Результат интеллектуальной деятельности: СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ЭКРАНА И СПОСОБ МОНТАЖА ЭЛЕМЕНТА ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ЭКРАНА

Изобретение касается системы элементов теплозащитного экрана, включающей один элемент теплозащитного экрана, способа монтажа элемента теплозащитного экрана в системе элементов теплозащитного экрана, другого способа монтажа элемента теплозащитного экрана в системе элементов теплозащитного экрана и применения системы элементов теплозащитного экрана с признаками, названными в ограничительных частях соответствующих независимых пунктов.

Для многих технических целей применяются мощные керамические теплозащитные экраны, выдерживающие температуры от 1000 до 1600 градусов Цельсия. В частности, теплозащитные экраны турбомашин, таких как газовые турбины и турбодвигатели, которые находят применение в вырабатывающих электроэнергию электростанциях и в больших летательных аппаратах и имеют соответственно большие поверхности, которые должны защищаться теплозащитными экранами, внутри топочных камер. Из-за термического расширения и из-за больших размеров экран должен быть собран из множества отдельных изготовленных из керамики элементов теплозащитного экрана, которые находятся на расстоянии достаточного зазора друг от друга. Этот зазор предоставляет элементам теплозащитного экрана достаточное пространство для термического расширения. Однако так как этот зазор также делает возможным непосредственный контакт горячих газообразных продуктов с несущей структурой теплозащитного экрана, в качестве эффективной контрмеры через зазоры в направлении топочной камеры через каналы охлаждения вдувается охлаждающая текучая среда в виде охлаждающего воздуха. Этот охлаждающий воздух используется также для того, чтобы целенаправленно обдувать и тем самым охлаждать металлические крепежные устройства, с помощью которых керамические элементы теплозащитного экрана (CHS, керамические теплозащитные экраны) закреплены на несущей структуре.

Для получения наиболее простых цельных крепежных устройств известна конструкция, у которой эти крепежные устройства, с одной стороны, могут вдвигаться, входя в зацепление, в монтажные пазы, выполненные в окружном направлении параллельно в несущей структуре, а с другой стороны, зажимаются выполненными захватными участками в крепежных пазах, выполненных в боковых кромках керамических элементов теплозащитного экрана. Элементы теплозащитного экрана по очереди вдвигаются держателями в пазы несущей структуры, при этом последующие элементы блокируют ранее установленные в их положениях. Таким образом, можно, например, образовать окружной ряд элементов теплозащитного экрана в топочной камере газовой турбины.

Однако монтаж последнего оставшегося элемента теплозащитного экрана, таким образом, больше не возможен, потому что имеющиеся с обеих сторон смежные элементы теплозащитного экрана блокируют направленное в тангенциальном направлении движение монтажа. Часто такой последний элемент теплозащитного экрана называют декоративным элементом или заглушкой. Следовательно, для установки последнего элемента теплозащитного экрана применяются решения, содержащие резьбовые соединения, которые позволяют осуществлять монтаж элемента теплозащитного экрана в направлении, перпендикулярном плоскости несущей структуры.

В известном резьбовом соединении для этого используется четыре болта, которые входят в зацепление в выполненные в боковых кромках элемента теплозащитного экрана выемки. Недостаток этого решения заключается в том, что монтаж связан с проблемой манипулирования. Манипулирование четырьмя болтами вынуждает, например, к применению средств фиксации, таких как склеивание или клейкая лента, которые ненадежны, поэтому болты могут потеряться и из-за высокого риска повреждения турбины обязательно должны быть найдены перед подготовкой к эксплуатации. Кроме того, монтаж с поднятыми над головой руками затруднителен, так как из-за фиксации клейкой лентой болты могут перевернуться, и поэтому их нельзя будет больше ввести в предусмотренные отверстия. Так как речь идет о последнем теплозащитном экране, болты не могут позиционироваться вручную, а должны вставляться в отверстия вслепую с помощью торцевого инструмента.

В EP 1701095 A1 и EP 0558540B1 в качестве примера описан выполненный, как указано выше, теплозащитный экран с представленными преимуществами и проблемами. Элементы теплозащитного экрана в среде специалистов называются также кирпичами, а удерживающие их крепежные элементы держателями кирпичей, а выполненные в виде выемок в боковых кромках элементов теплозащитного экрана пазы - карманами.

Настоящее изобретение ставит перед собой задачу надежным и несложным образом обеспечить монтаж, демонтаж и долговечное крепление элемента теплозащитного экрана, в частности, замкового кирпича или заглушки, в направлении, перпендикулярном к поверхности несущей структуры теплозащитного экрана, состоящего из множества элементов теплозащитного экрана, причем крепежные элементы должны быть достаточно охлаждены и не должны подвергаться перегреву горячими газами.

