ТЕПЛОВОЙ ЭКРАН ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2023 года по МПК F01D25/12 F01D11/24 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к тепловому экрану, который может использоваться в газотурбинном двигателе, и предпочтительно к тепловому экрану, имеющему охлаждающую компоновку, с тем чтобы улучшать температурные характеристики и долговечность.

Уровень техники изобретения

Тепловой экран может находиться в нескольких местоположениях в газотурбинном двигателе, например, 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 заданном положении за счет конструкции держателя. Тепловой экран составляет часть газового тракта, который канализирует горючие газы через турбину, которая 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.

US2017/0138211 A1 раскрывает кольцевой сегмент газотурбинного двигателя, имеющий основной корпус с вертикально выступающими передними и задними крюками. Крюки присоединяют кольцевой сегмент к конструкции держателя, которая расположена радиально снаружи относительно оси вращения газотурбинного двигателя. Кольцевой сегмент содержит охлаждающую компоновку, включающую в себя пластину для обеспечения натекания и группу охлаждающих каналов. Пластина для обеспечения натекания расположена радиально снаружи относительно основного корпуса и направляет струи воздуха против холодной стороны основного корпуса. Группа охлаждающих каналов формируется в основном корпусе и снабжается используемым воздухом для охлаждения натеканием через отверстие на холодной стороне и через магистральный канал, сформированный централизованно и проходящий аксиально в основном корпусе. Охлаждающие каналы проходят по окружности в направлении от магистрального канала. Таким образом, охлаждающие каналы проходят в своем самом длинном размере в направлении, параллельном вращению лопаток ротора.

US 2013/108419 (A1) раскрывает кольцевой сегмент для газотурбинного двигателя, который включает в себя панель или основной корпус и систему охлаждения. Система охлаждения формируется в панели и включает в себя канавку подачи охлаждающей текучей среды, имеющую открытый верхний фрагмент и проходящую радиально внутрь из центрального утопленного фрагмента панели. Система охлаждения дополнительно включает в себя множество проходов для охлаждающей текучей среды, проходящих из канавки подачи охлаждающей текучей среды в передний край и/или задний край панели. Проходы для охлаждающей текучей среды принимают охлаждающую текучую среду из канавки подачи охлаждающей текучей среды, при этом охлаждающая текучая среда обеспечивает конвективное охлаждение для панели по мере того, как она проходит через проходы для охлаждающей текучей среды.

EP3167164B1 раскрывает компонент турбомашины, содержащий, по меньшей мере, одну часть, встроенную в части из искривленной или плоской панели, в частности, листового металла, причем часть содержит множество охлаждающих каналов, через которые может направляться охлаждающая текучая среда, в частности, воздух, при этом, по меньшей мере, один из множества охлаждающих каналов имеет непрерывно cужающуюся секцию.

Тем не менее, эти тепловые экраны или кольцевые сегменты могут подвергаться высоким тепловым градиентам не только между своей горячей стороной и холодной стороной, но также и между передним краем и задним краем, а также между боковыми краями. 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 горячей поверхности теплового экрана о вращающиеся лопатки, вызывая повреждение обеих частей и последующее ухудшение рабочих характеристик турбины.

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

Сущность изобретения

Чтобы решать известные проблемы, создан тепловой экран для газотурбинного двигателя. Тепловой экран содержит основной корпус, имеющий передний край, задний край, боковые края, первую поверхность и вторую поверхность, причем первая поверхность открыта для воздействия горячего рабочего газа, проходящего при использовании через газотурбинный двигатель. Основной корпус имеет группу охлаждающих каналов для транспортировки потока хладагента, причем каждый охлаждающий канал из группы охлаждающих каналов имеет поверхность. По меньшей мере, один охлаждающий канал из группы охлаждающих каналов содержит, по меньшей мере, один возмущающий поток элемент, проходящий от поверхности и в охлаждающий канал.

По меньшей мере, один возмущающий поток элемент может представлять собой штифт. Штифт, проходящий из одной части поверхности в другую часть поверхности, может быть таким, что его стороны не контактируют с поверхностью охлаждающего канала.

Данный или еще, по меньшей мере, один возмущающий поток элемент может представлять собой частичный штифт. Частичный штифт может присоединяться по длине к другой стороне охлаждающего канала.

Данный или еще, по меньшей мере, один возмущающий поток элемент может содержать второй частичный штифт. Частичный штифт и второй частичный штифт могут размещаться напротив друг друга через канал.

По меньшей мере, один охлаждающий канал может содержать группу штифтов и частичный штифт(ы) и/или второй частичный штифт(ы) вдоль, по меньшей мере, части длины охлаждающего канала. Предпочтительно штифт(ы) и частичный штифт(ы) и/или второй частичный штифт(ы) могут размещаться в чередующемся шаблоне друг с другом.

