Способ инжекционного охлаждения, устройство для его осуществления и перегородка для данного устройства

Способ инжекционного охлаждения, устройство для его осуществления и перегородка для данного устройства

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Правительство США обладает правами на настоящее изобретение в соответствии с контрактом № F33657-01-C-1240.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к охлаждению частей газотурбинного двигателя. Более конкретно, настоящее изобретение относится к принудительному (инжекционному) охлаждению частей вкладыша (внутренней обшивки) за пределами воздушной напорной камеры.

Уровень техники

Принудительное (инжекционное) охлаждение применяется в газотурбинных двигателях в течение ряда лет. Относительно более холодный воздух забирается от компрессора двигателя и подается через набор отверстий в инжектирующем листе таким образом, что струи воздуха направляются непосредственно на поверхность, требующую охлаждения. В частности, подобное инжекционное охлаждение было использовано для охлаждения вкладыша в зоне за камерой сгорания газотурбинных двигателей для того, чтобы охлаждать вкладыш с целью защиты частей, которые могли бы быть повреждены под действием высокотемпературного нагрева со стороны основного газового потока, проходящего вдоль поверхности вкладыша. Во вкладыше выполнено множество отверстий большего размера, которые смещены относительно отверстий указанного набора и служат для создания перепада давления. Такой перепад облегчает протекание воздушного потока вдоль горячих поверхностей вкладыша (см., в частности, патент США №5782294).

Некоторые участки подобных вкладышей не могут быть адекватно охлаждены инжектируемым воздушным потоком, поскольку воздушная напорная камера заблокирована другим оборудованием или конструкциями, расположенными вблизи инжектирующего листа. Ранее были предложены различные конструкции для непрямого охлаждения заблокированных участков. Одна из таких конструкций использует группу отверстий в боковой стенке литого теплового экрана, который снабжен также второй группой отверстий, выполненных в той его поверхности, которая расположена параллельно вкладышу.

Раскрытие изобретения

В одном из своих аспектов настоящее изобретение предусматривает создание устройства для инжекционного охлаждения, имеющего вытянутую форму и обеспечивающего охлаждение за пределами воздушной напорной камеры. Устройство по изобретению содержит внутреннюю стенку, инжектирующий лист и комплект опор, обеспечивающих удерживание внутренней стенки на расстоянии от инжектирующего листа. Устройство содержит также перегородку, установленную между внутренней стенкой и инжектирующим листом и имеющую коллекторную зону, в которую поступает принудительно охлаждающий воздух. В перегородке выполнен канал, сообщающийся с коллекторной зоной и выступающий за пределы воздушной напорной камеры, причем в канале имеются отверстия для протекания через них принудительно охлаждающего воздуха. На перегородке имеются также выступающие участки, ограничивающие канал и расположенные вблизи выходных отверстий для принудительно охлаждающего воздуха, выполненных во внутренней стенке.

В своем другом аспекте изобретение предусматривает создание перегородки, направляющей принудительно охлаждающий воздух к частям внутренней стенки. Перегородка по изобретению содержит коллекторную зону, в которую поступает принудительно охлаждающий воздух из воздушной напорной камеры, а также канал, сообщающийся с коллекторной зоной и выступающий за пределы воздушной напорной камеры. В канале имеются отверстия для протекания через них принудительно охлаждающего воздуха и выступающие участки, которые ограничивают канал и расположены вблизи выходных отверстий для принудительно охлаждающего воздуха, выполненных во внутренней стенке. Перегородка снабжена вспомогательными выступающими участками, окружающими вспомогательные отверстия. Перегородка снабжена уплотняющей поверхностью, расположенной по периметру перегородки.