Для решения этой задачи изобретение в первом аспекте исходит из системы элементов теплозащитного экрана, включающей один элемент теплозащитного экрана, в частности, заглушку, для теплозащитного экрана, состоящего из множества смежных расположенных на несущей структуре элементов теплозащитного экрана. Элемент теплозащитного экрана имеет горячую сторону и холодную сторону и закреплен на несущей структуре, при этом несущая структура на каждый ряд элементов теплозащитного экрана имеет, по меньшей мере, один монтажный паз. Элемент теплозащитного экрана имеет на каждой из двух противоположных проходящих поперек параллельных монтажных пазов сторонах кромок выполненные в виде выемок углубления в форме крепежных пазов.

Для решения задачи изобретения предлагаемый изобретением элемент теплозащитного экрана снабжен, по меньшей мере, одним сквозным отверстием под головку болта, которое практически перпендикулярно проходит через холодную сторону и горячую сторону элемента теплозащитного экрана, и через которое головка соответствующего болта может быть доступна и/или свободно опускаться до несущей структуры. При этом в головке болта может быть, в частности, выполнено углубление под инструмент шестигранной или другой формы, так что болт с горячей стороны элемента теплозащитного экрана может вращаться с помощью соответствующего торцового инструмента.

Сквозное отверстие под головку болта выполнено над монтажным пазом. Кроме того, в монтажном пазу несущей структуры имеется соосное отверстию под головку болта отверстие под болт, служащее для приема резьбового стержня болта. Под головкой болта может располагаться и/или расположен служащий держателем кирпича пружинный элемент, который проходит вдоль холодной стороны элемента теплозащитного экрана и монтажного паза несущей структуры. При этом, по меньшей мере, один наружный конец этого служащего держателем кирпича пружинного элемента выполнен в виде зажимного крепежного крючка, который предназначен для входа в зацепление в выемку бокового крепежного паза элемента теплозащитного экрана.

Благодаря этому головки болтов и их стержни по сравнению с уровнем техники глубже доведены до самой несущей структуры и убраны из областей зазора между теплозащитными элементами. Поэтому они не обдуваются непосредственно горячими газами. Следовательно, можно полностью отказаться от обдува охлаждающим воздухом и связанных с этим инвестиций, или существенно упростить и сократить их.

В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения пружинный элемент проходит только к одной из двух снабженных крепежными пазами сторон, при этом каждые два находящиеся в отвернутом друг от друга положении пружинных элемента образуют пару пружинных элементов.

В одном из других предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения пружинный элемент проходит к обеим снабженным крепежными пазами сторонам элемента теплозащитного экрана и образует таким образом цельную пару пружинных элементов. При этом пружинный элемент закреплен на несущей структуре с помощью, предпочтительно, по меньшей мере, одного общего болта. На двух наружных концах пружинного элемента выполнено также по одному зажимному крепежному крючку, который предназначен для входа в зацепление в соответствующую выемку бокового крепежного паза элемента теплозащитного экрана. С помощью такой компоновки сокращается количество пружинных элементов и болтов, так что справиться с монтажом и демонтажем существенно проще.

Цельную пару пружинных элементов можно еще более усовершенствовать, если снабдить проходящую вдоль монтажного паза несущей структуры длинную сторону пружинного элемента заданным изгибом, выпуклость которого направлена в сторону, противоположную несущей структуре, так что когда пружинный элемент не напряжен, зажимные крепежные крючки на концах пружинного элемента наклонены на заданный угол друг от друга. Благодаря этому между крепежными крючками образуется расстояние, которое позволяет вдеть элемент теплозащитного экрана между крепежными крючками.

Предпочтительно с горячей стороны элемента теплозащитного экрана предусмотрена выемка, которая предназначена для приема выпуклого изгиба пружинного элемента.

Кроме того, по другому предпочтительному варианту осуществления изобретения между горячей стороной элемента теплозащитного экрана и пружинным элементом расположен прижим, который служит для того, чтобы выравнивать изгиб пружинного элемента при нажатии и тем самым заставлять крепежные крючки на противоположных концах пружинного элемента входить в зацепление в крепежные пазы.

Предусмотренное в каждом монтажном пазу несущей структуры отверстие под болт, служащее для приема резьбового стержня болта, может проходить через несущую структуру насквозь и иметь возможность резьбового соединения с располагаемым на задней стороне несущей структуры резьбовым устройством.