Возмущающий поток элемент может иметь форму поперечного сечения многоугольника. Предпочтительно, форма поперечного сечения может представлять собой четырехугольник или параллелограмм. Форма поперечного сечения может иметь диагональную линию, причем диагональная линия располагается в линию с продольной протяженностью охлаждающего канала.

Возмущающий поток элемент может иметь множество боковых поверхностей, при этом угол между любыми двумя соседними боковыми поверхностями составляет ≥45°.

Охлаждающий канал или охлаждающие каналы могут содержать ограничитель. Ограничитель формирует наименьшую площадь поперечного сечения в охлаждающем канале.

Группа охлаждающих каналов может содержать переднюю группу охлаждающих каналов и заднюю группу охлаждающих каналов. Каждая из передней группы охлаждающих каналов и задней группы охлаждающих каналов может содержать параллельные, в частности, прямые охлаждающие каналы, которые проходят в направлении, по существу, перпендикулярном соответствующему переднему краю и заднему краю. Охлаждающие каналы из задней группы охлаждающих каналов могут быть больше охлаждающих каналов из передней группы охлаждающих каналов.

Основной корпус имеет размер L, который является перпендикулярным переднему краю и заднему краю, и охлаждающие каналы из задней группы охлаждающих каналов могут проходить на 55-70% относительно L, предпочтительно на 60% относительно L, и охлаждающие каналы из передней группы охлаждающих каналов могут проходить на 30-45% относительно L, предпочтительно на 40% относительно L.

Каждый охлаждающий канал из передней группы охлаждающих каналов может иметь выпускное отверстие в переднем крае основного корпуса. Каждый охлаждающий канал из задней группы охлаждающих каналов может иметь выпускное отверстие в заднем крае основного корпуса.

Каждый охлаждающий канал из передней группы охлаждающих каналов может иметь впускное отверстие, сформированное во второй поверхности. Каждый охлаждающий канал из задней группы охлаждающих каналов может иметь впускное отверстие, сформированное во второй поверхности. Предпочтительно, каждый охлаждающий канал может иметь впускное отверстие, сформированное во второй поверхности.

Охлаждающий проход(ы), расположенный ближе всего к боковому краю(ям) основного корпуса, может иметь множество выпускных отверстий в боковом крае таким образом, что при использовании, хладагент проходит из охлаждающего канала, через охлаждающий проход и выпускается в боковом крае через выпускное отверстие. Если каждый охлаждающий канал имеет впускное отверстие, сформированное во второй поверхности, впускное отверстие охлаждающего прохода(ов), расположенного ближе всего к боковому краю(ям) основного корпуса, больше впускных отверстий других охлаждающих каналов.

По меньшей мере, один охлаждающий канал может иметь форму поперечного сечения, которая является многоугольной, предпочтительно четырехугольной. Предпочтительно, все охлаждающие каналы имеют форму поперечного сечения, которая является многоугольной, предпочтительно четырехугольной. Предпочтительно, все охлаждающие каналы имеют форму поперечного сечения, которая является прямоугольной, треугольной или трапециевидной.

Дополнительно, чтобы решать известные проблемы, также создан тепловой экран для газотурбинного двигателя. Тепловой экран содержит основной корпус, имеющий передний край, задний край, боковые края, первую поверхность и вторую поверхность, причем первая поверхность открыта для воздействия горячего рабочего газа, проходящего при использовании через газотурбинный двигатель. Основной корпус имеет группу охлаждающих каналов для транспортировки потока хладагента. По меньшей мере, один охлаждающий канал имеет форму поперечного сечения, которая является многоугольной, предпочтительно четырехугольной. Предпочтительно, все охлаждающие каналы имеют форму поперечного сечения, которая является многоугольной, предпочтительно четырехугольной. Предпочтительно, все охлаждающие каналы имеют форму поперечного сечения, которая является прямоугольной, треугольной или трапециевидной.

Еще дополнительно, чтобы решать известные проблемы, предложен тепловой экран для газотурбинного двигателя. Тепловой экран содержит основной корпус, имеющий передний край, задний край, боковые края, первую поверхность и вторую поверхность, причем первая поверхность открыта для воздействия горячего рабочего газа, проходящего при использовании через газотурбинный двигатель. Основной корпус имеет группу охлаждающих каналов для транспортировки потока хладагента, причем каждый охлаждающий канал из группы охлаждающих каналов имеет поверхность. Группа охлаждающих каналов содержит переднюю группу охлаждающих каналов и заднюю группу охлаждающих каналов. Каждая из передней группы охлаждающих каналов и задней группы охлаждающих каналов содержит параллельные, в частности, прямые охлаждающие каналы, которые проходят в направлении, по существу, перпендикулярном соответствующему переднему краю и заднему краю. Охлаждающие каналы из задней группы охлаждающих каналов больше охлаждающих каналов из передней группы охлаждающих каналов.

Основной корпус имеет размер L, который является перпендикулярным переднему краю и заднему краю, и охлаждающие каналы из задней группы охлаждающих каналов могут проходить на 55-70% относительно L, предпочтительно на 60% относительно L, и охлаждающие каналы из передней группы охлаждающих каналов могут проходить на 30-45% относительно L, предпочтительно на 40% относительно L.

