ТЕПЛОВОЙ ЭКРАН ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2023 года по МПК F01D25/26 F01D11/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к тепловому экрану, который может использоваться в газотурбинном двигателе и, в частности, к элементу придания жесткости и управления потоком, с тем чтобы увеличивать долговечность теплового экрана.

Уровень техники изобретения

Тепловой экран может находиться в нескольких местоположениях в газотурбинном двигателе, и в частности, тепловой экран может быть расположен радиально снаружи относительно кольцевой группы лопаток турбины. Тепловой экран обычно представляет собой периферийный сегмент группы тепловых экранов, которые удерживаются в нужном положении за счет конструкции держателя. Тепловой экран составляет часть газового тракта, который канализирует горючие газы через турбину и приводит в действие лопатки ротора турбины традиционным способом. Эти тепловые экраны имеют горячую сторону, которая подвергается воздействию горячих рабочих газов турбины, и холодную сторону, обращенную радиально наружу, которая зачастую охлаждается с помощью охлаждающего воздуха. Важно то, что имеется минимальный зазор между наконечником лопатки и тепловым экраном, чтобы минимизировать утечку через наконечник и в силу этого минимизировать потерю эффективности.

Традиционно, на холодной стороне выполняются длинные ребра, чтобы придавать жесткость тепловому экрану. Длинные ребра выполнены как единое целое или унитарно с холодной стороной и формируют охлаждающие каналы. Пластина для обеспечения натекания припаивается на холодной стороне и покрывает длинные ребра. Охлаждающий воздух распределяется вдоль охлаждающих каналов.

Тем не менее, эти тепловые экраны подвергаются высоким тепловым градиентам между своей горячей стороной и холодной стороной. Такие тепловые градиенты создают нагрузку на тепловой экран, которая приводит к усталости материала и к искривлению тепловых экранов при работе. Искривление теплового экрана может приводить к трению поверхности теплового экрана о вращающуюся лопатку, вызывая повреждение обеих частей и последующее ухудшение рабочих характеристик турбины. Придающие жесткость элементы требуются на холодной стороне теплового экрана, чтобы разрешать проблемы срока службы и искривления.

Одновременно, тепловой экран требует равномерного распределения охлаждающего воздуха в впускных отверстиях для охлаждающих отверстий теплового экрана. Специальные конструктивные элементы обычно необходимы для того, чтобы достигать этого, поскольку подача охлаждающего воздуха из держателя типично очень локализуется. Такая локализация охлаждения также может вызывать локализованные тепловые градиенты.

Таким образом, имеется цель создания улучшенного теплового экрана, который уменьшает искривление, уменьшает температурные градиенты, уменьшает абсолютные температуры и минимизирует использование охлаждающего воздуха.

Сущность изобретения

Чтобы разрешать проблемы известных систем нанесения покрытия, предусмотрен тепловой экран для газотурбинного двигателя, причем тепловой экран содержит основной корпус, имеющий передний край, задний край, боковые края, первую поверхность и вторую поверхность, причем первая поверхность подвергается воздействию горячего рабочего газа, проходящего при использовании через газотурбинный двигатель, передний крюк и задний крюк, каждый из которых проходит между боковыми краями, причем передний крюк и задний крюк проходят от второй поверхности, отличающийся тем, что придающая жесткость конструкция проходит от переднего крюка к заднему крюку и непосредственно не контактирует или присоединяется ко второй поверхности.

Придающая жесткость конструкция может быть выполнена по существу в форме, по меньшей мере, одного X при просмотре в направлении второй поверхности.

Придающая жесткость конструкция может содержать четыре рычага. Два рычага могут присоединяться к переднему крюку. Два рычага могут присоединяться к заднему крюку. Четыре рычага могут стыковаться на пересечении.

Придающая жесткость конструкция может содержать удлиненную часть. Удлиненная часть может проходить между любой одной или более пар рычагов, рычага 104A и рычага 104B, рычага 104B и рычага 104C, рычага 104C и рычага 104D и рычага 104A и рычага 104D. При использовании, удлиненная часть может блокировать натекание струи хладагентя на вторую поверхность и/или, по меньшей мере, одно впускное отверстие, заданное во второй поверхности.

Тепловой экран может содержать центральную линию и перпендикулярную центральной линии линию. Угол α задается от рычага 104C до линии, и угол β задается от рычага 104C до другого рычага 104D, причем оба рычага 104C, 104D присоединены к идентичному переднему или заднему крюку. Соотношение углов может составлять "угол α/угол β≥2".

Придающая жесткость конструкция может содержать один или более профилей поперечного сечения: двутавровая балка, однотавровая балка, коробчатая балка или прямоугольник.

Придающая жесткость конструкция может представлять собой балочную компоновку. Балочная компоновка содержит, по меньшей мере, одну балку, причем, по меньшей мере, одна балка имеет, по меньшей мере, одну перемычку и, по меньшей мере, один фланец.

Удлиненная часть может формироваться посредством удлинения фланца, предпочтительно радиально внешнего фланца.

Придающая жесткость конструкция может представлять собой решетчатую конструкцию.

Решетчатая конструкция может представлять собой группу X-образных элементов, причем каждый X-образный элемент имеет рычаги.

Удлиненная часть может не соединяться ни с передним крюком, ни с задним крюком.

