СПОСОБ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ПОЛОГО БОЛТА И ОХЛАЖДАЕМЫЙ БОЛТ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2025 года по МПК F23R3/60 F16B33/00 F16B35/00 F01D25/12 F02C7/18 

Изобретение относится к способам и устройствам для охлаждения несущей конструкции теплозащитного экрана, в частности к охлаждаемому болту для закрепления теплозащитного экрана камеры сгорания газовой турбины.

Теплозащитные экраны используются, в частности, в камерах сгорания газовой турбины газотурбинной установки (ГТУ). Камера сгорания ГТУ может быть защищена от высокотемпературного воздействия теплозащитным экраном. Обычно теплозащитный экран содержит множество теплозащитных элементов, составляющих экранирующую стенку камеры сгорания и защищающую ее от воздействия теплового потока.

Теплозащитные экраны обеспечивают защиту от потоков газов, имеющих температуру от 1000 до 1600°C. В камерах сгорания газовых турбин ГТУ используются теплозащитные экраны, имеющие значительную площадь поверхности. В связи с температурным расширением экранирующих элементов и их значительными габаритами применяются составные теплозащитные экраны, состоящие из множества отдельных керамических или металлических теплозащитных элементов, закрепленных с зазором на несущем каркасе. Величина зазора между элементами обеспечивает компенсацию от их теплового расширения. Для дополнительной защиты экрана используется воздушное охлаждение элементов экрана.

В качестве крепежных элементов экрана используются болты. Болты для закрепления теплозащитных экранов подвергаются воздействию высоких температур (обтекаются горячим газом, проникающим через имеющиеся между соседними элементами теплозащитного экрана зазоры, их температура повышается, вследствие чего возникает необходимость в их охлаждении).

Известен способ охлаждения болта с охлаждением его головки через каналы для прохождения охлаждающего воздуха (US 5129447 А). Однако охлаждение только части болта не позволяет обеспечить эффективное охлаждение всего тела болта.

Известен способ охлаждения болта и охлаждаемый воздушным потоком болт (US 4064691 А). Способ охлаждения болта, соединяющий желоб для крепления теплозащитного элемента к каркасу. Способ заключается в охлаждении болта воздушным потоком, проходящим через теплозащитный экран и омывающем поверхность болта. Однако охлаждение только поверхности болта является не обеспечивает достаточный теплоотвод.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа способа, является способ воздушного охлаждения полого болта теплозащитного экрана, включающий подачу потока охлаждающего воздуха во внутреннюю полость болта и его движение через проточные полости болта (US 3209640 А). При этом охлаждающая среда поступает через отверстие в головке болта во внутреннюю полость, разделенную в осевом направлении на две части. Охлаждающая среда поступает в первую часть разделенной полости, охлаждает ее, доходит до закрытого торца стержня болта, через отверстие поступает во вторую часть разделенной полости и через второе отверстие в головке болта выходит наружу. Однако эффективность охлаждения такого болта не достаточно высокая, а разделение его внутренней полости на две части создают условия неравномерного охлаждения болта, что влияет также на возникновение тепломеханических напряжений отрицательно влияющих как на состояние самого болта, так и на соединяемые элементы теплового экрана.

Задачей предлагаемого способа охлаждения полого болта является разработка такой схемы его охлаждения, которая позволила бы, применительно к условиям закрепления элементов теплового экрана, повысить эффективность охлаждения и обеспечить равномерность охлаждения болта в осевом направлении.

Техническим результатом предлагаемого способа охлаждения полого болта теплозащитного экрана является повышение эффективности его охлаждения.

Поставленный технический результат достигается за счет того, что в способе воздушного охлаждения полого болта теплозащитного экрана, включающего подачу потока охлаждающего воздуха во внутреннюю полость болта и его движение через проточные полости болта, в отличие от прототипа, подачу охлаждаемого воздуха осуществляют через отверстие в торце стержня болта через цилиндрическую полость внутри стержня, а затем при входе во внутреннюю полость головки болта осуществляют дросселирование охлаждающего воздуха и выпуск его через боковые отверстия в головке болта.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа охлаждаемого полого болта для теплозащитного экрана, является полый болт, содержащий внутреннюю полость воздушного охлаждения (US 3209640 А). При этом внутренняя полость в осевом направлении разделена плоской перегородкой на две части, сообщающиеся между собой через отверстие, образованное за счет меньшей длины перегородки в осевом направлении по сравнению с цилиндрической полостью болта. Головка болта имеет входное и выходное отверстие, причем входное отверстие соединено с первой частью внутренней полости болта, а выходное соединено со второй частью полости, образуя внутренний канал охлаждения болта.