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 в виде в сечении, в который включается настоящий тепловой экран,

Фиг. 2 является видом в изометрии сечения через настоящий тепловой экран, показывающим группу охлаждающих каналов для транспортировки потока хладагента через основной корпус теплового экрана,

Фиг. 3 является полным сечением A-A настоящего теплового экрана, показывающим в радиально внутреннем направлении вид группы охлаждающих каналов для транспортировки потока хладагента через основной корпус теплового экрана,

Фиг. 4 является увеличенным видом B, показанным на фиг. 3, охлаждающего канала из группы охлаждающих каналов настоящего теплового экрана, и также некоторые возмущающие поток элементы,

Фиг. 5 является видом в направлении стрелки C на фиг. 4, и показывающим охлаждающие каналы с прямоугольным поперечным сечением и один из возмущающих поток элементов,

Фиг. 6 является увеличенным видом в направлении стрелки D на фиг. 3, определенного числа охлаждающих каналов из группы охлаждающих каналов настоящего теплового экрана,

Фиг. 7 является видом в направлении стрелки D на фиг. 3, показывающим треугольные охлаждающие каналы поперечного сечения,

Фиг. 8 является видом в направлении стрелки D на фиг. 3, показывающим трапециевидные охлаждающие каналы.

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, по существу, размещаются последовательно в направлении потока и, по существу, около и вдоль направления продольной оси или оси 20 вращения. 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 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 камере 26 горелки. Сжатый воздух, проходящий через компрессор 14, входит в диффузор 32 и выпускается из диффузора 32 в 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 после сгорания канализируется через камеру 28 сгорания в секцию 18 турбины через переходный канал 17.

Этот взятый в качестве примера газотурбинный двигатель 10 имеет трубчато-кольцевую секционную компоновку 16 камеры сгорания, которая состоит из кольцевой группы из стабилизаторов 19 пламени камеры сгорания, каждый из которых имеет горелку 30, и камеры 28 сгорания. Переходный канал 17 имеет, по существу, круговое впускное отверстие, которое 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 несущие лопатки диски 36, присоединенные к валу 22. В настоящем примере, два диска 36 поддерживают 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 44 и кольцевую группу тепловых экранов 60, смонтированных на держателе 44 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.

Настоящее изобретение описывается со ссылкой на взятый в качестве примера вышеуказанный 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 он может использоваться для промышленных, авиационных или судостроительных вариантов осуществления.

Термины "выше по потоку" и "ниже по потоку " означают направление 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 "круговой" задаются со ссылкой на ось 20 вращения двигателя.

Термин "тепловой экран" используется для того, чтобы обозначать не только тепловой экран 60, как описано в данном документе, но также и 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. 2-8.

Ссылаясь на фиг. 2-6, тепловой экран 60 представляет собой периферийный сегмент кольцевой группы периферийных сегментов, которые составляют часть газопромываемой внешней поверхности газового тракта через секцию 18 турбины. Тепловой экран 60 расположен радиально снаружи относительно вращающихся лопаток 38 и формирует зазор в наконечнике между ними.

Тепловой экран 60 имеет основной корпус 61, передний край 62, задний край 64 и, при наблюдении по оси вниз по потоку, 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 между ними может существовать зазор. Тепловой экран 60 имеет первую поверхность или газопромываемую поверхность 70, которая также представляет собой радиально внутреннюю поверхность, и которая частично задает радиально внешнюю газопромываемую поверхность газового тракта в секции 18 турбины. Газопромываемая 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 сторону, или поверхность 72, которая представляет собой радиально внешнюю поверхность относительно потока горячего газа.

Тепловой экран 60 монтируется на кожухе 58 посредством переднего крюка или подвесного кронштейна 74 и заднего крюка или подвесного кронштейна 76. Передний крюк 74 и задний крюк 76 зацепляются с соответствующими элементами на держателе 44. Другое или дополнительное крепежное средство для прикрепления теплового экрана к держателю 44 или другой опорной конструкции может обеспечиваться, как известно в данной области техники.

Тепловой экран 60 имеет центральную линию 21, которая при просмотре радиально внутрь к оси 20 вращения газовой турбины 10 является параллельной с осью 20 вращения. Тепловой экран 60, по существу, является симметричным вокруг своей центральной линии 21. Тепловой экран 60, по существу, является дугообразным при просмотре вдоль центральной линии 21, и его кривизна представляет собой кривизну части периферийной поверхности группы тепловых экранов 60, которая формирует газопромываемую 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 44. 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 прямые охлаждающие каналы 86, которые проходят в направлении, по существу, перпендикулярном соответствующему переднему краю 62 и заднему краю 64.