Газотурбинный двигатель может содержать тепловой экран, как описано выше, и держатель. Держатель может размещаться радиально снаружи относительно теплового экрана и содержать соответствующие зацепляющие элементы, чтобы зацеплять передний крюк и задний крюк, и, по меньшей мере, одно отверстие для направления хладагентя через него и к тепловому экрану, причем, по меньшей мере, одно отверстие имеет центральную линию. Центральная линия может пересекать придающую жесткость конструкцию таким образом, что хладагенть, по меньшей мере, частично натекает на придающую жесткость конструкцию.

Центральная линия может пересекать придающую жесткость конструкцию таким образом, что хладагенть, по меньшей мере, частично натекает на удлиненную часть.

Тепловой экран может представлять собой один из кольцевой группы тепловых экранов, и держатель может быть кольцевым. Держатель может содержать кольцевую группу отверстий. Центральная линия каждого отверстия может радиально совмещаться с одним из тепловых экранов, и, в частности, центральная линия каждого отверстия может радиально совмещаться с одной из придающих жесткость конструкций таким образом, что при использовании, хладагенть натекает на тепловой экран и, в частности, натекает на придающую жесткость конструкцию.

Краткое описание чертежей

Вышеуказанные атрибуты и другие элементы и преимущества этого изобретения, а также способ их достижения должны становиться более очевидными, и само изобретение должно лучше пониматься со ссылкой на нижеприведенное описание вариантов осуществления изобретения, рассматриваемое вместе с прилагаемыми чертежами, на которых:

Фиг. 1 показывает часть турбинного двигателя на виде с сечением, в который включен настоящий тепловой экран,

Фиг. 2 является видом в изометрии настоящего теплового экрана при просмотре радиально внутрь и по окружности относительно оси вращения турбинного двигателя, причем первый вариант осуществления придающей жесткость конструкции можно видеть на радиально внешней стороне теплового экрана,

Фиг. 3 представляет собой сечение A-A настоящего теплового экрана и держателя для удерживания теплового экрана,

Фиг. 4 является видом при просмотре радиально внутрь в альтернативном варианте осуществления теплового экрана, показывающим вторую альтернативную придающую жесткость конструкцию,

Фиг. 5 является видом при просмотре радиально внутрь в альтернативном варианте осуществления теплового экрана, показывающим третью альтернативную придающую жесткость конструкцию,

Фиг. 6 показывает первый вариант осуществления придающей жесткость конструкции настоящего теплового экрана в поперечном сечении B-B рычага придающей жесткость конструкции,

Фиг. 7 показывает второй вариант осуществления придающей жесткость конструкции настоящего теплового экрана в поперечном сечении B-B рычага придающей жесткость конструкции,

Фиг. 8 показывает третий вариант осуществления придающей жесткость конструкции настоящего теплового экрана в поперечном сечении B-B рычага придающей жесткость конструкции,

Фиг. 9 является видом при просмотре радиально внутрь в альтернативном варианте осуществления теплового экрана, показывающим четвертую альтернативную придающую жесткость конструкцию, и

Фиг. 10 является поперечным сечением C-C по четвертой альтернативе для теплового экрана на фиг. 9.

Подробное описание изобретения

Фиг. 1 показывает пример газотурбинного двигателя 10 на виде с сечением. Газотурбинный двигатель 10 содержит, последовательно в направлении потока, впускное отверстие 12, секцию 14 компрессора, секцию 16 камеры сгорания и секцию 18 турбины, которые, размещены по существу последовательно в направлении потока и, по существу, около и вдоль направления продольной или вращательной оси 20 в осевой турбине. Газотурбинный двигатель 10 дополнительно содержит вал 22, который может вращаться вокруг оси 20 вращения и который проходит продольно через газотурбинный двигатель 10. Вал 22 соединяет с возможностью приведения в действие секцию 18 турбины и секцию 14 компрессора.

При работе газотурбинного двигателя 10 воздух 24, который вовлекается через отверстие 12 для впуска воздуха, сжимается посредством секции 14 компрессора и доставляется в секцию сгорания или секцию 16 горелки. Секция 16 горелки содержит нагнетательную камеру 26 горелки, одну или более камер 28 сгорания, и, по меньшей мере, одну горелку 30, прикрепленную к каждой камере 28 сгорания. Камеры 28 сгорания и горелки 30 расположены в нагнетательной камере 26 горелки. Сжатый воздух, проходящий через компрессор 14, входит в диффузор 32 и выпускается из диффузора 32 в нагнетательную камеру 26 горелки из места, в котором часть воздуха входит в горелку 30 и смешивается с газообразным или жидким топливом. Воздушно-топливная смесь затем сжигается, и горючий газ 34 или рабочий газ из сгорания канализируется через камеру 28 сгорания в секцию 18 турбины через переходный канал 17.

Этот примерный газотурбинный двигатель 10 имеет трубчато-кольцевую секционную компоновку 16 камеры сгорания, которая образована кольцевой группой из стабилизаторов 19 пламени камеры сгорания, каждый из которых имеет горелку 30, и камерой 28 сгорания. Переходный канал 17 имеет, по существу, круглое впускное отверстие, причем канал соединяется с камерой 28 сгорания, и выпускное отверстие в форме кольцевого сегмента. Кольцевая группа выпускных отверстий переходного канала формирует кольцеобразную деталь для канализирования горючих газов в турбину 18. В других примерах, секция 16 камеры сгорания может представлять собой кольцевую камеру сгорания, известную в данной области техники.