Еще в одном своем аспекте настоящее изобретение представляет собой способ инжекционного охлаждения зоны внутренней стенки, выступающей за пределы воздушной напорной камеры. Способ по изобретению включает операции подачи принудительно охлаждающего воздуха в коллекторную зону и переноса принудительно охлаждающего воздуха из коллекторной зоны по каналу к отверстию, расположенному за пределами коллекторной зоны. Далее происходят подача принудительно охлаждающего воздуха через указанное отверстие на внутреннюю стенку и выведение принудительно охлаждающего воздуха через выходные отверстия во внутренней стенке. Способ включает также операцию поддерживания коллекторной зоны и канала в заданном режиме.

Другие аспекты и преимущества настоящего изобретения станут ясны при рассмотрении нижеследующего подробного описания.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 в перспективном изображении и с пространственным разделением представлено охлаждающее устройство с перегородкой в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.2 дано перспективное изображение охлаждающего устройства по фиг.1.

Фиг.3 соответствует продольному сечению устройства по фиг.2 плоскостью 3-3.

Фиг.4 соответствует продольному сечению устройства по фиг.2 плоскостью 4-4.

На фиг.5 представлен частичный вид сверху на перегородку согласно изобретению.

На фиг.6 представлен частичный вид противоположной стороны перегородки по фиг.5, прикрепленной к инжектирующему листу.

На фиг.7, на виде, аналогичном приведенному на фиг.3, представлен альтернативный вариант устройства по изобретению.

Осуществление изобретения

Как показано на фиг.1 и 2, вкладыш 100, используемый в высокотемпературных применениях, например, в зоне выведения выхлопных газов газотурбинного двигателя, имеет внутреннюю стенку 102, инжектирующий лист 104, проставки 106 и 106а, а также воздушную напорную камеру 108 с уплотнением 110. Кроме того, некоторые участки вкладыша 100 имеют перегородку 112, служащую для того, чтобы направлять принудительно охлаждающий воздух (как это будет описано далее) к участкам внутренней стенки, расположенным под уплотнением 110. На фиг.3 показано, что какая-либо посторонняя конструкция 114 (изображенная штриховыми линиями), например, кожух воздушного насоса, может препятствовать поступлению воздуха, выходящего из воздушной напорной камеры 108, к частям внутренней стенки, которые расположены за пределами зоны, ограниченной уплотнением 110 воздушной напорной камеры 108. Указанная конструкция может также содержать край (не изображен), который образует уплотнение, способствующее прохождению принудительно воздуха через перегородку 112.

Внутренняя стенка 102 снабжена множеством выходных отверстий 120. Эти отверстия расположены в пределах выступающих участков 122. Выступающие участки 122 служат для более эффективного дозирования потока воздуха, текущего вдоль внутренней поверхности 124 внутренней стенки 102 (см. фиг.1). Тем самым достигается более эффективное охлаждение внутренней стенки 102 принудительно подаваемым (инжектируемым) воздухом, струи которого ударяют о внутреннюю поверхность 124 и движутся вдоль этой поверхности 124, после чего воздух выходит через выходные отверстия 120. Выходные отверстия 120 и выступающие участки 122 распределены по всей внутренней стенке 102. Как наиболее наглядно показано на фиг.3 и 4, внутренняя стенка 102 может быть снабжена, если это представляется желательным, термостойким покрытием 126. Данное покрытие обеспечивает дополнительную тепловую защиту вкладыша 100.

Инжектирующий лист 104 снабжен первой группой отверстий 130, расположенных в первой зоне данного листа 104. Данные отверстия 130, как и в известных решениях, направляют принудительно охлаждающий (инжектируемый) воздух из воздушной напорной камеры 108 прямо на внутреннюю поверхность 124 внутренней стенки 102. Инжектирующий лист 104 снабжен также второй группой отверстий 132 для подачи воздуха к перегородке. Данные отверстия 132 имеют большие размеры, чем отверстия 130 первой группы, при этом они расположены более плотно, чем выходные отверстия 120. Причина указанных отличий в размерах и плотности расположения отверстий заключается в том, что отверстия 132 для подачи воздуха к перегородке обеспечивают воздушное охлаждение большей зоны, чем отверстия 130, через которые принудительно охлаждающий воздух непосредственно инжектируется на внутреннюю стенку 102. Инжектирующий лист 104 может также включать в себя участок 134, находящийся за пределами уплотнения 110 воздушной напорной камеры. На данном участке 134 отсутствуют отверстия 130 или 132. Благодаря этому данный участок совместно с краевой структурой образует уплотнение, заставляющее охлаждающий воздух проходить сквозь перегородку 112. В инжектирующем листе 104 выполнены также вспомогательные отверстия 136 для проводки сквозь них опор. Такие вспомогательные отверстия 136 имеются и на участке 134 данного листа.