Каждый охлаждающий канал 86 передней группы 82 охлаждающих каналов имеет выпускное отверстие 88 в переднем крае 62, и каждый охлаждающий канал 86 задней группы 84 охлаждающих каналов имеет выпускное отверстие 90 в заднем крае 64 основного корпуса 61. Каждый охлаждающий канал 86 имеет впускное отверстие 92, 94 во второй поверхности 72. В этом варианте осуществления, отсутствует магистраль, снабжающая несколько охлаждающих каналов 86. Помимо этого, охлаждающие проходы 68, расположенные ближе всего к боковым краям 66, 67 основного корпуса 61, имеют множество выпускных отверстий 96, заданных в соответствующем боковом крае 66, 67. Как можно видеть на фиг. 3 выпускные отверстия 96 представляют собой короткие продольные охлаждающие проходы, которые проходят из охлаждающего канала 68 в боковой край теплового экрана. Хотя не показано, выпускные отверстия 96 расположены радиально внутрь уплотнительной полоски, которая уплотняется между непосредственно смежными тепловыми экранами и обычно расположена в пазу в боковом крае или поверхности. По меньшей мере, часть охлаждающих проходов 68, расположенных ближе всего к боковым краям 66, 67, расположена радиально внутрь уплотнительной полоски.

Один аспект теплового экрана 60, который не является симметричным, состоит в том, что каждое из множества выпускных отверстий 96, заданных в боковом крае 66, смещено, в осевом направлении или вдоль краев 66, 67, относительно другого из множества выпускных отверстий 96, заданных в боковом крае 67. Для двух непосредственно смежных тепловых экранов, боковой край 66 одного теплового экрана располагается напротив бокового края 67 другого теплового экрана 60. Выпускные отверстия 96 в боковом крае 66 формируются таким образом, что струи хладагента, вытекающего из них, натекают на поверхность бокового края 67, а не на выпускные отверстия 96 бокового края 67. Аналогично, выпускные отверстия 96 в боковом крае 67 формируются таким образом, что струи хладагента натекают на поверхность бокового края 66, а не на выпускные отверстия 96 бокового края 66. Таким образом, для любого теплового экрана 60, выпускные отверстия и короткие продольные охлаждающие проходы, которые проходят из охлаждающего канала 68, расположенного ближе всего к каждому из боковых краев 66, 67, являются не полностью симметричными вокруг центральной линии 21. Эта компоновка со смещением выпускных отверстий 96 обеспечивает очень хорошее уплотнение между смежными тепловыми экранами и предоставляет очень хорошее охлаждение боковых краев 66, 67.

При использовании, хладагент 80 под давлением, обычно воздух, стравливаемый из компрессора, подается через держатель 44 в холодную сторону 72 теплового экрана 60. Хладагент 80 входит в охлаждающий проход 68 через впускные отверстия 92, 94, проходит вдоль охлаждающих каналов 68 и выпускается через выпускные отверстия 88, 90, 96 в передних, задних и боковых краях 62, 64, 66, 68, соответственно, в качестве подпотоков 80A, 80B и 80C хладагента, соответственно. Выпуск хладагента 80 в краях теплового экрана помогает предотвращать вход горячих рабочих газов в зазоры, окружающие тепловой экран 60. Выпуск хладагента 80 в краях теплового экрана 60 также помогает предотвращать горячие точки на и около краев 62, 64, 66, 67 теплового экрана 60. Дополнительно, любой температурный градиент минимизируется во всем основном корпусе 61 теплового экрана 60.

Охлаждающие проходы 68, расположенные ближе всего к боковым краям 66, 67 основного корпуса 68, имеют большие впускные отверстия 94, чем впускные отверстия 92 других охлаждающих каналов 68, с тем чтобы иметь больший поток хладагента, чем другие охлаждающие каналы 68, и надлежащим образом подавать выпускные отверстия 96 в боковые края 66, 68, а также в их выпускные отверстия 88, 90 в передних и задних краях 62, 68, соответственно. В этом примерном варианте осуществления, охлаждающие проходы 68, расположенные ближе всего к боковым краям 66, 67, имеют идентичную форму и площадь поперечного сечения с другими охлаждающими каналами 68; тем не менее, охлаждающие проходы 68, расположенные ближе всего к боковым краям 66, 67, могут иметь большую площадь и/или форму поперечного сечения, чтобы обеспечивать возможность большему объему охлаждающей жидкости протекать в их впускное отверстие и через охлаждающий канал таким образом, что их боковые выпускные отверстия 96 и выпускные отверстия 80 в передних и задних краях 62, 64 надлежащим образом снабжаются хладагентем.