Секция 18 турбины содержит заданное число несущих лопатки дисков 36, присоединенных к валу 22. В настоящем примере, два диска 36 нут на себе кольцевую группу лопаток 38 турбины. Тем не менее, число несущих лопатки дисков может отличаться, т.е. только один диск или более двух дисков. Помимо этого, направляющие лопасти 40, которые прикрепляются к статору 42 газотурбинного двигателя 10, располагаются между ступенями кольцевых групп лопаток 38 турбины. Между выходом камеры 28 сгорания и передними лопатками 38 турбины 40, имеются впускные направляющие лопасти, которые направляют поток рабочего газа на лопатки 38 турбины.

Горючий газ из камеры 28 сгорания входит в секцию 18 турбины и приводит в действие лопатки 38 турбины, которые в свою очередь вращают вал 22. Направляющие лопасти 40 служат для того, чтобы оптимизировать угол горючего или рабочего газа на лопатках 38 турбины.

Статор 42 секции 18 турбины дополнительно содержит держатель 58 и кольцевую группу тепловых экранов 60, смонтированных на держателе 58 и частично задающих тракт подачи рабочего газа через секцию турбины. Тепловые экраны 60 монтируются радиально снаружи относительно лопаток 38 ротора. В других газотурбинных двигателях, тепловые экраны 60 могут монтироваться между кольцевыми группами лопаток 38 ротора и/или могут монтироваться на радиально внутреннем кожухе 56.

Настоящее изобретение описывается со ссылкой на вышеуказанный примерный турбинный двигатель, имеющий один вал или золотник, соединяющий один многоступенчатый компрессор и одну одно- или многоступенчатую турбину. Тем не менее, следует принимать во внимание, что настоящее изобретение является в равной степени применимым к двух- или трехвальным двигателям, и оно может использоваться для промышленных, авиационных или судостроительных вариантов применения.

Термины "вверх по потоку" и "вниз по потоку" относятся к направлению протекания воздушного потока и/или потока рабочего газа через двигатель, если не указано иное. Термины "вперед" и "назад" означают общий поток газа через двигатель. Термины "осевой", "радиальный" и "периферийный" задаются со ссылкой на ось 20 вращения двигателя.

Термин "тепловой экран" используется не только для того, чтобы обозначать тепловой экран 60, как описано в данном документе, но также означает периферийный сегмент или наружное воздушное уплотнение лопаток (BOAS), или защитный кожух турбинной системы 18 газотурбинного двигателя 10.

Ниже описывается настоящий тепловой экран 60 со ссылкой на фиг. 2-10. Элементы любого одного или более вариантов осуществления могут комбинироваться с другими вариантами осуществления, как должно быть очевидным для специалистов в данной области техники.

Ссылаясь на фиг. 2-3, тепловой экран 60 представляет собой периферийный сегмент кольцевой группы периферийных сегментов 60, которые составляют часть газоомываемой внешней поверхности газового тракта через секцию 18 турбины. Тепловой экран 60 расположен радиально снаружи относительно вращающихся лопаток 38, и если расположен аксиально смежно с вращающимися лопатками, формирует зазор в наконечнике между ними.

Тепловой экран 60 имеет основной корпус 61, передний край 62, задний край 64 и, при просмотре по оси по потоку вниз, влево и вправо, боковые края 66, 67, соответственно. При установке в газотурбинном двигателе, непосредственно и периферийно смежные тепловые экраны 60 могут примыкать или находиться в непосредственной близости друг к другу таким образом, что один левый боковой край 66 обращен к одному правому боковому краю 67, и зазор может существовать между ними. Зазор уплотняется посредством уплотнительной полоски, которая расположена в соответствующих пазах в каждом боковом крае или поверхности непосредственно смежных тепловых экранов, как известно в данной области техники. Тепловой экран 60 имеет первую поверхность или газоомываемую поверхность 70, которая также представляет собой радиально внутреннюю поверхность, и которая частично задает радиально внешнюю газоомываемую поверхность газового тракта в секции 18 турбины. Газоомываемая поверхность 70 также может упоминаться как горячая сторона, которая подвергается воздействию горячих рабочих газов, протекающих через газовый тракт. Тепловой экран 60 имеет вторую поверхность или холодную боковую поверхность 72, которая представляет собой радиально внешнюю поверхность относительно потока горячего газа и снабжается хладагентом обычно в форме воздуха компрессора, но могут использоваться другие источники хладагента.

Тепловой экран 60 монтируется на держателе 58 посредством переднего крюка или подвесного кронштейна 74 и заднего крюка или подвесного кронштейна 76. Передний крюк 74 и задний крюк 76 взаимодействуют с соответствующими элементами 75 и 77, соответственно, держателя 58. Другое или дополнительное крепежное средство для прикрепления теплового экрана к держателю 58 или другой опорной конструкции может предоставляться, как известно в данной области техники.

Тепловой экран 60 имеет центральную линию 21, которая при просмотре радиально внутрь по направлению к оси 20 вращения газовой турбины 10 является параллельной с осью 20 вращения. Тепловой экран 60 является, по существу, симметричным относительно своей центральной линии 21. Тепловой экран 60 является, по существу, дугообразным при просмотре вдоль центральной линии 21, и его кривизна представляет собой кривизну части периферийной поверхности группы тепловых экранов 60, которая формирует газоомываемую поверхность секции 18 турбины.

Основной корпус 61 имеет группу 78 охлаждающих каналов для транспортировки потока 80 хладагента, который подается в холодную сторону 72 теплового экрана 60 через держатель 58. Группа 78 охлаждающих каналов содержит переднюю группу 82 охлаждающих каналов и заднюю группу 84 охлаждающих каналов. Каждая из передней группы 82 охлаждающих каналов и задней группы 84 охлаждающих каналов содержит параллельные охлаждающие каналы 86, которые проходят в направлении, по существу, перпендикулярном соответствующему переднему краю 62 и заднему краю 64. Другие компоновки схем и принципов охлаждения могут использоваться в сочетании с текущим описанным тепловым экраном 60.

