Структуры ударного воздействия для систем охлаждения
Структура ударного воздействия в системе ударного охлаждения имеет отверстия для ударного воздействия, выполненные с обеспечением пропускания потока охладителя и направления полученных струй охладителя на целевую поверхность, расположенную напротив указанной структуры, через образованную между ними полость. Указанная структура имеет рифленую конфигурацию и расположена на расстоянии от целевой поверхности. Целевая поверхность содержит внешнюю поверхность жаровой трубы. Структура содержит патрубок для потока в камере сгорания газотурбинного двигателя или целевая поверхность содержит внешнюю поверхность переходного отсека. Указанная структура содержит патрубок для ударного воздействия в камере сгорания газотурбинного двигателя. Изобретение направлено на улучшение охлаждения. 8 з.п. ф-лы, 11 ил.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[101] Данная заявка относится в целом к устройствам и/или системам для повышения эффективности и/или улучшения работы ударного охлаждения. Более конкретно, но без ограничения этим, данная заявка относится к устройствам и/или системам для охлаждения элементов двигателей внутреннего сгорания путем циркуляции и ударного воздействия потока охладителя в патрубке новой конфигурации и, более конкретно, в усовершенствованном патрубке для использования в системе сгорания газотурбинного двигателя (Следует отметить, что, несмотря на то, что данное изобретение представлено ниже в отношении одного из предпочтительных вариантов использования в системе сгорания газотурбинного двигателя, специалисты в данной области техники должны понимать, что использование описанного изобретения этим не ограничивается, так как оно может использоваться в других областях применения ударного охлаждения в других компонентах газотурбинных двигателей, а также в системах ударного охлаждения в производственных установок или двигателей внутреннего сгорания других типов).
[102] Производственные установки и двигатели многих типов требуют температурных ограничений для материалов, используемых для их изготовления. Однако часто выгоды при работе могут быть достигнуты, если машины/двигатели могут быть выполнены с обеспечением выдерживания более высоких рабочих температур. Например, в случае газотурбинных двигателей, как и в случае любых тепловых двигателей, более высокие температуры горения соответствуют более высокой эффективности работы. Один из способов достижения этих повышенных температур состоит в охлаждении соответствующих элементов двигателя, так что эти элементы могут выдерживать повышенные температуры. В одном способе охлаждения, который широко применяется в газотурбинных двигателях, используют поток сжатого охладителя, который направляют через внутренние проходы к необходимым компонентам. В случае газотурбинных двигателей охладителем обычно является сжатый воздух, который извлекают из компрессора.
[103] После доставки охладителя он может быть использован несколькими способами для обеспечения охлаждения указанного элемента. Один обычный сценарий включает обеспечение воздействия охладителя вдоль внутренней стенки элемента, подвергаемого воздействию экстремальных температур на его внешней стороне. Стенка элемента может быть относительно тонкой, так что охладитель, действующий на внутреннюю поверхность, поддерживает внешнюю поверхность стенки при допустимой температуре. То есть охладитель забирает тепло от стенки, что в целом позволяет элементу оставаться относительно холодным и эффективно выдерживать повышенные температуры. Как должно быть понятно специалистам, эффективность охладителя увеличивается, если он воздействует на стенку в виде высокоскоростных струй высокого давления. Такой тип охлаждения часто называют ударным охлаждением и, как подробно рассмотрено ниже, включает использование структуры ударного воздействия, которая также может называться вставкой или патрубком ударного воздействия. В целом патрубок ударного воздействия является структурой, которая принимает поток сжатого охладителя и затем обеспечивает воздействие охладителя на нагретую поверхность требуемым образом путем проталкивания потока через ряд узких отверстий, обычно называемых отверстиями для ударного воздействия.
[104] Однако в обычных устройствах и конфигурациях структур ударного воздействия существует возможность отрицательного влияния поперечного потока уже использованного охладителя (т.е. охладителя после соударения, который уже оказал воздействие на нагретую поверхность и течет к выпуску) на охлаждающие эффекты ударяющего охладителя. Как подробно рассмотрено ниже, поток отработанного охладителя снижает эффективность вновь прибывающего охладителя вследствие изменения направления или прерывания его потока, текущего к поверхности элемента, так что он не ударяет в поверхность идеальным образом с точки зрения эффективности охлаждения. Отработанный охладитель также может создавать пограничные слои, которые впоследствии отрицательно влияют на охлаждающие эффекты вновь прибывающего свежего охладителя. Коротко говоря, обычное ударное охлаждение, как правило, ухудшается из-за отрицательных эффектов поперечного потока после соударения. В результате существует необходимость в усовершенствованных устройствах и системах ударного охлаждения, которые понижают такой тип ухудшения системы охлаждения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[105] Таким образом, в данной заявке описана структура ударного воздействия в системе ударного охлаждения, имеющая отверстия для ударного воздействия, выполненные с обеспечением пропускания потока охладителя и направления полученных струй охладителя на целевую поверхность, расположенную напротив структуры ударного воздействия, через образованную между ними полость, причем указанная структура имеет рифленую конфигурацию. Структура ударного воздействия расположена на некотором расстоянии от целевой поверхности. В некоторых вариантах выполнения целевая поверхность содержит внешнюю поверхность жаровой трубы, а структура ударного воздействия содержит патрубок для потока в камере сгорания газотурбинного двигателя. В некоторых вариантах выполнения целевая поверхность содержит внешнюю поверхность переходного отсека, а структура ударного воздействия содержит патрубок для ударного воздействия в камере сгорания газотурбинного двигателя.