Чтобы дополнительно уменьшать температурный градиент и абсолютную температуру основного корпуса 61, охлаждающие каналы 68 из задней группы 84 охлаждающих каналов являются более длинными, в осевом направлении 20, 21, чем охлаждающие каналы 68 из передней группы 82 охлаждающих каналов. Давление и температура рабочего газа в переднем крае 62 выше, чем в заднем крае 64, и длины задней группы 84 охлаждающих каналов и передней группы 82 охлаждающих каналов являются такими, что соответствующий хладагент проходит через переднюю группу 82 охлаждающих каналов, а также заднюю группу 84 охлаждающих каналов. Другими словами, длины задней группы 84 охлаждающих каналов и передней группы 82 охлаждающих каналов являются такими, что потери давления вдоль соответствующих охлаждающих каналов балансируются с давлением за пределами их выпускных отверстий, так что возникает положительное давление хладагента в охлаждающих каналах, чтобы предоставлять соответствующий поток хладагента через каждый охлаждающий канал согласно его потребности в охлаждении. Основной корпус 61 имеет размер L, который является перпендикулярным переднему краю 62 (т.е. осевой длине) и заднему краю 64, и охлаждающие каналы 68 из задней группы 84 охлаждающих каналов проходят на 55-70% относительно L, и в показанном варианте осуществления, на 60% относительно L. Охлаждающие каналы 68 из передней группы 82 охлаждающих каналов проходят на 30-45% относительно L, и в показанном варианте осуществления, на 40% относительно L. Следует отметить, что эти относительные размеры определяются из центральной точки или линии 93 между впускными отверстиями 92 задней группы 84 охлаждающих каналов и впускными отверстиями 92 передней группы 82 охлаждающих каналов.

Эффективность охлаждения охлаждающей компоновки настоящего теплового экрана значительно повышается, по меньшей мере, за счет одного, но предпочтительно всех, охлаждающих каналов 68 из группы 78 охлаждающих каналов, содержащих, по меньшей мере, один возмущающий поток элемент 100. Охлаждающий канал(ы) имеет форму поперечного сечения, которая является четырехугольной, в этом примере прямоугольной, имеет поверхность 104, по которой протекает хладагент. В этом примерном варианте осуществления поверхность 104 формируется из радиально внутренней поверхности 108, радиально внешней поверхности 106 и боковых поверхностей 105, 107. В этом варианте осуществления, предусмотрено определенное число возмущающих поток элементов 100, а именно, штифтов 102 и частичных штифтов 110, которые, проходят по существу из поверхности 104 и в охлаждающий канал 68.

Штифты 102 проходят из поверхности 108 в поверхность 106 таким образом, что их стороны 112 не контактируют с поверхностью 104 охлаждающего канала 68. Другими словами, штифты 102 присоединяются к поверхности 104 только на концах 114, 116. Штифт(ы) 102 расположены равноотстояще от боковых поверхностей 105, 107 в охлаждающем канале 68, хотя в других вариантах осуществления штифты 102 могут смещаться и располагаться ближе к одной боковой поверхности 105, 107, чем к другой боковой поверхности 107, 105. Штифты 102 имеют форму поперечного сечения ромба, но возможны другие многоугольные формы, такие как четырехугольники или параллелограммы. Штифт имеет диагональную линию 120, заданную между двумя противоположными краями, которые задаются посредством его сторон 112, которая располагается в линию с продольной осью 118 охлаждающего канала 68.

Другой возмущающий поток элемент 100 представляет собой частичный штифт 110, который имеет аналогичную форму поперечного сечения с одной половиной штифта 102, при разделении посредством плоскости, которая является перпендикулярной к виду по фиг. 4 и задается посредством диагональной линии 120. Частичный штифт 110 показан в пунктирных линиях на фиг. 5 и присоединен по длине к другой стороне 107 охлаждающего канала 68, так что предусмотрено две боковых поверхности и один край, проходящий из поверхности 104. (Первый) частичный штифт 110 также присоединен к охлаждающему каналу 68 через концы для поверхности 106 и поверхности 108. Как показано на фиг. 4 и фиг. 5, этот возмущающий поток элемент 100 содержит второй частичный штифт 110, размещаемый на противоположной поверхности 105 относительно первого частичного штифта 110 и вдоль охлаждающего канала 68.

Общая и минимальная площадь сечения потока охлаждающего канала 68 в поперечном сечении через штифт 102 приблизительно равна минимальной площади сечения потока охлаждающего канала 68 между расположенными напротив частичными штифтами 110.

Ссылаясь на фиг. 3, каждый охлаждающий канал 68, содержащий группу возмущающих поток элементов 100, имеет определенное число штифтов 102 и расположенных напротив (первых и вторых) частичных штифтов 110 вдоль, по меньшей мере, части длины охлаждающего канала 68. Группа возмущающих поток элементов 100 формируется посредством чередующегося шаблона из одной пары расположенных напротив (первых и вторых) частичных штифтов 110 и затем одного штифта 102, или наоборот.