Каждый охлаждающий канал 86 из передней группы 82 охлаждающих каналов имеет выпускное отверстие 88 в переднем крае 62, и каждый охлаждающий канал 86 из задней группы 84 охлаждающих каналов имеет выпускное отверстие 90 в заднем крае 64 основного корпуса 61. Каждый охлаждающий канал 86 имеет впускное отверстие 92, сформированное во второй поверхности 72. Тем не менее, другие формы, компоновки и позиционирование впускного отверстия(й) могут использоваться для охлаждающих каналов, таких как охлаждающие каналы, снабжаемые из магистрали или общей снабжающей линии.

При использовании, хладагент 80 под давлением, обычно воздух, стравливаемый из компрессора, подается через держатель 58 в холодную сторону 72 теплового экрана 60. Хладагент 80 входит в охлаждающие каналы 86 через впускные отверстия 92, проходит вдоль охлаждающих каналов 86 и выпускается через выпускные отверстия 88, 90 в передних, задних и боковых краях (не показаны), соответственно. Выпуск хладагента 80 в краях теплового экрана 60 помогает предотвращать втекание горячего газа в зазоры, окружающие тепловой экран 60. Выпуск хладагента 80 в краях теплового экрана также помогает предотвращать горячие точки на и около краев теплового экрана 60. Дополнительно, любой температурный градиент минимизируется во всем основном корпусе 61 теплового экрана 60.

Несмотря на то, что схема охлаждения пытается минимизировать температурные градиенты и абсолютные температуры теплового экрана 60, тепловой экран 60 может искривляться вследствие тепловых нагрузок и приводить к тому, что наконечники лопатки трутся и/или увеличивают размеры зазора вокруг теплового экрана, в который горячие газы могут выходить из газового тракта. Традиционно, тепловым экранам придается жесткость за счет длинных ребер, присоединенных, как единое целое или монолитно сформированных на холодной боковой поверхности 72; тем не менее, эта компоновка имеет ограниченный эффект.

Для настоящего теплового экрана 60, предусмотрена придающая жесткость конструкция 100, которая проходит от переднего крюка 74 к заднему крюку 76 и которая не контактирует или присоединяется к второй поверхности 72. Таким образом, придающая жесткость конструкция не отклоняется или искривляется, когда деформируются основной корпус 61 и в силу этого вторая поверхность 72. Придающая жесткость конструкция 100 не присоединяется к второй поверхности или основному корпусу 61 непосредственно. Придающая жесткость конструкция 100 расположена на расстоянии от второй поверхности 72 и формирует зазор 102 между ними.

В предпочтительном варианте осуществления, показанном на фиг. 2 и 3, придающая жесткость конструкция 100 выполонена в общей форме X (или X-образного элемента) при просмотре в направлении второй поверхности 72 из радиально наружной позиции. Пунктирные линии дополнительно указывают, по существу, регулярную X-образную компоновку придающей жесткость конструкции 100. Придающая жесткость конструкция 100 имеет четыре рычага, по существу, со ссылкой на номер 104, причем передние рычаги 104A, 104B располагаются по направлению к переднему краю 62 теплового экрана 60 и присоединяются к переднему крюку 74, и задние рычаги 104C, 104D располагаются по направлению r заднему краю 64 теплового экрана 60 и присоединяются к заднему крюку 76.

Фиг. 4 является видом при просмотре радиально внутрь альтернативного варианта осуществления теплового экрана 60, показывающего вторую альтернативную придающую жесткость конструкцию 100. В этом варианте осуществления, предусмотрено две балочных компоновки 101 (или X-образных элемента), формирующих придающую жесткость конструкцию 100, которые являются аналогичными балочной конструкции, описанной со ссылкой на фиг. 3, за исключением того, что необязательная удлиненная часть 130, которая экранирует впускные отверстия 92 от прямого натекания хладагента 80, проходит между рычагом 104A одной балочной компоновки 101A и рычагом 104B балочной компоновки 100B.

Фиг. 5 является видом при просмотре радиально внутрь альтернативного варианта осуществления теплового экрана 60, показывающего третью альтернативную придающую жесткость конструкцию 100. В этом примере, придающая жесткость конструкция 100 является аналогичной придающей жесткость конструкции, показанной и описанной со ссылкой на фиг. 3 и 4, за исключением того, что предусмотрено два дополнительных "центральных" рычага 104E и 104F. Рычаг 104E присоединяется к переднему крюку 74, и рычаг 104F присоединяется к заднему крюку 76. Предпочтительно и как показано, два рычага 104E и 104F размещаются в линию с центральной линией 21 теплового экрана 60. Фактически, оставшиеся рычаги 104A и 104B являются симметричными вокруг центральной линии 21, поскольку рычаги 104C и 104D также являются симметричными вокруг центральной линии 21.

Все три варианта осуществления придающей жесткость конструкции 100 могут конструироваться с возможностью приспосабливать и противостоять деформации теплового экрана 60. Ключевой элемент придающей жесткость конструкции 100 состоит в том, что она не находится в прямом контакте со второй поверхностью 72 и в силу этого не только остается относительно прохладной в силу отсутствия прямого теплопроводящего маршрута (только через крюки 74, 76), но также не подвергается тепловому искривлению основного корпуса 61 и второй поверхности 72 непосредственно.