[106] Со стороны охладителя указанной структуры может быть расположена полость для охладителя, через которую при работе направляется поток охладителя, так что охладитель нагнетается к указанной стороне охладителя и, таким образом, проходит через отверстия для ударного воздействия. С ударной стороны указанной структуры может быть расположена полость для ударного воздействия.
[107] Рифленая конфигурация может содержать параллельные чередующиеся выступы и канавки. Выступы могут представлять собой часть рифленой конфигурации, проходящую в направлении целевой поверхности. Канавки могут представлять собой часть рифленой конфигурации, расположенную углубленно по отношению к целевой поверхности, так что выступы находятся ближе к целевой поверхности, чем канавки. По меньшей мере большинство отверстий для ударного воздействия может быть расположено на выступах.
[108] Вдоль ударной стороны указанной структуры выступы могут иметь грань, которая может представлять собой широкую грань, образованную на внешних сторонах выступов, проходящую на расстояние длины выступов и приблизительно параллельную целевой поверхности. Вдоль стороны охладителя структуры выступы могут иметь канал, который проточно сообщается с полостью для охладителя через впускное отверстие и проходит по направлению к целевой поверхности от впускного отверстия до грани выступа. Вдоль ударной стороны структуры канавки могут иметь канал, который представляет собой канал, начинающийся у выпускного отверстия и проходящий от целевой поверхности до основания, которое расположено на большем расстоянии от целевой поверхности, чем грань выступа.
[109] Канал выступа может быть выполнен таким образом, что во время работы охладитель входит в канал выступа у впускного отверстия, течет к грани выступа и покидает канал выступа через ударные отверстия. Канал канавки может быть выполнен с обеспечением сбора отработанного охладителя после того, как охладитель ударяет в целевую поверхность, так что отработанный охладитель поступает в канал канавки у выпускного отверстия, собирается в указанном канале и затем течет вдоль продольной оси канала к выпуску. Продольные оси канавок могут быть выровнены в направлении выпуска. Боковые стенки могут проходить от каждой стороны впускного отверстия к соответствующей стороне грани выступа, при этом они ограничивают канал выступа от впускного отверстия до грани. Боковые стенки могут проходить от каждой стороны выпускного отверстия к соответствующей стороне основания, при этом они ограничивают канал канавки от выпускного отверстия до основания.
[110] В некоторых вариантах выполнения, по существу, все отверстия для ударного воздействия расположены на грани выступа. Грань выступа может быть, по существу, плоской или слегка искривленной. Выступ может быть выполнен таким образом, что его грань находится в непосредственной близости от целевой поверхности.
[111] Рифленая конфигурация может представлять собой расширяющуюся конфигурацию, при которой канал выступа является узким у впускного отверстия и его боковые стенки расширяются наружу от узкого впускного отверстия, так что канал выступа расширяется при приближении к поверхности обратной стороны грани выступа, при этом канал канавки является узким у выпускного отверстия и его боковые стенки расширяются наружу от узкого выпускного отверстия, так что канал канавки расширяется при приближении к основанию. Рифленая конфигурация может представлять собой прямоугольную конфигурацию или синусоидальную конфигурацию. Если рифленая конфигурация представляет собой синусоидальную конфигурацию, то грань выступа может иметь искривленную выпуклую поверхность, изогнутую в сторону полости для ударного воздействия, а основание может иметь искривленную вогнутую поверхность, изогнутую в сторону канала канавки.
[112] Эти и другие особенности данного изобретения станут очевидны при рассмотрении нижеследующего подробного описания предпочтительных вариантов выполнения совместно с чертежами и прилагаемой формулой изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[113] Эти и другие аспекты данного изобретения можно более полно понять и оценить путем тщательного изучения нижеследующего более подробного описания иллюстративных вариантов выполнения изобретения при его рассмотрении совместно с прилагаемыми чертежами, на которых:
[114] фиг.1 изображает схематический вид иллюстративного газотурбинного двигателя, в котором могут использоваться варианты выполнения данного изобретения,
[115] фиг.2 изображает разрез иллюстративного компрессора, который может использоваться в газотурбинном двигателе, показанном на фиг.1,
[116] фиг.3 изображает разрез иллюстративной турбины, которая может использоваться в газотурбинном двигателе, показанном на фиг.1,
[117] фиг.4 изображает разрез иллюстративной трубчатой камеры сгорания, которая может использоваться в газотурбинном двигателе, показанном на фиг.1,
[118] фиг.5 изображает разрез традиционного устройства для ударного охлаждения,
[119] фиг.6 изображает поперечный разрез структуры ударного воздействия в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения данного изобретения,
[120] фиг.7 изображает вид в аксонометрии структуры ударного воздействия, показанной на фиг.6,
[121] фиг.8 изображает вид сверху структуры ударного воздействия, показанной на фиг.6,
[122] фиг.9 изображает поперечный разрез структуры ударного воздействия в соответствии с альтернативным вариантом выполнения данного изобретения,
[123] фиг.10 изображает вид в аксонометрии структуры ударного воздействия, показанной на фиг.9, при ее возможном использовании с переходным отсеком с трубчатой камерой сгорания газотурбинного двигателя, и
[124] фиг.11 изображает поперечный разрез структуры ударного воздействия в соответствии с альтернативным вариантом выполнения данного изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[125] Как отмечено выше и как указано далее, данное изобретение представлено в отношении одного из предпочтительных вариантов применения в системе сгорания газотурбинного двигателя. Далее изобретение главным образом описано в отношении этого варианта применения, однако такое описание является исключительно иллюстративным и не должно считаться ограничивающим за исключением тех случаев, когда это сделано намеренно. Специалистам должно быть понятно, что использование данного изобретения может быть осуществлено в областях применения ударного охлаждения в других компонентах газотурбинных двигателей, а также в системах ударного охлаждения в других типах производственных установок или двигателей внутреннего сгорания.