Следует принимать во внимание, что другие компоновки пары расположенных напротив (первых и вторых) частичных штифтов 110 и штифтов 102 являются возможными, и первые и вторые частичные штифты 110 не должны обязательно совмещаться в охлаждающем канале и вместо этого могут смещаться. Фактически, можно иметь различные охлаждающие компоновки без штифтов и только с частичными штифтами 110 либо без частичных штифтов 110 и только со штифтами 102. Если отсутствуют частичные штифты, каждый штифт 102 из группы штифтов 102 может позиционироваться со смещением от центральной линии 118 из охлаждающего канала 68. Если отсутствуют штифты 102, частичные штифты 110 могут присоединяться по длине только к одной поверхности, например, к поверхности 108, либо более чем к одной поверхности, например, к поверхности 105, 106, 107, 108, и каждый последовательный частичный штифт 110 может присоединяться к любой из поверхностей 105, 106, 107, 108. Дополнительно, штифты 102 показаны проходящими из поверхности 108 в поверхность 106, но могут проходить между поверхностью 105 и поверхностью 107. Аналогично, частичные штифты 110 показаны проходящими из поверхности 108 в поверхность 106, но могут проходить между поверхностью 105 и поверхностью 107.

В примере по фиг. 4 настоящего теплового экрана, каждый охлаждающий канал 68 дополнительно содержит ограничитель 130. Ограничитель 130 формирует наименьшую площадь поперечного сечения в охлаждающем канале 68 и управляет количеством хладагента, проходящего через охлаждающие каналы 68. Ограничитель 130 потока, по существу, имеет идентичную форму поперечного сечения и общую конфигурацию с парой расположенных напротив друг друга частичных штифтов 110, за исключением того, что ограничитель 130 больше и, как упомянуто выше, формирует площадь поперечного сечения потока охлаждающего канала 68, которая меньше площадей сечения потока вокруг штифта 102 и через пару расположенных напротив друг друга частичных штифтов 110. Ограничитель 130 расположен вниз по потоку относительно штифтов 102 и частичных штифтов 110 относительно хладагента, протекающего вдоль охлаждающего канала 68 из впускного отверстия 92, 94 в выпускное отверстие 88. Ограничитель 130 расположен очень близко к выпускному отверстию 88.

В других вариантах осуществления настоящего теплового экрана 60, и для того, чтобы балансировать теплопередачу или охлаждающий эффект в тепловом экране 60, не все охлаждающие каналы 68 имеют ограничитель 130, или ограничитель 130 может иметь другой размер; т.е. площадь сечения потока ограничителя 130, может регулироваться согласно одному или заданному числу каналов 68 охлаждающего потока. Например, передняя группа 82 охлаждающих каналов может вообще не иметь ограничителя 130 либо иметь ограничитель с большей площадью сечения потока, чем задняя группа 84 охлаждающих каналов, за счет этого предпочтительно подавая хладагент в переднюю группу 82 охлаждающих каналов. В другом примере, одна или обе из передней группы 82 охлаждающих каналов и задней группы 84 охлаждающих каналов могут иметь определенное число охлаждающих каналов ближе всего к боковым краям 66, 68 без ограничителя 130 или с ограничителем с большей площадью сечения потока, чем охлаждающие каналы 68 ближе к центральной линии 21; за счет этого предпочтительно охлаждая области бокового края теплового экрана 60.

Для удобства, тепловой экран 60 может конструироваться для всех версий конкретной газовой турбины, и только ограничитель 130 может просто модифицироваться таким образом, чтобы регулировать объем охлаждающей жидкости через каждый из охлаждающих каналов 68, в зависимости от версии двигателя. Различные версии газовой турбины, например, различные выходные мощности, означают то, что температура и/или давление рабочего газа может отличаться, так что в высокопроизводительной газовой турбине, ограничитель 130 исключается, либо его площадь сечения потока увеличивается в некоторых или всех охлаждающих каналах. Кроме того, модификации ограничителя 130 могут легко вноситься для и во время доводочного тестирования двигателя.

При использовании, хладагент 80 входит в охлаждающие проходы 68 через впускные отверстия 92, 94, проходит вдоль охлаждающих каналов 68 и выпускается через выпускные отверстия 88, 90, 96 в передних, задних и боковых краях 62, 64, 66, 68, соответственно, в качестве подпотоков 80A, 80B и 80C хладагента, соответственно. По мере того, как хладагент 80 проходит вдоль охлаждающих проходов 68, возмущающий поток элемент(ы) 100 создает возмущения или вихри в потоке хладагента. Эти вихри не только смешивают хладагент в охлаждающих проходах 68 и предотвращают ламинарный поток по поверхностям 104. Ламинарный поток или граничные слои могут приводить к тому, что самый горячий хладагент остается около поверхности 104 вдоль охлаждающего прохода 68 и снижает охлаждающий эффект, вниз по потоку прохождения хладагента. Другими словами, разрешение граничных слоев или ламинарного потока может приводить к серьезному и вредному температурному градиенту в хладагенте в охлаждающем проходе. Посредством введения возмущающего поток элемента(ов) 100, хладагент смешивается, и в силу этого охлаждающий эффект значительно улучшается по сравнению с гладким невозмущенным проходом. Помимо этого, возмущающий поток элемент(и) 100 увеличивает площадь поверхности охлаждающего прохода 68, увеличивая теплопередачу из теплового экрана 60 в хладагент. Еще дополнительно, хладагент также натекает на возмущающий поток элемент 100, и после этого вихри натекают на поверхности, улучшая теплопередачу.