Задачей предлагаемого полого охлаждаемого болта для теплозащитного экрана является создание полого болта, обеспечивающего систему его охлаждения, которая позволила бы, применительно к условиям закрепления элементов теплового экрана, повысить эффективность охлаждения и обеспечить равномерность охлаждения болта в осевом направлении.

Техническим результатом предлагаемого полого охлаждаемого болта для теплозащитного экрана является повышение эффективности его охлаждения.

Поставленный технический результат достигается за счет того, что в охлаждаемом полом болте для теплозащитного экрана, содержащем внутреннюю полость воздушного охлаждения, в отличие от прототипа, внутреннюю полость стержня выполняют цилиндрической с входным отверстием, расположенным на торце стержня болта, а в зоне перехода полости стержня болта к полости головки болта расположено сужение проходного канала, обеспечивающего дросселирование воздушного потока при его переходе во внутреннюю полость головки болта, объем которого обеспечивает эффект дросселирования охлаждающего потока воздуха, причем полость головки болта снабжена боковыми отверстиями, обеспечивающими выход наружу охлаждающего воздуха.

Кроме того, возможны следующие особенности выполнения охлаждаемого полого болта: внутренняя полость головки болта снабжена турбулезатором; внутренняя полость головки болта выполнена цилиндрической, а турбулезатор выполнен в виде изогнутых конгруэнтно цилиндрической поверхности внутренней полости головки винта пластин, закрепленных у выходов упомянутых боковых отверстий.

На фигуре 1 (фиг.1) представлена схема полого болта в осевом сечении, на фигуре 2 (фиг.2) представлена полость головки болта в радиальном сечении, на фигуре 3 (фиг.3) - фрагмент теплозащитного экрана с закрепленным болтом на каркасе плитками. Фиг.1-3 содержат: 1 - полый болт, 2 - головка, 3 - стержень, 4 - цилиндрическая полость, 5 - отверстие в торце стержня, 6 - сужение проходного канала (дроссель), 7 - внутренняя полость головки, 8 - турбулезатор, 9 - боковые отверстия, 10 - теплозащитная плитка, 11 - керамический слой, 12 - упоры, 13 - каркас, 14 - гайка, 15 - полость. Стрелками указаны направления движения охлаждающего воздуха.

Способ воздушного охлаждения полого болта теплозащитного экрана осуществляется следующим образом. Охлаждение полого болта 1 осуществляется подачей потока охлаждающего воздуха через отверстие 5 в торце стержня 3 болта 1 (фиг.1) во внутреннюю полость болта 1 и его движение через проточные полости болта 1. Охлаждающий воздух вначале попадает в цилиндрическая полость 4 внутри стержня 3 болта 1 (фиг.1), затем при входе во внутреннюю полость головки 7 болта 1 через сужение проходного канала 6 осуществляется дросселирование охлаждающего воздуха и выпуск его через боковые отверстия 9 в головке 2 болта 1 (фиг.1 и фиг.2). В процесс дросселирования происходит охлаждение воздуха, частично нагретого при охлаждении цилиндрической полости 4 внутри стержня 3 болта 1. Охлажденный, поступая во внутреннюю полость головки 7, дополнительно турбулизируется турбулезатором 8, обеспечивая повышение коэффициента теплоотдачи и, выпускаясь через боковые отверстия 9 осуществляет охлаждение зоны теплозащитной плитки 10, примыкающей к расположению болта 1 (фиг.3).

Таким образом, охлаждающий воздух производит охлаждение каркаса 13, упоров 12 и внешней цилиндрической части болта 1 через полость 15, а керамический слой 11 обеспечивает теплозащиту плиток 10. Закрепление теплозащитных экранов 10 на каркасе 13 осуществляется с помощью болта 1 и, например, гайки 14. (фиг.3).

Конкретный пример

Методом литья по выплавляемым моделям из жаропрочного сплава на никелевой основе были изготовлены две партии болтов с полостями охлаждения. Отливки изготавливались из сплава IN939, химический состав которого приведен в таблице 1.