[126] На фиг.1 изображен схематический вид газотурбинного двигателя 100. В общем случае газотурбинные двигатели работают благодаря получению энергии от потока сжатого горячего газа, который создается в результате сгорания топлива в потоке сжатого воздуха. Как показано на фиг.1, газотурбинный двигатель 100 может быть выполнен с осевым компрессором 106, который механически соединен общим валом или ротором с расположенной за ним секцией турбины или турбиной 110, и системой 112 сгорания, которая, как показано на чертеже, является трубчатой камерой сгорания, расположенной между компрессором 106 и турбиной 110.
[127] Фиг.2 изображает вид осевого компрессора 106, который может использоваться в газотурбинном двигателе 100. Как показано на чертеже, компрессор 106 может содержать группу ступеней. Каждая ступень может содержать ряд роторных лопаток 120 компрессора, за которым следует ряд статорных лопаток 122 компрессора. Таким образом, первая ступень может содержать ряд роторных лопаток 120, которые вращаются вокруг центральной оси и за которыми следует ряд статорных лопаток 122, остающихся неподвижными во время работы. Статорные лопатки 122 в целом отделены одна от другой по окружности и закреплены вокруг оси вращения. Роторные лопатки 120 отстоят друг от друга вокруг оси ротора и вращаются вокруг оси во время работы. Специалисту должно быть понятно, что роторные лопатки 120 выполнены таким образом, что при вращении вокруг оси они передают кинетическую энергию воздуху или рабочей среде, протекающей через компрессор 106. Как должно быть понятно специалисту, компрессор 106 может содержать многочисленные другие ступени, помимо ступеней, показанных на фиг.2. Каждая дополнительная ступень может содержать распределенные по окружности роторные лопатки 120 компрессора, за которыми следуют распределенные по окружности статорные лопатки 122 компрессора.
[128] Фиг.3 изображает частичный вид иллюстративной секции турбины или турбины 110, которая может использоваться в газотурбинном двигателе 100. Турбина 110 может содержать группу ступеней. В качестве примера показаны три ступени, однако в турбине 110 может иметься большее или меньшее число ступеней. Первая ступень содержит лопатки турбины или роторные лопатки 126 турбины, которые вращаются вокруг оси во время работы, и сопла или статорные лопатки 128 турбины, которые остаются неподвижными во время работы. Статорные лопатки 128 обычно отделены одна от другой по окружности и закреплены вокруг оси вращения. Роторные лопатки 126 могут быть установлены на рабочем колесе турбины (не показано) для вращения вокруг вала (не показан). Также показана вторая ступень турбины 110. Вторая ступень аналогичным образом содержит распределенные по окружности роторные лопатки 126 турбины, которые также установлены на рабочем колесе турбины с возможностью вращения. Кроме того, показана третья ступень, которая также содержит распределенные по окружности статорные лопатки 128 турбины и роторные лопатки 126 турбины. Следует понимать, что статорные лопатки 128 и роторные лопатки 126 лежат на траектории горячего газа турбины 110. Направление потока горячих газов вдоль тракта горячего газа показано стрелкой. Как должно быть понятно специалисту, турбина 110 может содержать многочисленные другие ступени, помимо ступеней, показанных на фиг.3. Каждая дополнительная ступень может содержать распределенные по окружности статорные лопатки 128 турбины, за которыми следуют распределенные по окружности роторные лопатки 126 турбины.
[129] Газотурбинный двигатель описанного выше типа может работать следующим образом. Вращение роторных лопаток 120 в осевом компрессоре 106 сжимает поток воздуха. В камере 112 сгорания, как описано более подробно ниже, при смешивании сжатого воздуха с топливом и его поджигании выделяется энергия. Результирующий поток горячих газов из камеры 112 затем может быть направлен на роторные лопатки 126 турбины, что может вызвать вращение указанных лопаток 126 с валом и, таким образом, превращение энергии горячего потока газов в механическую энергию вращающегося вала. Механическая энергия вала затем может использоваться для приведения во вращение роторных лопаток 120 компрессора, так что производится необходимая подача сжатого воздуха, а также, например, для обеспечения производства электроэнергии генератором.