Фиг. 6 представляет собой сечение B-B, показанное на фиг. 2, рычага 104 придающей жесткость конструкции 100. В сечении, рычаг 104 имеет общую форму двутавровой балки 142, имеющей два фланца 106, 108 и перемычку 110. Размеры двутавровой балки 142 и размеры в сечении фланцев 106, 108 и перемычки 110 известны в данной области техники для приспособления нагрузок, чтобы предоставлять требуемую жесткость и ограничивать отклонение теплового экрана 60.

Фиг. 7 является альтернативным вариантом осуществления сечения B-B, показанного на фиг. 2, рычага 104 придающей жесткость конструкции 100. В сечении, рычаг 104 имеет общую форму, имеющую коробчатую балку 144, имеющую, с конструктивной точки зрения, два фланца 116, 118 и две перемычки 120, 122. Размеры коробчатой балки 144 и размеры в сечении фланцев 106, 108 и перемычки 110 известны в данной области техники для приспособления нагрузок, чтобы предоставлять требуемую жесткость и ограничивать отклонение теплового экрана 60.

Фиг. 8 является альтернативным вариантом осуществления сечения B-B, показанного на фиг. 2, рычага 104 придающей жесткость конструкции 100. В сечении, рычаг 104 имеет общую форму, имеющую однотавровую балку 146, имеющую, с конструктивной точки зрения, один фланец 147 и одну перемычку 148. Размеры однотавровой балки 146 и размеры в сечении фланца 147 и перемычки 148 известны в данной области техники для приспособления нагрузок, чтобы предоставлять требуемую жесткость и ограничивать отклонение теплового экрана 60.

Возвращаясь к фиг. 2, линия 124 задается в периферийном направлении, которое является перпендикулярным центральной линии 21 теплового экрана 60. Угол α задается между центральной линией 126 рычага 104 и линией 124; и угол β задается между двумя рычагами 104. Если тепловой экран 60 изготавливается посредством процесса трехмерной печати и на основе того, что он проходит от одного бокового края до другого бокового края, соотношение углов должно составлять "угол β/угол α≥2". Одна причина такого соотношения состоит в том, чтобы обеспечивать то, что предусмотрен минимальный угол любого элемента, который составляет 45° без поддержки во время процесса изготовления. Угол элементов, которые меньше 45°, требуют поддержки, чтобы обеспечивать необходимое качество сборки, и в этом случае требуется нежелательный дополнительный процесс машинной обработки для того, чтобы вынимать опорный элемент.

Центральные линии 126 рычагов 104 пересекаются в точке 128. Точка 128 располагается посередине между двумя крюками 74, 76, но может быть расположена в средней трети расстояния между двумя крюками 74, 76. Точка 128 расположена на центральной линии 21 теплового экрана 60. Фактически, четыре рычага 104 стыкуются на пересечении 129, и в его пределах находится точка 128.

Ссылаясь на фиг. 3, держатель 58, по существу, является кольцевым и переносит кольцевую группу тепловых экранов 60, которая окружает ступень ротора, как упомянуто выше. Держатель 58 содержит кольцевую магистраль или камеру 79, которая снабжается хладагентом 80. Держатель 58 имеет отверстие 81, причем одно из группы отверстий 81 размещается около держателя 58; каждое отверстие 81 подает часть хладагента 80 в один тепловой экран 60 группы тепловых экранов 60, и каждое отверстие 81 размещается централизованно относительно центральной линии 21 соответствующего теплового экрана 60.

Хладагент 80 формирует струю хладагента, которая в противном случае должна натекать на вторую поверхность 72 основного корпуса 61. Эта натекающая струя хладагента 80 должна создавать холодную область и увеличивать температурный градиент в основном корпусе 61. Помимо этого, впускные отверстия 92 расположены радиально внутрь отверстия 81, или в других вариантах осуществления, причем впускные отверстия 92 могут быть расположены в линию со струей хладагента 80, проходящего через отверстие 81. Эта струя хладагента 80 в противном случае должна натекать на вторую поверхность 72 и некоторые впускные отверстия 92 и приводить к увеличению динамического давления хладагента, входящего в эти затронутые впускные отверстия 92. Следовательно, некоторые впускные отверстия 92 и их соответствующие охлаждающие каналы 86 в противном случае должны иметь больший массовый расход хладагента через себя по сравнению с теми впускными отверстиями 92 и охлаждающими каналами 86, которые не подвергаются натеканию. Это в противном случае должно приводить к нерегулярному охлаждению основного корпуса 61 и потенциально увеличивать температурный градиент в нем и ограничивать долговечность теплового экрана 60 либо потенциально приводить к тому, что тепловой экран искривляется с вышеуказанными недостатками.