Таблица 1

Химический элемент массовая доля, % не менее не более C 0,1 0,2 B 0,005 0,015 Cr 21,5 23,5 Co 18,0 20,0 Ti 3,5 4,0 Al 1,5 2,5 W 1,8 2,2 Ta 1,2 1,6 Nb 0,8 1,2 Zr 0,05 0,15 Fe - 1,0 Si - 0,1 Mn - 0,1 S - 0,005 P - 0,015 Ni основа

Первая группа была изготовлена по способу-прототипу (US 3209640 А), вторая - по предлагаемому способу. Испытания проводились согласно схеме, представленной на фигуре (фиг.3). На закрепленную сравниваемыми болтами теплозащитную пластину 10 и болт 1 помещали в теплоизолированную камеру (печь) и при помощи газовой горелки потоком пламени, направленным на теплозащитную пластину в зону расположения болта, в течение 15 минут производили нагрев поверхности пластины до температур порядка 1050-1250°С. При этом в полости болтов подавался охлаждающий воздух согласно схемам сравниваемых вариантов охлаждения болтов (по способу-прототипу и предлагаемому способу). Расход охлаждающего воздуха во всех случаях оставался одинаковым. Замерялась температура на поверхности теплозащитной пластины, в головке и стержни болта. Данные приведены в таблице 2.

Таблица 2

№ Испытуемый болт Температура, °С примечание ТЗ пластина головка стержень 1 Прототип 1050 916 847 Во всех случаях после испытаний наблюдался изгиб оси болта на угол от 2 до 4 угловых градуса 2 1100 922 853 3 1150 931 858 4 1200 939 861 5 1250 942 864 6 Предлагаемое решение 1050 862 756 После испытаний изгиб оси болта не наблюдался 7 1100 865 758 8 1150 871 759 9 1200 874 762 10 1250 879 764

Таким образом, сравнительные испытания показали, что в среднем при нагреве поверхности экрана в диапазоне от 1050 до 1250°С головка предлагаемого болта охлаждается в среднем на 60°С, а стержень болта на 76°С больше по сравнению с болтом-прототипом (US 3209640 А), что указывает на достижение поставленного технического результата предлагаемого способа охлаждения полого болта теплозащитного экрана - повышение эффективности охлаждения полого болта теплозащитного экрана.

Изобретение относится к способам и устройствам для охлаждения несущей конструкции теплозащитного экрана, в частности к охлаждаемому болту для закрепления теплозащитного экрана камеры сгорания газовой турбины. Способ включает подачу потока охлаждающего воздуха во внутреннюю полость болта и его движение через проточные полости болта. При этом подачу охлаждаемого воздуха осуществляют через отверстие в торце стержня болта через цилиндрическую полость внутри стержня, а затем при входе во внутреннюю полость головки болта осуществляют дросселирование охлаждающего воздуха и выпуск через боковые отверстия в головке болта. Охлаждаемый полый болт содержит внутреннюю полость воздушного охлаждения, при этом внутренняя полость стержня выполнена цилиндрической с входным отверстием, расположенным на торце стержня болта, а в зоне перехода полости стержня болта к полости головки болта расположено сужение проходного канала, обеспечивающего дросселирование воздушного потока при его переходе во внутреннюю полость головки болта. Техническим результатом предлагаемого способа охлаждения полого болта теплозащитного экрана является повышение эффективности его охлаждения. 2 н.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

1. Способ воздушного охлаждения полого болта теплозащитного экрана, включающий подачу через отверстие в торце стержня болта потока охлаждающего воздуха во внутреннюю цилиндрическую полость болта, расположенную внутри стержня болта, и его движение через проточные полости болта, причем при входе во внутреннюю полость головки болта осуществляют дросселирование охлаждающего воздуха и выпуск его через боковые отверстия в головке болта, отличающийся тем, что используют цилиндрическую внутреннюю полость головки болта, а перед выпуском воздуха через боковые отверстия пропускают его через турбулизатор, выполненный в виде изогнутых конгруэнтно цилиндрической поверхности внутренней полости головки винта пластин, закрепленных у выходов упомянутых боковых отверстий.

2. Охлаждаемый полый болт для теплозащитного экрана, содержащий в стержне болта цилиндрическую внутреннюю полость воздушного охлаждения с входным отверстием, расположенным на торце стержня болта, внутреннюю полость головки болта, снабженную боковыми отверстиями, обеспечивающими выход наружу охлаждающего воздуха, отличающийся тем, что внутренняя полость головки болта выполнена цилиндрической и снабжена турбулизатором, выполненным в виде изогнутых конгруэнтно цилиндрической поверхности внутренней полости головки винта пластин, закрепленных у выходов упомянутых боковых отверстий.