[130] Фиг.4 изображает иллюстративную трубчатую камеру 130 сгорания, которая может использоваться в газотурбинном двигателе. Как описано более подробно ниже, предпочтительные варианты выполнения данного изобретения могут использоваться в отношении аспектов трубчатой камеры 130 сгорания. Специалисту должно быть понятно, что трубчатая камера 130 сгорания может содержать головной узел 134, который обычно содержит различные трубы, подающие необходимые воздух и топливо к указанной камере сгорания, и торцевую крышку 136. К торцевой крышке 136 могут быть прикреплены топливные форсунки 138. Топливные форсунки 138 обеспечивают подачу смеси топлива и воздуха для сгорания. Топливом, например, может быть природный газ, а воздухом может быть сжатый воздух, подаваемый от осевого компрессора (на фиг.4 не показан), который является частью газотурбинного двигателя. Топливные форсунки 138 могут быть расположены в переднем корпусе 140, который прикреплен к торцевой крышке 136 и в который заключены топливные форсунки 138. Как должно быть понятно специалисту, за топливными форсунками 138 обычно может быть расположен патрубок 144 для потока, заключенный в задний корпус 142. Указанный патрубок 144, в свою очередь, может охватывать жаровую трубу 146, создавая канал между патрубком 144 и жаровой трубой 146. От жаровой трубы 146 поток переходит от ее круглого поперечного сечения к кольцевому поперечному сечению по переходному отсеку 148 при перемещении потока далее к турбине 110 (на фиг.4 не показана). Ударный патрубок 150 переходного отсека (далее «патрубок 150 для ударного воздействия») охватывает переходной отсек 148, создавая канал между указанными патрубком 150 и отсеком 148. В конце переходного отсека 148, расположенном ниже по потоку, поток рабочей среды может направляться задней рамой 152 переходного отсека к аэродинамическим поверхностям, расположенным в первой ступени турбины 110.
[131] Следует понимать, что патрубок 144 для потока и патрубок 150 для ударного воздействия могут иметь отверстия для ударного воздействия (на фиг.4 не показаны), которые проходят через них насквозь и обеспечивают возможность вхождения ударяющего потока сжатого воздуха из компрессора в полости, образованные между патрубком 144 для потока и жаровой трубой 146, а также между патрубком 150 для ударного воздействия и переходным отсеком 148. Как рассмотрено более подробно ниже, поток сжатого воздуха может использоваться для обеспечения конвекционного охлаждения внешних поверхностей жаровой трубы 146 и переходного отсека 148.
[132] При использовании трубчатая камера 130 сгорания может работать следующим образом. Сжатый воздух, подаваемый от компрессора 106, может направляться к пространству, окружающему патрубок 144 для потока и патрубок 150 для ударного воздействия. Затем сжатый воздух проходит через отверстия для ударного воздействия, выполненные в патрубке 144 и патрубке 150, и, таким образом, входит в камеру 130 сгорания. Ударяющий поток сжатого воздуха направляется на внешние поверхности патрубка 144 и переходного отсека 148, в результате чего эти компоненты охлаждаются. Затем сжатый воздух течет через канал, образованный между патрубком 150 для ударного воздействия и переходным отсеком 148, и оттуда через канал, образованный между патрубком 144 для потока и жаровой трубой 146, течет в направлении головного узла 134. Далее сжатый воздух течет в объем, ограниченный передним корпусом 140, и поступает в топливные форсунки 138 через впускной кондиционер потока. В топливных форсунках 138 обычно подача сжатого воздуха может совмещаться с подачей топлива, которая обеспечивается топливным трубопроводом, присоединенным к топливным форсункам 138 через торцевую крышку 136. Подаваемая смесь сжатого воздуха и топлива сгорает при выходе из топливных форсунок 138, в результате чего создается поток быстродвижущихся, чрезвычайно горячих газов, который направляется далее через жаровую трубу 146 и переходной отсек 148 к турбине 110, где энергия горячих газов превращается в механическую энергию вращающихся лопаток турбины.
[133] На фиг.5 изображено традиционное устройство 200 для ударного охлаждения. Это устройство обычно содержит структуру, охлаждаемую потоком ударяющего охладителя (охлаждаемая структура представлена стенкой 202), На некотором расстоянии от стенки 202 находится структура 204 ударного воздействия. Следует понимать, что стенка 202 может представлять собой любую часть или структуру, которая подвергается воздействию экстремальных температур на одной стороне и охлаждается на другой стороне, а структура 204 ударного воздействия может представлять собой часть или структуру, которая принимает поток охладителя, ударяет охладитель и направляет ударяющий поток на стенку 202. Например, как рассмотрено выше, стенка 202 может представлять собой переходной отсек 148, а структура ударного воздействия может представлять собой патрубок 150 для ударного воздействия. В другом варианте выполнения стенка 202 может представлять собой жаровую трубу 146, а структура 204 может представлять собой патрубок 144 для потока. В любом случае стрелки 206 указывают направление потока горячих газов через камеру сгорания 130. Следует понимать, что стенка 202 может быть описана как имеющая нагретую поверхность 208, являющуюся стороной, которая открыта для воздействия экстремальных температур горячих газов, и целевую поверхность 210, которая обычно является стороной стенки 202, противоположной нагретой поверхности 208, и представляет собой поверхность, которая расположена напротив структуры 204 и на которую нацелен охладитель.
[134] В традиционном устройстве, как показано на фиг.5, структура 204 ударного воздействия является плоской или по существу плоской и обычно выполнена таким образом, что она расположена приблизительно на постоянном расстоянии от стенки 202. Таким образом, структура 204 образует полость 212 для ударного воздействия между ней и стенкой 202. Как показано на чертеже, структура 204 имеет ряд отверстий 214 для ударного воздействия.