Следовательно, чтобы предотвращать натекание струи хладагента 80, которая проходит через отверстие 81, на вторую поверхность 72 и/или впускные отверстия 92, радиально внешняя перемычка 104 придающей жесткость конструкции 100 имеет удлиненную часть 130, которая проходит между передними рычагами 104A, 104B. Удлиненная часть 130 расположена радиально внутри отверстия 81 и имеет такой размер, чтобы закрывать, по меньшей мере, впускные отверстия 92 от струи хладагента 80. Другими словами, отсутствует четкая линия прямой видимости между любой частью отверстия 81 и релевантными впускными отверстиями 92 в направлении струи хладагента 80. "Релевантные" впускные отверстия 92 означают впускные отверстия 92, которые в противном случае должны подвергаться натеканию, если они не служат для предоставления удлиненной части 130. Фиг. 2 показывает пунктирную кольцевую линию 81P, которая является выступом отверстия 81 на придающую жесткость конструкцию 100. В этом примере, выступ располагается вдоль центральной линии 132 отверстия 81, которое совмещается с радиальной линией относительно центральной линии 20 двигателя 10 (см. фиг. 3); тем не менее, выступ может задаваться в направлении хладагента 80, проходящего через отверстие 81. Отверстие 81 может размещаться под углом в направлении от радиальной линии и в силу этого центральная линия 132 и направление струи хладагента 80 также должны располагаться под углом в направлении от радиальной линии. Этот угол может задаваться в периферийном направлении и/или в осевом направлении.

Следует понимать, по причинам, приведенным выше, что удлиненная часть 130 может проходить между любой одной или более пар рычагов: рычаг 104A и рычаг 104B, рычаг 104B и рычаг 104C, рычаг 104C и рычаг 104D и рычаг 104 A и рычаг 104D, чтобы блокировать натекание струи хладагента 80 на впускные отверстия 92 и/или вторую поверхность 72.

Рычаги 104 содержат радиальное пересечение или смешанный радиус 134, 136, 138, в котором они состыковываются между собой и/или с крюками 74, 76. Смешанный радиус 134 формируется под тупым углом с крюками 74, 76; смешанный радиус 136 формируется под острым углом с крюками 74, 76; и смешанный радиус 138 формируется между любой одной или более пар рычагов: рычаг 104A и рычаг 104B, рычаг 104B и рычаг 104C, рычаг 104C и рычаг 104D и рычага 104 A и рычаг 104D. В частности, в варианте осуществления по фиг. 4, предусмотрены перемычки 104, 108, которые содержат смешанный радиус 134, 136, 138. В варианте осуществления по фиг. 5, два фланца 116, 118 коробчатой балки и две перемычки 120, 122 должны содержать смешанные радиусы 134, 136, 138. Цель радиуса состоит в том, чтобы уменьшать концентрацию механических напряжений в стыках.

Придающая жесткость конструкция 100 задает отверстие 140 между передним крюком 74, рычагами 104A и 104B и удлиненной частью 130 радиально внешней перемычки 104 (или 120). Отверстие 140 образует форму за счет того, что смешанные радиусы 136 и удлиненная часть 130 имеют минимальный размер, чтобы отклонять струю хладагента 80. Отверстие 140 обеспечивает возможность протекания хладагента через вторую поверхность 72 таким образом, что давление хладагента по второй поверхности 72 является максимально возможно равномерным. Другими словами, полная площадь придающей жесткость конструкции 100, при просмотре радиально внутрь, минимизируется, с учетом функции требований по конструктивной жесткости/искривлению теплового экрана 60, отклонения струи хладагента 80 через удлиненный часть 130 и желания равномерно распределять хладагент 80.

В силу натекания струи хладагента 80 на придающую жесткость конструкцию 100, а не на вторую поверхность 72 и/или впускные отверстия 92, равномерное распределение давления присутствует выше второй поверхности 72, и в силу этого возникает равномерное распределение хладагента во впускные отверстия 92 и их соответствующие охлаждающие каналы 86. Таким образом, за счет этого минимизируется температурный градиент в основном корпусе 61, и механическое напряжение/деформации, ассоциированные с температурой, минимизируются.

Ссылаясь теперь на фиг. 9 и фиг. 10; фиг. 9 является видом при просмотре радиально внутрь альтернативного варианта осуществления теплового экрана 60, показывающим четвертую альтернативную придающую жесткость конструкцию 100, и фиг. 10 является поперечным сечением C-C четвертой альтернативы. В этом варианте осуществления, придающая жесткость конструкция 100 представляет собой решетчатую компоновку 150. Решетчатая компоновка 150 представляет собой пластину 152, имеющую толщину 154, которая в этом варианте осуществления составляет приблизительно постоянную толщину. Фактически, решетчатая компоновка 150 представляет собой пластину 154, имеющую группу отверстий 155, имеющую заданное число отверстий 156, 158, 160 различного размера, чтобы удовлетворять конструктивным требованиям придания жесткости, или более точно оставшаяся конструкция предоставляет требуемую жесткость и конструктивные рабочие характеристики для теплового экрана. Решетчатая компоновка 150, показанная на фиг. 9, представляет собой один пример и, в частности, подходит для этого теплового экрана 60; тем не менее, предусмотрено множество различных компоновок, которые являются возможными для этого и других вариантов применения теплового экрана, и вычисления механического напряжения и деформации известны для специалистов в данной области техники при конструировании любой конкретной компоновки таким образом, чтобы в первую очередь придавать жесткость крюкам 74, 76, при одновременном удерживании придающей жесткость конструкции 100 от прямого контакта со второй поверхностью 72.

Решетчатая компоновка 150 имеет раму 162, задающую периферию придающей жесткость конструкции 100, и альтернативно решетчатая компоновка 100 может не иметь рамы 162.

Решетчатая компоновка 150 может иметь регулярную компоновку ромбовидных отверстий 156 с отверстиями треугольной формы 158 напротив краев или рамы решетчатой компоновки. В этом случае, оставшийся материал может формировать прямые "полоски" материала в традиционном перекрещивающемся шаблоне или группу X-образных элементов, имеющих рычаги. Эта группа X-образных рычагов (эти рычаги являются аналогичными четырем рычагам 104A, 104B, 104C, 104D, стыкующимся на пересечении 129), за исключением того, что некоторые рычаги одного X-образного элемента являются непрерывными с некоторыми рычагами следующего X-образного элемента в направлении или от ведущего крюка 74 к заднему крюку 76 и/или от одного бокового края 66 к другому боковому краю 67. В сечении, эти рычаги, по существу, имеют прямоугольную 151 форму, как показано на фиг. 10.