Альтернативно предусмотренное в монтажном пазу несущей структуры отверстие под болт, служащее для приема резьбового стержня болта, может быть выполнено предпочтительно в виде глухого отверстия определенной достаточной глубины, при этом в глухом отверстии также предпочтительно может монтироваться резьбовая вставка. Резьбовая вставка может, в частности, быть выполнена в виде спиральной вставки или вставки Helicoil. Благодаря этим мероприятиям отпадает необходимость в располагаемом с задней стороны несущей структуры резьбовом устройстве, таком как гайка с резьбой. Следовательно, монтаж и демонтаж элемента теплозащитного экрана может полностью осуществляться с передней стороны несущей структуры.

В другом аспекте задачи настоящего изобретения решаются с помощью способа монтажа системы элементов теплозащитного экрана, включающей один элемент теплозащитного экрана и, по меньшей мере, один пружинный элемент, на несущей структуре по одному из описанных выше вариантов осуществления.

Предлагаемый изобретением монтаж элемента теплозащитного экрана выполняется следующим образом:

- монтируется пружинный элемент, предназначенный для входа в зацепление в крепежный паз на элементе теплозащитного экрана,

- болт вводится в соответствующее сквозное отверстие под головку болта и вставляется насквозь в предусмотренное в пружинном элементе отверстие под болт,

- элемент теплозащитного экрана с установленным пружинным элементом и болтом монтируется на несущей структуре движением, перпендикулярным поверхности несущей структуры, так что резьбовой стержень болта входит в зацепление в соответствующее отверстие под болт несущей структуры, и

- болт завертывается.

Пружинные элементы предпочтительно фиксируются клеевым соединением, чтобы они при монтаже оставались прилипшими к элементу теплозащитного экрана. В одном из альтернативных вариантов осуществления способа монтажа болт может также дополнительно вдеваться через отверстие под головку болта и отверстие в пружинном элементе в отверстие под болт несущей структуры и завертываться.

При этом в качестве резьбового устройства используется либо заранее вставленная в глухое отверстие несущей структуры резьбовая вставка, либо доступная через сквозное отверстие под болт несущей структуры гайка с резьбой. Таким образом, с точки зрения конструкции могут применяться, на выбор, оба типа резьбового соединения.

Наконец, задачи настоящего изобретения в еще одном аспекте решаются путем применения системы элементов теплозащитного экрана по одному из описанных выше вариантов осуществления теплозащитного экрана, в частности, замкового кирпича или заглушки теплозащитного экрана, двигателя внутреннего сгорания, в частности, турбины. К тому же турбина может представлять собой, предпочтительно, газовую турбину.

Ниже изобретение поясняется на примерах осуществления с помощью соответствующих чертежей. Показано:

Фиг.1 - вид части поперечного сечения известной системы элементов теплозащитного экрана,

Фиг.2 - часть вида в перспективе известного элемента теплозащитного экрана, показанного на фиг.1,

Фиг.3 - вид поперечного сечения первой предлагаемой изобретением системы элементов теплозащитного экрана до монтажа,

Фиг.4 - вид поперечного сечения первой предлагаемой изобретением системы элементов теплозащитного экрана после монтажа,

Фиг.5 - вид в перспективе предлагаемого изобретением пружинного элемента,

Фиг.6 - перспективное изображение с пространственным разделением деталей второй предлагаемой изобретением системы элементов теплозащитного экрана,

Фиг.7 - вид в перспективе поперечного сечения второй предлагаемой изобретением системы элементов теплозащитного экрана во время монтажа, и

Фиг.8 - вид сбоку поперечного сечения второй предлагаемой изобретением системы элементов теплозащитного экрана.

На фиг.1 и 2 показана часть вида поперечного сечения известной системы 1 элементов теплозащитного экрана.

У известной системы 1 элементов теплозащитного экрана элементы 3 теплозащитного экрана, или кирпичи, крепятся к несущей структуре 30 с помощью в общей сложности четырех резьбовых соединений.

В боковых кромках элемента 3 теплозащитного экрана выполнены углубления, или карманы, 5 с боковыми выемками 6, в которые сбоку могут вставляться стержень 15 болта и головка 13 болта. Под головкой 13 болта расположен распределитель давления, или шайба, 14, которая распределяет давление по поверхности большей площади, и таким образом защищает керамический корпус элемента 3 теплозащитного экрана.