Внутренняя стенка 102 пространственно отделена от инжектирующего листа 104 посредством опор (проставок) 106. Опоры 106 прикреплены к внутренней стенке 102 обычным способом, например, сваркой. У каждой опоры 106 имеется буртик 140, на который опирается инжектирующий лист 104, находящийся благодаря этому на заданном расстоянии от внутренней стенки 102. На буртик 140 опоры 106 помещена уплотнительная прокладка 142. Прокладка 142 образует уплотнение, которое препятствует прохождению воздуха сквозь вспомогательные отверстия 136, служащие для проводки опор 106. Прохождение воздуха через данные вспомогательные отверстия привело бы к ухудшению эффективности охлаждения внутренней стенки 102. Хотя на чертежах прокладки 142 показаны находящимися в непосредственном контакте с буртиками 140, эти прокладки могут быть помещены также между инжектирующим листом 104 и перегородкой 112. Конкретное положение прокладки 142 не является критичным при условии, что обеспечивается надежное уплотнение. Свободному концу 146 опоры 106 придана форма, позволяющая установить на него прижимную гайку 144 или другой крепежный элемент.

Прижимная гайка 144 может быть навинчена и зафиксирована в требуемом положении с использованием стопорного винта или обжатия. Кроме того, после установки прижимной гайки в требуемое положение она может быть приварена к опоре. На тех участках, где свободное пространство (зазор между частями устройства) ограничено, могут быть применены укороченные опоры 106а. Опора 106а аналогична опоре 106 за исключением того, что свободный конец 146а опоры 106а выполнен более коротким, чем свободный конец 146 опоры 106. С опорой 106а взаимодействует фиксатор 148, рассчитанный на использование при малых зазорах. В типичном случае фиксатор 148 будет приварен в заданном положении для того, чтобы надежно удерживать инжектирующий лист 104 в положении прижатия к прокладке 142 и на заданном расстоянии от внутренней стенки 102. Могут быть реализованы и другие варианты опорной конструкции, например, в виде решетчатой конструкции, интегральных опорных элементов и т.д.

Как показано на фиг.1-6, у перегородки 112 имеется коллекторная зона 150. Кроме того, у нее имеется также группа выступающих участков 152, форма и расположение которых соответствует форме и расположению выступающих участков 122 на внутренней стенке 102. Выступающие участки 152 образуют группу каналов 154, позволяющих воздуху растекаться из коллекторной зоны 150 по всей поверхности перегородки 112. В каналах 154 выполнены отверстия 156. Через эти отверстия 156 принудительно охлаждающий воздух проходит сквозь перегородку 112 и падает непосредственно на внутреннюю поверхность 124 внутренней стенки 102. При этом ни одно из отверстий 156 не находится точно напротив какого-либо из отверстий 132 для подачи воздуха к перегородке. В перегородке 112 выполнена также группа вспомогательных отверстий 158 для проводки сквозь них опор. Эти вспомогательные отверстия находятся напротив соответствующих вспомогательных отверстий 136.