Решетчатая компоновка 150 соединяется с передним крюком 74 и задним крюком 76 вдоль длин по периферии круга и обеспечивает идентичные конструктивные преимущества с тем, что описано выше. Отверстия 156, 158, 160 могут располагаться так и/или иметь такие размеры, чтобы также формировать экран, т.е. удлиненную часть 130, показанную пунктирными линиями, для натекания охлаждающего потока 80, как описано выше.

Форма придающей жесткость конструкции 100 является такой, что высококачественное изготовление является возможным, в частности, с учетом того, что предпочтительный способ представляет собой трехмерную печать или аддитивное изготовление. Таким образом, придающая жесткость конструкция 100 формируется как единое целое или является монолитной с крюками 74, 76, и фактически весь тепловой экран является монолитным, за счет компоновки посредством послойного непрерывного процесса. Таким образом, "пригодность для печати" представляет собой существенный фактор в конструировании теплового экрана и придающей жесткость конструкции, в частности. Тем не менее, один ключевой признак состоит в том, что придающая жесткость конструкция отсоединяется от основного корпуса 61 и/или второй поверхности 72 аддитивно изготовленного теплового экрана.

Настоящий тепловой экран 60 является преимущественным, поскольку он имеет повышенную жесткость, чтобы предотвращать искривление, и лучше уплотняется вокруг своих краев 62, 64, 66, 67, чем предшествующие конструкции; добавление придающей жесткость конструкции 100, проходящей непосредственно между крюками 74 и 76, означает, что она окружается посредством хладагента и непосредственно не отбирает тепло из основного корпуса 61 и в силу этого по сути является более жесткой, чем предшествующие конструкции; удлиненная часть 130 улучшает равномерное распределение хладагента во впускные отверстия и охлаждающие каналы в основном корпусе, чтобы предоставлять более равномерно охлажденный основной корпус 61 с ассоциированными преимуществами, упомянутыми выше.

Все эти факторы способствуют увеличенному ресурсу и/или температурным характеристикам теплового экрана 60. Под температурными характеристиками понимается то, что горячие рабочие газы могут иметь более высокую температуру, чем раньше, вследствие улучшенного управления теплообменом настоящего теплового экрана по сравнению с предыдущими и традиционными конструкциями.

Настоящий тепловой экран 60, в частности, подходит для изготовления посредством процесса аддитивного изготовления, такого как прямое лазерное осаждение, лазерное спекание, избирательная лазерная плавка или другие технологии трехмерной печати. В частности, направление формирования теплового экрана 60 задается, послойно, от одного бокового края 61 к другому, и в частности, в направлении линии 124 на фиг. 2.

Все элементы, раскрытые в этом подробном описании (включающем в себя прилагаемую формулу изобретения, реферат и чертежи), и/или все этапы любого раскрытого способа или процесса могут комбинироваться в любой комбинации за исключением комбинаций, в которых, по меньшей мере, некоторые из таких элементов и/или этапов являются взаимоисключающими.

Каждый элемент, раскрытый в этом подробном описании (включающем в себя прилагаемую формулу изобретения, реферат и чертежи), может заменяться посредством альтернативных элементов, служащих идентичной, эквивалентной или аналогичной цели, если в явной форме не указано иное. Таким образом, если в явной форме не указано иное, каждый раскрытый элемент представляет собой только один пример общей последовательности эквивалентных или аналогичных элементов.

Изобретение не ограничено подробностями вышеприведенного варианта(ов) осуществления. Изобретение распространяется на любой новый один или на любую новую комбинацию элементов, раскрытых в этом подробном описании (включающем в себя прилагаемую формулу изобретения, реферат и чертежи), либо на любой новый один или на любую новую комбинацию этапов любого раскрытого способа или процесса.

Тепловой экран для газотурбинного двигателя содержит основной корпус, имеющий передний край, задний край, боковые края, первую поверхность и вторую поверхность. Первая поверхность подвергается воздействию горячего рабочего газа, проходящего при использовании через газотурбинный двигатель. Тепловой экран имеет передний крюк и задний крюк, каждый из которых проходит между боковыми краями, причем передний крюк и задний крюк проходят из второй поверхности. Придающая жесткость конструкция проходит от переднего крюка к заднему крюку и непосредственно не контактирует или присоединяется ко второй поверхности. Улучшенный тепловой экран уменьшает искривление, уменьшает температурные градиенты, уменьшает абсолютные температуры и минимизирует использование охлаждающего воздуха. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 10 ил.

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

- основной корпус (61), имеющий передний край (62), задний край (64), боковые края (66, 67), первую поверхность (70) и вторую поверхность (72), причем первая поверхность (70) открыта для воздействия горячего рабочего газа, проходящего при использовании через газотурбинный двигатель (10),

- передний крюк (74) и задний крюк (76), каждый из которых проходит между боковыми краями (66, 67), причем передний крюк (74) и задний крюк (76) проходят от второй поверхности (72),

- отличающийся тем, что:

- имеется придающая жесткость конструкция (100), проходящая от переднего крюка (74) к заднему крюку (76) и свободная от непосредственного контакта или присоединения ко второй поверхности (72), причем придающая жесткость конструкция (100) является монолитной с передним крюком (74) и задним крюком (76).

