вещества на единицу площади или длины, текущий через охлаждающие отверстия 100, которые продолжаются к боковым краям 66, 68, чем к тем, которые продолжаются к заднему краю 64 от центральной зоны 106. Большую потребность в охлаждающем веществе для боковых сторон достигают благодаря более высокой плотности охлаждающих отверстий 100, которые продолжаются к боковым краям 66, 68, чем задний край 64. Однако в других вариантах выполнения большее требование к охлаждающему веществу для боковых сторон 66, 68 может быть достигнуто благодаря большему диаметру охлаждающих отверстий или более высокому давлению подачи охлаждающего вещества в охлаждающие отверстия 100A, 100B из боковых камер 102, 104, чем давление в центральной камере 106. Кроме того, любая реализация может содержать любое одно или более охлаждающих отверстий более высокой плотности, большего диаметра охлаждающих отверстий и более высокого давления подачи к охлаждающим отверстиям 100А, 100В, которые продолжаются к боковым краям 66, 68, чем охлаждающие отверстия 100С.

В дополнение к охлаждающим отверстиям 100, дополнительное охлаждение теплозащитного экрана 60 достигают охлаждающими струями, образованными охлаждающим веществом, проходящим через отверстия 90 в перегородке 86. Подача охлаждающего вещества обеспечивает охлаждающее вещество под давлением радиально наружу от перегородки 86. Охлаждающее вещество проходит через отверстия 90 в перегородке и ударяет о вторую поверхность 72 основного корпуса теплозащитного экрана 60, тем самым отводя тепло от материала теплозащитного экрана 60. Отверстия 90 в перегородке выполнены с возможностью обеспечивать достаточное охлаждение для частей второй поверхности 72, так что достигают более постоянного температурного градиента по тепловому экрану 60. Более постоянный температурный градиент уменьшает тепловые напряжения и увеличивает срок службы компонента. Кроме того, такое охлаждение будет уменьшать абсолютную температуру компонента, тем самым уменьшая окисление и, следовательно, термическую деградацию.

Как описано ранее, камера 88 разделена на три зоны, боковые зоны 102, 104 и центральную зону 106. Плотность отверстий 90А, 90В в перегородке подающих охлаждающее вещество непосредственно в боковые зоны 102, 104, больше плотности отверстий 90С в перегородке, которые подают непосредственно в центральные зоны 106. Как упомянуто выше, отверстия 90 в перегородке, которые подают охлаждающее вещество непосредственно в боковые камеры 102, 104, могут быть наоборот большего диаметра или также иметь большую плотность, чем отверстия 90С в перегородке. Поток охлаждающего вещества, который направляют через охлаждающие отверстия 90C в перегородке в центральную зону или камеру 106, может увеличивать давление в боковых зонах или камерах 102, 104 переполнением охлаждающим веществом отверстий 100 заднего края в боковых зонах или камерах 102, 104. Уменьшенный массовый поток охлаждающего вещества, текущего через отверстия 90A, 90B в перегородке, который подают непосредственно в боковые камеры 102, 104, уменьшает перепады давления вдоль боковых отверстий 100A, 100B и будет увеличивать давление охлаждающего вещества. Таким образом, боковые отверстия 100А, 100В находятся под соответствующим давлением для предотвращения попадания горячего газа. В частности, поток охлаждающего вещества через отверстия 90A, 90B в перегородке в боковых камерах 102, 104 ограничен в боковой камере 102, 104 и направлен, чтобы течь через боковые отверстия 100 увеличением массового потока в боковых камерах 102, 104. Боковые зоны 102, 104 и центральные зоны 106 отделены парами разделительных стенок 92, 94. Как упоминалось ранее, разделительные стенки 92, 94 каждой пары разнесены друг от друга на расстояние 97, чтобы позволять количеству охлаждающего вещества течь из одной зоны в другую, таким образом, существует некоторое распределение давления, которое предпочтительно, особенно во время переходных рабочих условий для лучшего баланса требований к охлаждению с вариациями температур рабочего газа.