У перегородки 112 имеется передний край 162 с уплотняющей поверхностью, которая прикреплена к инжектирующему листу 104 с образованием не проницаемого для воздуха уплотнения вблизи опор 106. Задний край перегородки (не изображен) прикреплен обычным способом к внутренней стенке 102 с образованием воздухонепроницаемого уплотнения между этим краем перегородки и внутренней стенкой 102. Весь периметр перегородки 112 образует уплотнение совместно с внутренней стенкой 102, с инжектирующим листом 104 или совместно с внутренней стенкой 102 и с инжектирующим листом 104 для того, чтобы предотвратить выход воздуха без его использования для охлаждения внутренней стенки 102. Одно из достоинств приведенной на чертежах конструкции перегородки 112 состоит в том, что она компактна и, следовательно, может быть установлена в узком зазоре. Кроме того, она способна обеспечить через свои кромки охлаждение тех частей, к которым отсутствует прямой доступ для принудительно охлаждающего воздуха. Благодаря взаимному соответствию профилей выступающих участков 152 и 122 (выполненных на внутренней стенке 102), максимизируется поток охлаждающего воздуха. Это позволяет увеличить скорость воздуха, используемого для инжекционного охлаждения, и улучшить пленочное охлаждение в процессе протекания воздуха по внутренней поверхности 124 внутренней стенки 102.

Как уже было упомянуто, воздух подается в воздушную напорную камеру 108 с использованием обычных средств, например, от воздушного компрессора (не изображен). Охлаждающий воздух будет вытекать из воздушной напорной камеры 108 через отверстия 130 в инжектирующем листе 104 на внутреннюю поверхность 124 внутренней стенки 102 по направлению, обозначенному стрелками 200. Как и в известных вариантах инжекционного охлаждения, после соударения струй воздуха с внутренней поверхностью 124 он течет вдоль внутренней поверхности 124 внутренней стенки в направлении, обозначенном стрелками 202, создавая дополнительный охлаждающий эффект. Затем воздух выходит через выходные отверстия 120 в направлении, обозначенном стрелками 204.

Воздух из воздушной напорной камеры 108 будет также проходить через отверстия 132 для подачи воздуха к перегородке. Как уже упоминалось, данные отверстия выполнены более крупными, чем отверстия 130. Типичные размеры отверстий 130 составляют 0,75-1,5 мм, а размеры отверстий 132 находятся в интервале 1,67-2,3 мм. Воздух будет течь через отверстия 132 для подачи воздуха к перегородке в направлении, обозначенном стрелками 210. Затем он будет направляться по каналам 154 в направлении, обозначенном стрелками 212. Когда воздушный поток достигает отверстий 156, выполненных в перегородке, он начинает поступать в направлении, обозначенном стрелками 214, непосредственно к внутренней поверхности 124 внутренней стенки 102, обеспечивая тем самым охлаждающий эффект. Охлаждающий воздух будет затем течь по внутренней поверхности 124 внутренней стенки 102 в направлении, обозначенном стрелками 216, и выходить через выходные отверстия 120, как и в предыдущем случае.

Перегородка может быть выполнена из любого подходящего материала, пригодного для использования в условиях высоких температур. Среди типичных материалов может быть назван сплав Инконель 625 или аналогичные ковкие сплавы, хорошо поддающиеся обработке, т.е. позволяющие максимизировать относительную высоту различных выступов и выступающих участков в перегородке.

Как показано на фиг.7, альтернативный вариант выполнения перегородки 112а для использования в условиях высоких давлений снабжен набором выступов 250, отходящих от перегородки 112а вниз и контактирующих с внутренней поверхностью внутренней стенки 102. Выступы 250 увеличивают конструктивную жесткость перегородки 112а и служат для нее опорами. Как следствие, перегородка не будет прогибаться под действием высоких давлений, которые могут иметь место в некоторых применениях. Выступы 250 расположены на таком расстоянии друг от друга, чтобы выполнять функцию опор, не создавая при этом препятствий для потока воздуха. Во всех других отношениях перегородка 112а аналогична ранее описанной перегородке 112.

В свете приведенного описания специалистам в данной области техники будут очевидны возможные многочисленные модификации настоящего изобретения. В связи с этим данное описание следует воспринимать как чисто иллюстративное и приводимое с целью обеспечить специалистам в данной области возможность реализовать и применять наилучший вариант настоящего изобретения. При этом исключительные права на все модификации, которые охватываются прилагаемой формулой изобретения, сохраняются за заявителем.