Следует понимать, что на другой стороне структуры 204 выполнена полость 216 для охладителя. Полость 216 для охладителя представляет собой полость, где подаваемый сжатый охладитель (поток которого показан стрелками 218) направляется так, что сжатый охладитель может нагнетаться или ударяться через отверстия 214 для ударного воздействия. Усиленный таким способом охладитель превращается в ряд струй охладителя с высокой скоростью (поток которых показан стрелками 220), нацеленных на стенку 202. Следует понимать, что основной идеей данного способа охлаждения является использование высокого коэффициента передачи тепла, получаемого, когда струи охладителя проходят вплотную к близлежащей целевой поверхности, так что тепло с высокой скоростью отводится от целевой поверхности вследствие конвекции.
[135] Следует понимать, что после того как струи охладителя прекращают свое воздействие на стенку 202, отработанный охладитель затем течет к выпуску, который может быть выполнен в полости 212 для ударного воздействия. На фиг.5 выпуск 222 полости представляет собой выпуск в полость 212. Именно этот основной поперечный поток отработанного охладителя (поток которого обозначен стрелками 224), как описано, ухудшает охлаждающую эффективность прибывающего свежего охладителя. Более конкретно, как показано на фиг.5 с помощью ориентации стрелок, обозначающих струи охладителя, и размера стрелок, обозначающих поперечный поток отработанного охладителя, поперечный поток отработанного охладителя в целом усиливается при приближении к выпуску 222 полости. Усиленный поперечный поток может перенаправить струи охладителя, так что они не будут больше ударять в стенку 202 под прямым углом или под углом, близким к прямому. Это, как легко понять, оказывает отрицательное влияние на охлаждающую эффективность струй охладителя. Такой тип ухудшения часто называют изменением вектора струи. Поперечный поток отработанного охладителя изменяет направление струй охладителя, так что струи больше не ударяют в целевую поверхность перпендикулярно, что снижает их охлаждающую эффективность.
[136] Кроме того, в случае общего режима потоков традиционных устройств для ударного охлаждения, как показано на фиг.5, следует понимать, что значительные объемы отработанного охладителя проходят поперечно перед другими отверстиями для ударного воздействия (т.е. между отверстиями 215 и стенкой 202), когда отработанный охладитель идет по направлению к выпуску 222 полости, и, в частности, когда поток приближается к выпуску 222, создавая пограничный слой высокотемпературного охладителя, который еще больше ухудшает охлаждающую эффективность. Более подробно, из-за тепла, уже поглощенного отработанным охладителем от стенки 202, поперечный поток отработанного охладителя имеет более высокую температуру, чем свежий охладитель, поступающий в полость 216 в одной из ударных струй. Как должно быть понятно специалисту, поперечный поток отработанного охладителя препятствует охлаждению стенки 202 из-за его смешивания со свежим охладителем и, следовательно, повышения температуры струй охладителя и снижения разности температур между стенкой 202 и потоком охладителя вблизи нее. Этот эффект пограничного слоя уменьшает коэффициент передачи тепла между охладителем и стенкой 202 и, таким образом, понижает эффективность охлаждения.
[137] При уменьшении поперечного потока отработанного охладителя в полости для охладителя или его перенаправления таким образом, что он не препятствует течению свежего охладителя непосредственно к стенке 202 и не создает пограничный слой из отработанного охладителя, через который должен проникнуть свежий охладитель, обмен теплом между текучим охладителем и стенкой улучшается. Специалисту должно быть понятно, что такое улучшение эффективности охлаждения уменьшает количество охладителя, требуемого для поддержания стенки 202 при необходимой температуре. Следует понимать, что в некоторых вариантах применения, таких как использование сжатого воздуха для охлаждения статорных лопаток турбины, использование охладителя оказывает отрицательное влияние на эффективность газотурбинных двигателей.
[138] На фиг.6-8 изображены несколько видов структуры 302 ударного воздействия, которая имеет рифленую конфигурацию в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения данного изобретения. Как показано на чертежах, структура 302 имеет параллельные и чередующиеся выступы 304 и канавки 306. Выступы 304, используемые в данном случае, представляют собой часть рифленой формы, проходящую в направлении целевой поверхности 210. По сравнению с ними, канавки 306 представляют собой часть рифленой формы, расположенную углубленно по отношению к целевой поверхности 210.
Понятно, что выступы 304 обычно расположены ближе к целевой поверхности 210, чем канавки 306. Кроме того, в соответствии с вариантами выполнения данного изобретения на выступах 304 структуры 302 может быть расположен ряд отверстий 214 для ударного воздействия.
[139] Структура 302 ударного воздействия может быть описана как имеющая сторону охладителя, на которую воздействует поток охладителя (как показано стрелками 218), и ударную сторону, от которой струи 220 охладителя выбрасываются из отверстий 214 (как показано стрелками 220). Понятно, что ударная сторона указанной структуры 302 обращена к целевой поверхности 210 и образует между ними полость 212 для ударного воздействия.
[140] Вдоль стороны охладителя структуры 302 могут быть выполнены выступы 304, имеющие канал 310, через который охладитель течет к отверстиям 214 ударного воздействия. Более конкретно, канал 310 выступа может быть выполнен таким образом, что во время работы охладитель входит в канал 310 у впускного отверстия 312 и течет к противоположному концу канала выступа, где затем выходит через отверстия 214. Следует понимать, что вдоль ударной стороны структуры 302 может быть выполнен выступ 304, имеющий грань 316. Грань 316 выступа обычно представляет собой широкую грань, образованную на внешних сторонах выступа 304 и приблизительно параллельную целевой поверхности 210. Грань 316 выступа может быть плоской, как показано на фиг.6, или слегка искривленной, пример чего показан на фиг.11. В целом выступ 304 выполнен таким образом, что его грань 316 находится в непосредственной близости от целевой поверхности 210. Кроме того, большинство или все из отверстий 214 ударного воздействия могут быть расположены на грани 316 выступа, как показано на фиг.5. Боковые стенки 318 проходят от каждой стороны впускного отверстия 312 к соответствующей стороне грани 316 выступа. Боковые стенки 318 в целом ограничивают канал 304 выступа между впускным отверстием 312 и гранью 316 выступа.