Теперь элемент 3 теплозащитного экрана, снабженный только четырьмя установленными болтами 13/15 и распределителями давления 14, по уровню техники должен быть смонтирован на несущей структуре 30, а четыре стержня 15 болта должны быть вдеты в четыре соответственно расположенные в несущей структуре 30 отверстия под болт. Так как болты, вставленные свободно сбоку в карманы 5, легко могут выпасть, они заранее фиксируются клеем или клейкой лентой в своих положениях. Однако при вдевании это клеевое соединение легко нарушается, и болты могут либо выпасть, либо перевернуться, и поэтому больше не попасть в отверстия под болты несущей структуры 30.

Так как болты еще достаточно выступают наружу, они через имеющиеся между смежными элементами 3 теплозащитного экрана зазоры обдуваются горячими газами и достигают высоких температур, из-за чего возникает потребность в охлаждении. Охлаждение выполняется, например, в виде обдува через каналы и трубопроводы 25 обдува. В качестве канала охлаждения может служить монтажный паз 40 несущей структуры 30 или специальные выполненные в несущей структуре каналы.

Так как при таком виде монтажа термическое расширение керамического элемента 3 теплозащитного экрана и металлического вина 15 является значительным и различным, болт 15 должен быть, кроме того, завернут в пакет 19 тарельчатых пружин. Пакет 19 тарельчатых пружин представляет собой дополнительный дорогостоящий конструктивный элемент и встроен во втулку 20 пакета, которая закрыта фиксирующей шайбой 22. Эта фиксирующая шайба 22 препятствует выпадению тарельчатых пружин и гайки 21 с резьбой, когда болт 15 еще не вставлен.

Таким образом, эта известная система является дорогостоящей и трудной в манипулировании при монтаже/демонтаже, что обусловлено ее конструкцией, так что иногда для этого требуются два человека.

На фиг.3 показано поперечное сечение первой предлагаемой изобретением системы 1 элементов теплозащитного экрана до монтажа.

Цельный пружинный элемент 37 в ненапряженном состоянии имеет изгиб 37, выпуклость которого направлена в сторону, противоположную поверхности несущей структуры 30. Благодаря этой заданной выпуклости оба расположенных на наружных концах пружинного элемента 37 крепежных крючка 36 разведены друг от друга на заданный угол. При необходимости этот заданный угол разведения должен быть еще расширен вручную, чтобы вдеть и закрепить элемент 3 теплозащитного экрана между крепежными крючками 36. Благодаря фиксации возможно удобное манипулирование элементом 3 теплозащитного экрана с двумя установленными на нем пружинными элементами 37. Таким образом, в качестве следующего шага, например, болт 28 может быть вставлен в отверстие под головку болта.

На обращенной к холодной стороне 4 элемента 3 теплозащитного экрана стороне изгиба 37 пружинного элемента расположен прижим 38. Этот прижим 38, по меньшей мере, частично может опускаться в выполненную с холодной стороны 4 в элементе теплозащитного экрана выемку 32, так что при описанном выше вдевании крепежные крючки 36 могут оставаться разведенными.

На фиг.4 показан вид поперечного сечения первой предлагаемой изобретением системы 1 элементов теплозащитного экрана, показанной на фиг.3, после монтажа на несущей структуре 30.

Несущая структура 30 снабжена для этого отверстием под болт, которое в этом примере выполнено в виде сквозного отверстия. Цельная пара пружинных элементов 37 вставляется в выполненный в несущей структуре 30 монтажный паз 40, благодаря чему элемент 3 теплозащитного экрана непосредственно примыкает к несущей структуре 30. При затягивании болта 28 прижим 38 прижимается к дну паза, и изгиб пружинного элемента 37 вследствие этого выравнивается, так что крепежные крючки 36 с обеих сторон входят в зацепление в соответствующий боковой крепежный паз 34 элемента 3 теплозащитного экрана, и таким образом закрепляют его. Благодаря заданному усилию пружины пружинных элементов 3 элемент теплозащитного экрана прижимается к несущей структуре 30, и термическое расширение элемента 3 теплозащитного экрана при этом компенсируется упруго прогибающимися пружинными элементами 37.

Благодаря этому отпадает необходимость собирать болты 28 в пакет тарельчатых пружин, как описано в связи с фиг.1. Можно использовать простую гайку 42 с резьбой, которая располагается с задней стороны несущей структуры 30.

Отверстие 29 под головку болта предпочтительно выполнено сквозным с постоянным диаметром и обеспечивает доступ к головке 27 болта 28 с горячей стороны 2 элемента 3 теплозащитного экрана. Таким образом, монтаж или демонтаж может выполняться с помощью вращающегося инструмента, например, торцового инструмента, который может быть вставлен через отверстие 29 под головку болта в выемку 11 под торцовый инструмент головки 27 болта.