1. Устройство для инжекционного охлаждения, имеющее вытянутую форму, обеспечивающее охлаждение за пределами воздушной напорной камеры и содержащее внутреннюю стенку, инжектирующий лист, комплект опор, обеспечивающих удерживание внутренней стенки на расстоянии от инжектирующего листа, и перегородку, установленную между внутренней стенкой и инжектирующим листом и имеющую коллекторную зону, в которую поступает принудительно охлаждающий воздух, причем в перегородке выполнены канал, сообщающийся с коллекторной зоной и выступающий за пределы воздушной напорной камеры, в котором имеются отверстия для протекания через них принудительно охлаждающего воздуха, и выступающие участки, ограничивающие канал и расположенные вблизи выходных отверстий для принудительно охлаждающего воздуха, выполненных во внутренней стенке.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выходные отверстия для принудительно охлаждающего воздуха расположены в выступающих участках, выполненных на внутренней стенке.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что форма перегородки соответствует форме внутренней стенки.

4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что содержит выступы, выполненные на перегородке и находящиеся в контакте с внутренней стенкой.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что инжектирующий лист снабжен первой группой отверстий для подачи принудительно охлаждающего воздуха, а коллекторная зона принимает принудительно охлаждающий воздух через вторую группу отверстий, имеющих большие размеры, чем отверстия первой группы.

6. Перегородка, направляющая принудительно охлаждающий воздух к частям внутренней стенки и содержащая коллекторную зону, в которую поступает принудительно охлаждающий воздух из воздушной напорной камеры, канал, сообщающийся с коллекторной зоной и выступающий за пределы воздушной напорной камеры, в котором имеются отверстия для протекания через них принудительно охлаждающего воздуха, и выступающие участки, ограничивающие канал и расположенные вблизи выходных отверстий для принудительно охлаждающего воздуха, выполненных во внутренней стенке.

7. Перегородка по п.6, отличающаяся тем, что снабжена вспомогательными отверстиями для проводки через перегородку опор.

8. Перегородка по п.7, отличающаяся тем, что снабжена вспомогательными выступающими участками, окружающими указанные вспомогательные отверстия.

9. Перегородка по п.6, отличающаяся тем, что форма перегородки соответствует форме внутренней стенки.

10. Перегородка по п.6, отличающаяся тем, что снабжена выступами, ориентированными в направлении внутренней стенки.

11. Перегородка по п.6, отличающаяся тем, что снабжена уплотняющей поверхностью, расположенной по периметру перегородки.

12. Перегородка по п.6, отличающаяся тем, что в коллекторной зоне выполнены отверстия.

13. Способ инжекционного охлаждения зоны во внутренней стенке, выступающей за пределы воздушной напорной камеры, включающий следующие операции: подача принудительно охлаждающего воздуха в коллекторную зону, перенос принудительно охлаждающего воздуха из коллекторной зоны по каналу к отверстию, расположенному за пределами коллекторной зоны, подача принудительно охлаждающего воздуха через указанное отверстие к внутренней стенке и выведение принудительно охлаждающего воздуха через выходные отверстия во внутренней стенке.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что в канале выполнены выступающие участки, расположенные напротив выходных отверстий во внутренней стенке.

15. Способ по п.13, отличающийся тем, что в коллекторной зоне выполнены отверстия.

16. Способ по п.13 или 14, отличающийся тем, что принудительно охлаждающий воздух подают вдоль внутренней поверхности внутренней стенки, причем отверстия в коллекторной зоне перегородки смещены относительно выходных отверстий во внутренней стенке.

17. Способ по п.13, отличающийся тем, что охлаждающий воздух подают в коллекторную зону через отверстия в инжектирующем листе, имеющие большие размеры, чем другие отверстия, выполненные в инжектирующем листе.

18. Способ по п.13, отличающийся тем, что включает операцию поддерживания коллекторной зоны и канала в заданном положении.