[141] Вдоль ударной стороны структуры 302 могут быть выполнены канавки, имеющие канал 320. Следует понимать, что канал 320 канавки представляет собой канал, который начинается у выпускного отверстия 322 и проходит от целевой поверхности 210 до основания 322. Следует понимать, что в случае рифленой конфигурации структуры основание 324 расположено на большем расстоянии от целевой поверхности 210, чем грань 316 выступа. Как показано на фиг.5, канал 320 канавки в целом выполнен с обеспечением сбора отработанного охладителя (поток которого показан стрелками 224) после того, как охладитель ударяет в целевую поверхность 210. Более конкретно, отработанный охладитель поступает в канал 320 канавки у выпускного отверстия 322, собирается в указанном канале 320 и затем течет вдоль продольной оси канала 320 в сторону низких давлений, соответствующих выпуску 222 (как показано на фиг.8). Следует понимать, что в некоторых предпочтительных вариантах выполнения продольные оси выступов 304 и канавок 306 выровнены в целом в направлении выпуска 222, как показано на фиг.7 и 9. Основание 324 в целом может быть плоским или слегка искривленным. Боковые стороны 318 в целом ограничивают канал 306 канавки между выпускным отверстием 322 и основанием 324.
[142] В некоторых вариантах выполнения положения отверстий 214 для ударного воздействия образуют некоторую схему на грани 316 выступа. В некоторых вариантах выполнения, как показано на фиг.7 и 8, два ряда отверстий 214 могут быть расположены вдоль грани 316 выступа. В этом случае два ряда отверстий 214 могут быть расположены на краю грани 316, так что ряд отверстий 214 граничит с каждой из двух соседних канавок 306. То есть один ряд отверстий 214 расположен на одной стороне грани 316 выступа, так что отверстия 214 находятся в непосредственной близости от выпускного отверстия 322 канавки 306, расположенного на этой стороне грани 316, тогда как другой ряд расположен на другой стороне грани 316 выступа, так что отверстия 214 находятся в непосредственной близости от выпускного отверстия 322 канавки 306, расположенного на другой стороне. Таким образом, каждое отверстие 214 ударного воздействия расположено около выпускного отверстия 322.
[143] В некоторых вариантах выполнения ряды отверстий 214 могут быть, по существу, параллельны краю соседнего выпускного отверстия и находиться в относительно непосредственной близости к нему, пример чего наиболее отчетливо показан на фиг.8. Следует понимать, что в этом типе варианта выполнения поток после соударения (т.е. поток отработанного охладителя), соответствующий каждому ряду отверстий 214 ударного воздействия, может течь к выпускному отверстию 322 без пересечения с потоком от другого ряда отверстий 214, что во время работы снижает величину возникающего поперечного потока и уменьшает возникающее в результате снижение эффективности.
[144] В некоторых вариантах выполнения между двумя рядами, которые с каждой стороны граничат с соседними канавками 306, могут быть расположены дополнительные ряды отверстий 214 ударного воздействия. В этом случае величина поперечного потока отработанного охладителя может оказаться выше по сравнению с вариантом выполнения, имеющим только два ряда отверстий 214. Однако, как должно быть понятно специалисту, такой тип варианта выполнения все же имеет эксплуатационное преимущество над традиционными конструкциями. Кроме того, возможно также наличие одного ряда отверстий 214. В этом случае отверстия 214 могут быть расположены приблизительно в середине грани 316 выступа. Вариант выполнения с одним рядом (на чертежах не показан) также может обеспечить пониженный уровень поперечного потока отработанного охладителя по сравнению с традиционной конструкцией.
[145] Как показано на фиг.8, в каждом из рядов отверстия 214 могут быть разнесены на равное расстояние, которое может быть одинаковым для обоих или всех рядов. В таких случаях, как этот, отверстия 214 между рядами могут быть синхронизированы друг с другом. В одном варианте выполнения, как показано на выступе 304а на фиг.8, отверстия 214 двух соседних рядов могут быть выровнены по прямой относительно друг друга. В этом случае положение отверстия ударного воздействия вдоль продольной оси выступа 304а в одном ряду может быть приблизительно таким же, как положение соответствующего отверстия 214 в соседнем ряду. В другом варианте выполнения, как показано на выступе 304b на фиг.8, отверстия 214 двух соседних рядов могут быть расположены в шахматном порядке. В этом случае продольное положение соответствующих отверстий 214 не является одинаковым. Например, в одном предпочтительном варианте выполнения, как показано на выступе 304b, продольное положение отверстий 214 находится приблизительно в середине между положениями соответствующей пары отверстий в другом ряду.