2. Экран (60) по п. 1, в котором придающая жесткость конструкция (100) выполнена в общей форме, по меньшей мере, одного X при просмотре в направлении второй поверхности (72).

3. Экран (60) по п. 2, в котором придающая жесткость конструкция (100) содержит четыре рычага (104A, 104B, 104C, 104D),

- причем два рычага (104A, 104B) присоединены к переднему крюку (74), а два рычага (104C, 104D) присоединены к заднему крюку (76),

- причем четыре рычага (104A, 104B, 104C, 104D) стыкуются на пересечении (129).

4. Экран (60) по п. 3, в котором придающая жесткость конструкция (100) содержит удлиненную часть (130),

- причем удлиненная часть (130) проходит между любой одной или более пар рычагов, из рычага (104A) и рычага (104B), рычага (104B) и рычага (104C), рычага (104C) и рычага (104D) и рычага (104A) и рычага (104D),

- причем, при использовании, удлиненная часть (130), блокирует натекание струи хладагента (80) на вторую поверхность (72) и/или, по меньшей мере, на одно впускное отверстие (92) во второй поверхности (72).

5. Экран (60) по п. 4, выполненный с возможностью прикрепления к держателю (58) газотурбинного двигателя (10), причем держатель (58) расположен радиально снаружи относительно теплового экрана (60) и содержит:

- соответствующие зацепляющие элементы (75, 77) для взаимодействия переднего крюка (74) и заднего крюка (76), и

- по меньшей мере одно отверстие (81) для направления хладагента (80) через него и к тепловому экрану (60), причем, по меньшей мере, одно отверстие (81) имеет центральную линию (132),

- причем центральная линия (132) пересекает придающую жесткость конструкцию (100) таким образом, что хладагент (80), по меньшей мере, частично натекает на придающую жесткость конструкцию (100).

6. Экран (60) по п. 5, в котором:

- центральная линия (132) пересекает придающую жесткость конструкцию (100) таким образом, что хладагент (80), по меньшей мере, частично натекает на удлиненную часть (130).

7. Экран (60) по любому из пп. 4-6, содержащий центральную линию (21) и перпендикулярную центральной линии (21) линию (124),

- угол (α) от рычага (104C) к линии (124), и угол (β) от рычага (104C) к другому рычагу (104D), причем оба рычага (104C, 104D) присоединены к тому же переднему или заднему крюку (74, 76),

- причем соотношение углов составляет "угол α/угол β≥2".

8. Экран (60) по любому из пп. 4-7, в котором придающая жесткость конструкция (100) содержит один или более профилей поперечного сечения, таких как: двутавровая балка (142), однотавровая балка, коробчатая балка (144) или прямоугольник (151).

9. Экран (60) по любому из пп. 4-8, в котором придающая жесткость конструкция (100) представляет собой балочную компоновку (101), причем балочная компоновка (101) содержит, по меньшей мере, одну балку (104A, 104B, 104C, 104D, 104E, 104F), причем, по меньшей мере, одна балка (104A, 104B, 104C, 104D, 104E, 104F) имеет, по меньшей мере, одну перемычку (110, 116, 118, 148) и, по меньшей мере, один фланец (106, 108, 120, 122, 147).

10. Экран (60) по п. 9, в котором удлиненная часть (130) сформирована посредством удлинения фланца (106, 108, 120, 122, 147), предпочтительно радиально внешнего фланца (106, 120, 147).

11. Экран (60) по любому из пп. 1-8, в котором придающая жесткость конструкция (100) представляет собой решетчатую конструкцию (150).

12. Экран (60) по п. 11, в котором решетчатая конструкция (150) представляет собой группу X-образных элементов, причем каждый X-образный элемент имеет рычаги (104A, 104B, 104C, 104D).

13. Экран (60) по любому из пп. 1-12, в котором удлиненная часть (130) свободна от соединения с передним крюком (74) и с задним крюком (76).

14. Газотурбинный двигатель (10), содержащий тепловой экран (60) по любому из пп. 1-13 и держатель (58),

- причем держатель (58) расположен радиально снаружи относительно теплового экрана (60) и содержит:

- соответствующие зацепляющие элементы (75, 77) для взаимодействия переднего крюка (74) и заднего крюка (76), и

- по меньшей мере одно отверстие (81) для направления хладагента (80) через него и к тепловому экрану (60), причем, по меньшей мере, одно отверстие (81) имеет центральную линию (132),

- причем центральная линия (132) пересекает придающую жесткость конструкцию (100) таким образом, что хладагент (80), по меньшей мере, частично натекает на придающую жесткость конструкцию (100).

15. Двигатель (10) по п. 14, в котором:

- центральная линия (132) пересекает придающую жесткость конструкцию (100) таким образом, что хладагент (80), по меньшей мере, частично натекает на удлиненную часть (130).

16. Двигатель (10) по любому из пп. 14, 15, в котором

- тепловой экран (60) представляет собой один из кольцевой группы тепловых экранов (60), а держатель (58) является кольцевым,

- причем держатель (58) содержит кольцевую группу отверстий (81),

- причем центральная линия (132) каждого отверстия (81) радиально совмещается с одним из тепловых экранов (60) и, в частности, с придающей жесткость конструкцией (100) таким образом, что при использовании, хладагент натекает на тепловой экран (60) и, в частности, на придающую жесткость конструкцию (100).