Отверстия 90 в перегородке могут быть обеспечены между разделительными стенками 92, 94, чтобы позволять струе ударяться о поверхность 72 между разделительными стенками 92, 94. Количество охлаждающего вещества, допускаемого для течения через эти отверстия в перегородке, может быть спроектировано таким образом, чтобы дополнительно уменьшать или минимизировать температурный градиент по всему теплозащитному экрану 60 и помогать повышению давления в боковой и/или центральной камерах, соответственно.

Теплозащитный экран (60) для газотурбинного двигателя (10) содержит основной корпус (61), имеющий первую поверхность (70) и вторую поверхность (72), причем первую поверхность (70) подвергают воздействию горячего рабочего газа при использовании, множество стенок (74 76, 78, 80), выступающих от второй поверхности (72), и соударительную пластину 86). Соударительная пластина (86) расположена сверху по меньшей мере одной стенки из множества стенок (74, 76, 78, 80) и образует камеру (88) со второй поверхностью (72) и множеством стенок (74, 76, 78, 80) и содержит группу соударительных отверстий (90). По меньшей мере одна пара разделительных стенок (92, 94) содержит первую разделительную стенку (92) и вторую разделительную стенку (94), образованные в пределах камеры (88) и продолжающиеся между соударительной пластиной (86) и второй поверхностью (72). Первая разделительная стенка (92) имеет длину, которая продолжается от первой стенки (74, 76, 78, 80) из множества стенок (74, 76, 78, 80) ко второй стенке (74, 76, 78, 80), причем вторая стенка (74, 76, 78, 80) противостоит первой стенке (74, 76, 78, 80), причем вторая разделительная стенка (94) имеет длину, которая продолжается от второй стенки (74, 76, 78, 80) к первой стенке (74, 76, 78, 80). Первая разделительная стенка (92) и вторая разделительная стенка (94) обе продолжаются так, что нет четкой линии видимости в перпендикулярном направлении (96) к первой разделительной стенке (92) и/или второй разделительной стенке (94), причем первая разделительная стенка (92) и вторая разделительная стенка (94) разнесены друг от друга относительно перпендикулярного направления. Обеспечено улучшенное охлаждение компонентов газовой турбины, которое уменьшает температурные градиенты, уменьшает абсолютные температуры и минимизирует использование охлаждающего воздуха. 15 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Теплозащитный экран (60) для газотурбинного двигателя (10), содержащий:

основной корпус (61), имеющий первую поверхность (70) и вторую поверхность (72), причем первая поверхность (70) подвергается воздействию горячего рабочего газа при использовании,

множество стенок (74, 76, 78, 80), выступающих из второй поверхности (72),

перегородку (86), прикрепленную к по меньшей мере одной стенке из множества стенок (74, 76, 78, 80) и образующую камеру (88) со второй поверхностью (72) и множеством стенок (74, 76, 78, 80) и содержащую группу отверстий (90) в перегородке, и

по меньшей мере одну пару разделительных стенок (92, 94), включающую в себя первую разделительную стенку (92) и вторую разделительную стенку (94), образованные в пределах камеры (88) и проходящие между перегородкой (86) и второй поверхностью (72),

причем первая разделительная стенка (92) расположена в направлении от первой стенки (74, 76) ко второй стенке (74, 76), при этом вторая стенка (74, 76) противостоит первой стенке (74, 76), причем вторая разделительная стенка (94) расположена в направлении от второй стенки (74, 76) к первой стенке (74, 76),

при этом как первая разделительная стенка (92), так и вторая разделительная стенка (94) проходят так, что они перекрывают друг друга, если смотреть в перпендикулярном направлении (96) к первой разделительной стенке (92) и/или второй разделительной стенке (94), причем первая разделительная стенка (92) и вторая разделительная стенка (94) разнесены друг от друга относительно перпендикулярного направления,

причем перекрытие составляет более 0% и менее 80% камеры (88) в направлении длины первой и/или второй разделительных стенок (92, 94).

2. Теплозащитный экран (60) по п. 1, в котором первая разделительная стенка (92) прикреплена к перегородке (86) или второй поверхности (72), и/или вторая разделительная стенка (94) прикреплена к перегородке (86) или второй поверхности (72).

3. Теплозащитный экран (60) по п. 1 или 2, в котором первая и вторая разделительные стенки (92, 94) имеют длину от 10% до 90% длины камеры (88), предпочтительно от 15% до 85% длины камеры (88).