В другом аспекте настоящего теплового экрана 60, охлаждающие каналы 68 имеют форму поперечного сечения, которая является прямоугольной, хотя возможны другие многоугольные и предпочтительно четырехугольные формы. Фиг. 6 показывает то, что выпускные отверстия 88, 90 являются прямоугольными, хотя углы могут иметь небольшие радиусы. Эта прямоугольная форма поперечного сечения обеспечивает большую площадь поперечного сечения охлаждающих проходов, чем традиционное круглое поперечное сечение. Эта конфигурация означает то, что предусмотрено меньшее количество материала для данной толщины и/или длины основного корпуса 61 теплового экрана 60, чем в традиционных конструкциях, имеющих охлаждающие проходы с круглым поперечным сечением, т.е. основной корпус 61 имеет более тонкие стенки 132, 134, чем традиционно, и в силу этого может охлаждаться эффективнее. Другие особенно полезные формы поперечного сечения охлаждающих каналов 68 являются треугольными и трапециевидными и показаны на фиг 7 и фиг. 8, соответственно. В каждом случае, один охлаждающий канал 68A располагается рядом с другим охлаждающим каналом 68B, который инвертируется. Эта компоновка обеспечивает то, что имеется плоская стенка 69 между каждым охлаждающим каналом 68A, 68B, которая имеет минимальную толщину. Следовательно, предусмотрено более высокое соотношение охлаждающего канала к площади поверхности стенки в видах, показанных на фиг. 6, 7 и 8, чем в традиционных конструкциях.

Обеспечивается значительное преимущество, если самый боковой охлаждающий канал может быть расположен очень близко к боковому краю основного корпуса 61, чтобы противостоять потенциальным проблемам окисления, ассоциированным с очень высокими температурами металла, которые в противном случае должны возникать. Обеспечивается значительное преимущество, если выпускные отверстия 96 и крайние боковые охлаждающие каналы формируются радиально внутри относительно уплотнительной полоски в боковых краях. Площадь поверхности охлаждающих каналов 68 также увеличивается относительно традиционно просверленных проходов с круглым поперечным сечением.

Традиционные охлаждающие отверстия с круглым поперечным сечением формируются посредством традиционных процессов, таких как машинное сверление, электроискровая машинная обработка и лазерное сверление, другие процессы могут быть очевидными. Настоящий тепловой экран формируется посредством процесса аддитивного изготовления, такого как прямое лазерное осаждение, избирательная лазерная плавка и другие технологии трехмерной печати, струйное разбрызгивание материала, выдавливание материала или плавление порошков. Процесс аддитивного изготовления обеспечивает возможность изготовления монолитного теплового экрана, содержащего вышеуказанные охлаждающие каналы, которые должны формироваться с прямоугольной формой поперечного сечения, которая является невозможной посредством традиционных способов изготовления. Аналогично, возмущающие поток элементы также являются возможными, тогда как традиционные технологии машинной обработки обеспечивают возможность только гладких охлаждающих каналов с круглым поперечным сечением.

В процессе аддитивного изготовления, предпочтительно, если все углы 136 между соединенными сторонами теплового экрана или элементами теплового экрана и, в частности, возмущающими поток элементами 100 имеют угол ≥45°. Обнаружено, что элементы, имеющие геометрию, имеющую внешний угол, меньший 45°, требуют дополнительной опорной конструкции в ходе изготовления, и при этом они в дальнейшем требуют вынимания. Это является невозможным для возмущающих поток элементов 100, которые находятся внутри охлаждающих каналов.

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. 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. Основной корпус имеет группу охлаждающих каналов для транспортировки потока хладагента, причем каждый охлаждающий канал из группы охлаждающих каналов имеет поверхность. По меньшей мере, один охлаждающий канал из группы охлаждающих каналов содержит, по меньшей мере, один возмущающий поток элемент, протягивающийся из поверхности и в охлаждающий канал. 13 з.п. ф-лы, 8 ил.

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

- основной корпус (61), имеющий передний край (62), задний край (64), боковые края, первую поверхность (70) и вторую поверхность (72), причем первая поверхность (70) открыта к воздействию горячего рабочего газа (34), проходящего при использовании через газотурбинный двигатель (10),

- причем основной корпус (61) имеет группу (78) охлаждающих каналов для транспортировки потока хладагента,

- каждый охлаждающий канал (68) из группы (78) охлаждающих каналов имеет поверхность (104),

- отличающийся тем, что:

- по меньшей мере, один охлаждающий канал из группы (78) охлаждающих каналов содержит, по меньшей мере, один возмущающий поток элемент (102, 110), проходящий из поверхности (104) и в охлаждающий канал (68),

- возмущающий поток элемент (102, 110) в поперечном сечении имеет форму многоугольника, предпочтительно четырехугольника или параллелограмма, и

- форма поперечного сечения имеет диагональную линию (120), причем диагональная линия (120) расположена в линию с продольной протяженностью охлаждающего канала (68).