Кроме того, в одном из предпочтительных вариантов осуществления диаметр отверстия 29 под головку болта в элементе теплозащитного экрана несколько больше, чем диаметр головки 27 болта 28, так что головка 27 болта может проходить сквозь отверстие 29 под головку болта.

Благодаря этому упрощается монтаж и демонтаж элемента теплозащитного экрана.

Предпочтительно, однако, не обязательно, чтобы положение болта 28 находилось симметрично в центре, потому что при этом цельный пружинный элемент 37 с обеих сторон имеет плечи пружины одинаковой длины, и, следовательно, в каждой из четырех точек крепления элемента 3 теплозащитного экрана действуют одинаковые усилия пружины.

Заданное смещение a между верхней кромкой и нижней кромкой бокового крепежного паза 34 элемента 3 теплозащитного экрана служит для того, чтобы даже в разведенном состоянии крепежные крючки 36 имели достаточно места, чтобы ввести предварительно смонтированную систему элементов теплозащитного экрана между уже предварительно смонтированными смежными элементами теплозащитного экрана.

На фиг.5 показан вид в перспективе предлагаемого изобретением пружинного элемента 44, который во втором предпочтительном варианте осуществления изобретения разделен на две части.

Этот пружинный элемент 44 имеет много общего с обычными держателями кирпичей. Он имеет отверстие 45, которое предназначено для крепления резьбового соединения, и крепежный крючок 46, который предназначен для входа в зацепление в боковой крепежный паз 34 элемента 3 теплозащитного экрана.

На фиг.6 показано перспективное изображение с пространственным разделением деталей второй предлагаемой изобретением системы 1 элементов теплозащитного экрана.

Несущая структура 30 имеет на каждый ряд элементов теплозащитного экрана два окружных параллельно расположенных монтажных паза 40. В дне этих монтажных пазов 40 предусмотрены в общей сложности четыре отверстия для резьбовых соединений, которые при этом выполнены, например, в виде глухих отверстий 48.

Элемент 3 теплозащитного экрана имеет в расположенных поперек монтажных пазов 40 боковых кромках на каждой стороне по одному углублению в форме крепежного паза 34, в которое входят в зацепление пружинные элементы 44.

В соответствии с изобретением предусмотрены четыре отверстия 29 под головку болта, которые походят насквозь через элемент 3 теплозащитного экрана, предпочтительно, с постоянным диаметром.

На фиг.7 и фиг.8 представлен один и тот же вариант осуществления, показанный на фиг.6, на виде в перспективе поперечного сечения после монтажа пружинного элемента 44.

При этом элемент 3 теплозащитного экрана примыкает к несущей структуре, а пружинный элемент 44, также как и в вариантах осуществления, описанных на фиг.3 и 4, опущен в монтажный паз 40 несущей структуры 30.

При этом пружинный элемент 44 с помощью болта 28, который вставлен сквозь отверстие 45 пружинного элемента, ввернут в выполненное в дне монтажного паза 40 глухое отверстие 48 посредством резьбовой вставки 50. Для этого головка 27 болта 28 имеет возможность проходить сквозь отверстие 29 под головку болта элемента 3 теплозащитного экрана.

Пружинный элемент 44 в смонтированном состоянии напряжен, так что он оказывает сжимающее усилие, которое во всех четырех угловых областях прижимает элемент 3 теплозащитного экрана к несущей структуре 30. И в этом варианте осуществления благодаря этому компенсируется термическое расширение элемента 3 теплозащитного экрана, так что отсутствует необходимость в пакете тарельчатых пружин.

Глухое отверстие 48 позволяет осуществлять монтаж и демонтаж элемента 3 теплозащитного экрана исключительно с горячей стороны.

Кроме того, преимущество одного из предпочтительных вариантов осуществления заключается в том, что глухое отверстие 48 с задней стороны несущей структуры 3 снабжается каналом 49, и выполняется воздушный канал сквозь болт 28. Благодаря этим несложно выполняемым каналам для обдува возможен подвод охлаждающего воздуха, чтобы при необходимости охлаждать головку 27 болта 28.

При монтаже элемента 3 теплозащитного экрана по этому варианту осуществления четыре пружинных элемента 44 вставляются в четырех местах в боковой крепежный паз 34 и закрепляются в нем клейкой лентой. Затем этот предварительно собранный узел вертикально вставляется на свое место между смежными элементами теплозащитного экрана. После этого четыре болта 28 вставляются сквозь каждое из соответствующих отверстий 29 под головку болта и сквозь отверстия 45 пружинных элементов 44 вдеваются во вставленные в глухие отверстия 48 резьбовые вставки и завертываются в помощью торцового инструмента.