4. Теплозащитный экран (60) по любому из пп. 1-3, в котором перекрытие составляет более 40% и менее 80% камеры (88) в направлении длины первой и/или второй разделительных стенок (92, 94).

5. Теплозащитный экран (60) по любому из пп. 1-4, в котором первая разделительная стенка и вторая разделительная стенка параллельны друг другу.

6. Теплозащитный экран (60) по любому из пп. 1-4, в котором первая разделительная стенка и вторая разделительная стенка расположены под углом (α) друг к другу.

7. Теплозащитный экран (60) по любому из пп. 1-6, в котором теплозащитный экран (60) содержит две пары разделительных стенок (92, 94).

8. Теплозащитный экран (60) по любому из пп. 1-7, в котором одна из множества стенок представляет собой расположенную ближе по ходу стенку (74), имеющую боковые концы (66, 68), и одна из первой разделительной стенки и второй разделительной стенки проходит от расположенной ближе по ходу стенки (74), при этом одна или каждая пара разделительных стенок (92, 94) расположены в пределах 30% длины расположенной ближе по ходу стенки (74) от одного или каждого из боковых концов (66, 68).

9. Теплозащитный экран (60) по любому из пп. 1-8, в котором по меньшей мере одна пара разделительных стенок делит камеру (88) на по меньшей мере первую боковую зону (102) и центральную зону (106),

группа отверстий (90) в перегородке имеет по меньшей мере первый набор отверстий (90A) в перегородке, открывающихся в первую боковую зону (102), и второй набор отверстий (90C) в перегородке, открывающихся в центральную зону (106),

первый набор отверстий (90A) в перегородке имеет другое расположение отверстий в перегородке по сравнению со вторым набором отверстий (90C) в перегородке, причем другое расположение отверстий в перегородке обеспечивает другой эффект охлаждения.

10. Теплозащитный экран (60) по п. 9, в котором

множество стенок имеет по меньшей мере одну боковую стенку (78, 80) и

первая боковая зона (102) расположена непосредственно смежно с боковой стенкой (78), и первая боковая зона (102) занимает до 25% второй поверхности (72) в пределах камеры.

11. Теплозащитный экран (60) по п. 9 или 10, в котором

вторая пара разделительных стенок делит камеру на вторую боковую зону (104),

группа отверстий (90) в перегородке имеет третий набор отверстий (90B) в перегородке, открывающихся во вторую боковую зону (104),

третий набор отверстий (90B) в перегородке имеет другое расположение отверстий в перегородке по сравнению с по меньшей мере вторым набором отверстий (90C) в перегородке, причем другое расположение отверстий в перегородке обеспечивает другой эффект охлаждения.

12. Теплозащитный экран (60) по любому из пп. 9-11, в котором другое расположение отверстий в перегородке содержит по меньшей мере одно из другой плотности отверстий в перегородке и другой площади сечения отверстий в перегородке.

13. Теплозащитный экран (60) по любому из пп. 9-12, в котором

теплозащитный экран (60) имеет центральную линию (21’),

по меньшей мере одна разделительная стенка по меньшей мере одной пары разделительных стенок расположена под углом (α) относительно центральной линии, предпочтительно α находится между +25° и -25°, более предпочтительно α находится между +15° и -15° и наиболее предпочтительно α находится между +15° до 0°.

14. Теплозащитный экран (60) по любому из пп. 1-13, в котором теплозащитный экран (60) представляет собой по меньшей мере часть окружного сегмента или наружного воздушного уплотнения лопатки турбины (BOAS), кожуха турбинной системы (18), плитки или теплозащитного экрана (60) стенки (54) системы (16) камеры сгорания, платформы или кожуха лопатки турбины или лопасти турбины (38, 44).

15. Теплозащитный экран (60) по любому из пп. 1-14, в котором первая и/или вторая разделительные стенки (92, 94) проходят на полное расстояние от перегородки (86) до второй поверхности (72), так что между первой и/или второй разделительными стенками (92, 94) и перегородкой (86) и второй поверхностью (72) нет зазоров.

16. Теплозащитный экран (60) по любому из пп. 1-15, в котором первая разделительная стенка (92) имеет свободный конец (93), а вторая разделительная стенка (94) имеет свободный конец (95).