2. Экран (60) по п. 1, в котором:

- по меньшей мере, один возмущающий поток элемент (102, 110) представляет собой штифт (102), при этом, в частности, штифт (102) проходит от одной части поверхности (104, 114) к другой части поверхности (104, 116), так что его стороны (112) свободны от контакта с поверхностью (104) охлаждающего канала (68).

3. Экран (60) по любому из пп. 1, 2, в котором:

- один или еще, по меньшей мере, один возмущающий поток элемент (102, 110) представляет собой частичный штифт (110), причем частичный штифт (110) присоединен по длине к другой стороне (104, 107, 105) охлаждающего канала (68).

4. Экран (60) по п. 3, в котором:

- один или еще, по меньшей мере, один возмущающий поток элемент (102, 110) содержит второй частичный штифт (110),

- причем частичный штифт (110) и второй частичный штифт (110) размещены напротив друг друга через канал (68).

5. Экран (60) по любому из пп. 3, 4, в котором, по меньшей мере, один охлаждающий канал (68) содержит:

- набор штифта(ов) и/или частичного штифта(ов) и/или второго частичного штифта(ов) вдоль, по меньшей мере, части длины охлаждающего канала (68), при этом, в частности, штифт(ы) и частичный штифт(ы) и/или второй частичный штифт(ы), размещены в чередующемся шаблоне.

6. Экран (60) по любому из пп. 1-5, в котором:

- возмущающий поток элемент (102, 110) в поперечном сечении имеет форму четырехугольника или параллелограмма, предпочтительно ромба.

7. Экран (60) по любому из пп. 1-6, в котором:

- возмущающий поток элемент (102, 110) имеет множество боковых поверхностей, и угол между любыми двумя соседними боковыми поверхностями составляет ≥45°.

8. Экран (60) по любому из пп. 1-7, в котором:

- охлаждающий канал (68) содержит ограничитель (130), причем ограничитель (130) формирует наименьшую площадь поперечного сечения в охлаждающем канале (68).

9. Экран (60) по любому из пп. 1-8, в котором:

- набор (78) охлаждающих каналов содержит:

- передний набор (82) охлаждающих каналов и задний набор (84) охлаждающих каналов,

- причем каждый из переднего набора (82) охлаждающих каналов и заднего набора (84) охлаждающих каналов содержит параллельные охлаждающие каналы (68), которые проходят в направлении, по существу, перпендикулярному соответствующему переднему краю (62) и заднему краю (64),

- при этом охлаждающие каналы (68) из заднего набора (84) охлаждающих каналов больше охлаждающих каналов (68) из переднего набора (82) охлаждающих каналов.

10. Экран (60) по п. 9, в котором:

- основной корпус (61) имеет размер (L), который является перпендикулярным переднему краю (62) и/или заднему краю (64), и

- охлаждающие каналы (68) из заднего набора (84) охлаждающих каналов проходят на 55-70% относительно L, предпочтительно на 60% относительно L, и

- охлаждающие каналы (68) из переднего набора (82) охлаждающих каналов проходят на 30-45% относительно L, предпочтительно на 40% относительно L.

11. Экран (60) по любому из пп. 9, 10, в котором:

- каждый охлаждающий канал (68) из переднего набора (82) охлаждающих каналов имеет выпускное отверстие (62) в переднем крае (88) основного корпуса, и

- каждый охлаждающий канал (68) из заднего набора (84) охлаждающих каналов имеет выпускное отверстие (90) в заднем крае (64) основного корпуса (61).

12. Экран (60) по любому из пп. 1-11, в котором:

- каждый охлаждающий канал (68) имеет впускное отверстие (92, 94), сформированное во второй поверхности (72).

13. Экран (60) по любому из пп. 1-11, в котором охлаждающий канал(ы) (68), расположенный ближе всего к боковому краю(ям) (66, 67) основного корпуса (61), имеет множество выпускных отверстий (96), заданных в боковом крае (66, 67) таким образом, что при использовании хладагент проходит из охлаждающего канала через охлаждающие выпускные отверстия (96) и выпускается в боковом крае (66, 67),

- при этом каждый охлаждающий канал (68) имеет впускное отверстие (94), сформированное во второй поверхности (72), и

- впускное отверстие (94) охлаждающего прохода(ов) (68), расположенного ближе всего к боковому краю(ям) (66, 67) основного корпуса (68), больше впускных отверстий (92) других охлаждающих каналов (68).

14. Экран (60) по любому из пп. 8-10, в котором:

- по меньшей мере, один охлаждающий канал (68) имеет поперечное сечение многоугольной формы, предпочтительно четырехугольной, треугольной или трапециевидной формы.