[146] Фиг.9 изображает структуру 302 ударного воздействия, которая имеет альтернативную рифленую конфигурацию в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения данного изобретения. В данном варианте выполнения рифленая структура расширяется, т.е. выполнена так, что грань 316 выступа является широкой, а выпускное отверстие 322 является узким. Как показано на чертеже, канал 310 выступа является узким у впускного отверстия 312. Боковые стенки 318 канала 310 расходятся или проходят под углом наружу от узкого впускного отверстия 312, так что канал 310 расширяется при приближении к поверхности обратной стороны грани 316 выступа. Канал 320 канавки имеет аналогичную конфигурацию, но с инвертированной ориентацией. То есть канал 320 канавки является узким у выпускного отверстия 322. Боковые стенки 318 канала 320 расходятся или проходят под углом наружу от узкого выпускного отверстия 322, так что канал 320 канавки расширяется при приближении к основанию 324. Следует понимать, что по сравнению с рифленой конфигурацией, показанной на фиг.6-8, конфигурации, аналогичные показанной на фиг.9, обеспечивают возможность наличия увеличенной площади поверхности грани 316 выступа, что предоставляет большую площадь поверхности для размещения ударных отверстий 214 с одновременной возможностью создания канала, в котором может собираться и течь к выпуску отработанный охладитель.
[147] При проектировании рифленых конфигураций, аналогичных показанной на фиг.9, было обнаружено, что определенные отношения ширины грани 316 выступа к ширине выпускного отверстия 322 обеспечивают улучшенные рабочие характеристики. Например, если ширина грани 316 выступа слишком велика по сравнению с шириной выпускного отверстия 322, то отверстие 322 может быть недостаточным для обеспечения приема достаточного потока отработанного охладителя в канавку 306. Следует понимать, что результатом этого может быть повышенный уровень поперечного потока отработанного охладителя. С другой стороны расчетного спектра, грань 316 выступа, которая является слишком узкой, может не иметь площади для достаточного числа отверстий 214, что может привести к недостаточному охлаждению областей целевой поверхности 210. В предпочтительных вариантах выполнения данного изобретения было установлено, что ширина грани 316 выступа должна быть в 2-5 раз больше ширины выпускного отверстия 322. В более предпочтительных вариантах выполнения ширина грани 316 выступа должна быть в 3-4 раза больше ширины выпускного отверстия 322.
[148] Фиг.10 изображает вырез, иллюстрирующий возможность использования варианта выполнения, показанного на фиг.9, в качестве патрубка 150 для ударного воздействия, ведущего к переходному отсеку 148 газотурбинного двигателя. Как показано на чертеже, патрубок 150 может быть расположен на некотором расстоянии от внешней поверхности переходного отсека 148. Продольные оси выступов 304 и канавок 306 могут быть выровнены с обеспечением параллельности направлению потока через переходной отсек 148. Таким образом, канавки 306 обеспечивают возможность эффективного прохождения потока отработанного охладителя к выпуску у входного края переходного отсека 148.
[149] Фиг.11 изображает структуру 302 ударного воздействия, которая имеет альтернативную рифленую конфигурацию. Фиг.7 изображает прямоугольную рифленую конфигурацию. Как показано на фиг.11, рифленая конфигурация данного изобретения также может представлять собой искривленную, волнистую или синусоидальную конфигурацию. Следует понимать, что в данном варианте выполнения грань 316 выступа является слегка искривленной и обычно имеет выпуклую поверхность, изогнутую в сторону полости для ударного воздействия. В данном типе варианта выполнения основание 324 канавки 306 также может быть слегка искривленным, однако следует понимать, что основание 324 обычно имеет вогнутую поверхность, изогнутую в сторону полости для ударного воздействия. В других вариантах выполнения кривизна может быть чрезмерно увеличена, так что создается вариант выполнения, аналогичный показанному на фиг.9 (т.е. вариант выполнения с широкой гранью 316 выступа и узким выпускным отверстием 322).
[150] Из вышеприведенного описания предпочтительных вариантов выполнения специалистам будут очевидны усовершенствования, изменения и модификации. Предполагается, что такие усовершенствования, изменения и модификации охватываются пунктами формулы изобретения. Кроме того, должно быть очевидно, что вышеизложенное относится только к описанным вариантам выполнения данного изобретения и что могут быть сделаны многочисленные изменения и модификации без отклонения от идеи и объема изобретения, определяемых приведенными ниже пунктами формулы изобретения и их эквивалентами.
ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ
| 100 | газотурбинный двигатель |
| 106 | компрессор |
| 110 | турбина |
| 112 | камера сгорания |
| 120 | роторные лопатки компрессора |
| 122 | статорные лопатки компрессора |
| 126 | роторные лопатки турбины |
| 128 | статорные лопатки турбины |
| 130 | трубчатая камера сгорания |
| 134 | головной узел |
| 136 | торцевая крышка |
| 138 | топливные форсунки |
| 140 | передний корпус |
| 142 | задний корпус |
| 144 | патрубок для потока |
| 146 | жаровая труба |
| 148 | переходной отсек |
| 150 | патрубок для ударного воздействия |
| 152 | задняя рама переходного отсека |
| 200 | традиционное устройство для ударного охлаждения |
| 202 | стенка |
| 204 | структура ударного воздействия |
| 206 | стрелка (горячие газы) |
| 208 | нагретая поверхность |
| 210 | целевая поверхность |
| 212 | полость для ударного воздействия |
| 214 | отверстие для ударного воздействия |
| 216 | полость для охладителя |
| 218 | стрелка (подача охладителя) |
| 220 | стрелка (струи охладителя) |
| 222 | выпуск полости |
| 224 | стрелка (отработанный охладитель) |
| 302 | структура ударного воздействия |
| 304 | выступ |
| 306 | канавка |
| 310 | канал выступа |
| 312 | впускное отверстие |
| 316 | грань выступа |
| 318 | боковые стенки |
| 320 | канал канавки |
| 322 | выпускное отверстие |
| 324 | основание 324 |
1. Структура (302) ударного воздействия в системе ударного охлаждения, имеющая отверстия (214) для ударного воздействия, выполненные с обеспечением пропускания потока охладителя и направления полученных струй охладителя на целевую поверхность, расположенную напротив указанной структуры (302), через образованную между ними полость (212), причем указанная структура (302) имеет рифленую конфигурацию, при этом указанная структура (302) расположена на расстоянии от целевой поверхности (210), и указанная целевая поверхность содержит внешнюю поверхность жаровой трубы (146), а указанная структура (302) содержит патрубок (144) для потока в камере сгорания газотурбинного двигателя, или целевая поверхность содержит внешнюю поверхность переходного отсека (148), а указанная структура (302) содержит патрубок (150) для ударного воздействия в камере сгорания газотурбинного двигателя.
2. Структура (302) по п.1, в которой со стороны охладителя расположена полость (216) для охладителя, через которую при работе направляется поток охладителя, так что охладитель нагнетается к указанной стороне охладителя структуры (302) и, таким образом, проходит через отверстия (214) для ударного воздействия, а с ударной стороны указанной структуры (302) расположена полость (212) для ударного воздействия.
3. Структура (302) по п.2, в которой рифленая конфигурация содержит параллельные чередующиеся выступы (304) и канавки (306), причем указанные выступы (304) представляют собой часть рифленой конфигурации, проходящую в направлении целевой поверхности, а указанные канавки (306) представляют собой часть рифленой конфигурации, расположенную углубленно по отношению к целевой поверхности, так что выступы (304) находятся ближе к целевой поверхности, чем канавки (306), и по меньшей мере большинство отверстий (214) для ударного воздействия расположены на выступах (304).
4. Структура (302) по п.3, в которой вдоль ее ударной стороны выступы (304) имеют грань (316), которая представляет собой широкую грань, образованную на внешних сторонах выступов (304), проходящую на расстояние длины выступов (304) и приблизительно параллельную целевой поверхности, а вдоль стороны охладителя указанной структуры (302) выступы (304) имеют канал (310), который проточно сообщается с полостью (216) для охладителя через впускное отверстие (312) и проходит по направлению к целевой поверхности от впускного отверстия (312) до грани (316) выступа, при этом вдоль ударной стороны указанной структуры (302) канавки (306) имеют канал (320), который представляет собой канал, начинающийся у выпускного отверстия (322) и проходящий от целевой поверхности до основания (324), которое расположено на большем расстоянии от целевой поверхности, чем грань (316) выступа.
5. Структура (302) по п.4, в которой канал (310) выступа выполнен таким образом, что во время работы охладитель входит в этот канал (310) у впускного отверстия (312), течет к грани (316) выступа и покидает указанный канал (310) через отверстия (214) для ударного воздействия, канал (320) канавки выполнен с обеспечением сбора отработанного охладителя после того, как охладитель ударяет в целевую поверхность, так что отработанный охладитель поступает в этот канал (320) канавки у выпускного отверстия (322), собирается в указанном канале (320) и затем течет вдоль продольной оси этого канала (320) к выпуску (222), и продольные оси канавок (306) выровнены в направлении выпуска (222).
6. Структура (302) по п.4, в которой боковые стенки (318) проходят от каждой стороны впускного отверстия (312) к соответствующей стороне грани (316) выступа, ограничивают канал (310) выступа от впускного отверстия (312) до грани (316) выступа и проходят от каждой стороны выпускного отверстия (322) к соответствующей стороне основания (324), при этом боковые стенки (318) ограничивают канал (320) канавки от выпускного отверстия (322) до основания (324).
7. Структура (302) по п.4, в которой, по существу, все отверстия (214) для ударного воздействия расположены на грани (316) выступа, при этом грань (316) выступа является либо, по существу, плоской, либо слегка искривленной, основание (324) является либо, по существу, плоским, либо слегка искривленным, и выступ выполнен таким образом, что его грань (316) находится в непосредственной близости от целевой поверхности.
8. Структура (302) по п.6, в которой рифленая конфигурация представляет собой расширяющуюся конфигурацию, так что канал (310) выступа является узким у впускного отверстия (312), и его боковые стенки (318) расширяются в наружном направлении от узкого впускного отверстия (312), так что канал (310) выступа расширяется при приближении к поверхности обратной стороны грани (316) выступа, а канал (320) канавки является узким у выпускного отверстия (322), и его боковые стенки (318) расширяются в наружном направлении от узкого выпускного отверстия (322), так что канал (320) канавки расширяется при приближении к основанию (324).
9. Структура (302) по п.4, в которой рифленая конфигурация представляет собой прямоугольную конфигурацию или синусоидальную конфигурацию, причем если рифленая конфигурация представляет собой синусоидальную конфигурацию, то грань (316) выступа имеет искривленную выпуклую поверхность, изогнутую в сторону полости (212) для ударного воздействия, а основание (324) имеет искривленную вогнутую поверхность, изогнутую в сторону канала (320) канавки.
