CN117514471A - 一种燃气轮机用复合隔热瓦及隔热屏结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了隔热瓦技术领域的一种燃气轮机用复合隔热瓦及隔热屏结构，包括陶瓷基复合材料的隔热盖板，隔热盖板的主隔热板的横向两端一体成型有连接压板，连接压板纵向延伸并使隔热盖板具有一横截面为T型的容纳槽；金属安装座，金属安装座包括容置于容纳槽中副隔热板，副隔热板的横向两端固定连接有与连接压板相配合的翼板；在副隔热板内部设有配气腔，副隔热板的热面上设有连通主隔热板和副隔热板之间冷却间隙与配气腔的第一出气孔。本发明复合结构和夹紧固定的方式，不仅可以减少陶瓷基复合材料的使用量，还可以避免隔热盖板上密封结构的精密加工，进而降低隔热瓦的加工成本和材料成本，同时减少冷却气的使用量，提高燃机效率。

Description

一种燃气轮机用复合隔热瓦及隔热屏结构

技术领域

本发明涉及隔热瓦技术领域，具体涉及一种燃气轮机用复合隔热瓦及隔热屏结构。

背景技术

工业重型燃机燃烧室内热燃气温度极高，局部温度高达1700k，常规耐热合金无法承受其高温，所以燃烧室内会设计相应的隔热结构或耐热涂层；对于地面重型燃机环形燃烧室体系的机型，通常采用陶瓷材料或金属瓦片进行隔热。

重型燃机作为调峰机组，频繁的启停和升降负荷是其工作常态。快速启停过程中燃烧室的冷侧和热侧温差变化剧烈，面对更高参数、更高效率、更低排放的需求，原陶瓷隔热瓦和金属隔热瓦的工作环境越来越偏离最初的设计目标，寿命出现了极大的缩减。

传统高温陶瓷材料使用较多的为氧化铝-莫来石系列材料，最大的特点便是材料能耐受高温，不惧高温氧化氛围，但对于生产型线复杂或者弯曲过大的型面，烧结前后尺寸控制较难；同时其耐热振性能差、寿命较短，在1200℃以上会发生相变失效。金属材料最大的特点是成型可控易加工，特别是随着金属打印技术的日趋成熟，制作形状复杂的产品变得比较容易。为了保证寿命和力学性能，在高温环境下长时间工作需要使用大量的冷却气对金属隔热瓦进行冷却。为了提高隔热瓦的隔热效果，同时提高燃机效率，对于金属隔热瓦，常规做法是通过优化金属隔热瓦的冷却结构和冷却方式，提高冷却效率并减少冷却气的使用，使燃机效率得到提升；但复杂的内部结构设计不仅意味着加工成本的增加，也意味着对设计能力要求的提高，而再高效的设计也无法改变基材耐热温度小于1000℃的限制。

陶瓷基复合材料(CMC)是一种新型陶瓷基复合材料，其具有优良的耐热性能、高熔点、高硬度、高比强度、高热导率和适中的热胀系数、优异的耐高温和抗烧蚀性能，是目前高温耐热陶瓷品类中最前沿的材料。在航发燃机高温燃烧室和透平叶片领域具有巨大的潜力和运用价值。相对于传统环形燃烧室所用的氧化铝系列材料会在1200℃及以上会发生相变失效的特点，C/SiC或者SiC/SiC复合材料具有稳定耐热1200℃的特性，因此在超高温工作环境下，仅需少量冷却气或者不需要冷却气也可长时间工作。同时，由于陶瓷基复合材料内部是复合材料形式，通过纤维增强的形式，其高温韧性极大加强，克服了传统陶瓷材料高温韧性不足，耐热振性能差的问题。

虽然CMC材料相对传统陶瓷和金属都有非常明显的优势，但因国外技术封锁和纤维出口限制，碳化硅类CMC复材的价格较为昂贵；同时，碳化硅复合材料的硬度非常高，加工难度和加工成本比金属大很多，难以制作精细的装配和密封结构。

因此，如何降低CMC材质隔热瓦的加工成本和材料成本，就成了本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种燃气轮机用复合隔热瓦，以解决现有CMC材质隔热瓦加工成本和材料成本高的技术问题。

本发明所采用的技术方案为：一种燃气轮机用复合隔热瓦，包括：

隔热盖板，所述隔热盖板包括主隔热板，所述主隔热板的横向两端一体成型有连接压板，所述连接压板纵向延伸并使隔热盖板具有一横截面为T型的容纳槽；

金属安装座，所述金属安装座包括容置于容纳槽中副隔热板，所述副隔热板的横向两端固定连接有与连接压板相配合的翼板，且所述主隔热板的冷面和副隔热板的热面之间形成冷却间隙；

其中，所述主隔热板上设有与冷却间隙连通的操作孔，所述副隔热板上设有与操作孔相对的安装孔，在所述副隔热板内部设有配气腔，所述副隔热板的热面上设有连通配气腔和冷却间隙的第一出气孔，所述副隔热板的冷面上设有与配气腔连通的进气导管；

所述隔热盖板的材质为陶瓷基复合材料。

优选的，所述副隔热板的纵向两端和翼板上设有第二出气孔。

优选的，所述翼板纵向的两端和中部设有导向凸块。

优选的，所述安装孔设置在副隔热板的中心位置。

优选的，所述配气腔环绕安装孔设置，并且在所述副隔热板上设有连通配气腔和安装孔的第三出气孔。

优选的，两个所述进气导管一一对应设置在安装孔的上下两侧。

优选的，所述容纳槽为纵向通槽。

本发明的第二目的在于提供一种隔热屏结构，包括上述的复合隔热瓦，还包括紧固螺栓和燃烧室缸体，多个所述复合隔热瓦沿水平方向和竖向方线性分布在燃烧室缸体上，所述紧固螺栓穿设在安装孔中并与燃烧室缸体螺纹连接，以使所述金属安装座将隔热盖板压紧固定在燃烧室缸体上。

优选的，相邻两个所述复合隔热瓦的冷却间隙水平连通。

优选的，相邻两个所述复合隔热瓦的冷却间隙竖向连通。

本发明的有益效果：

本发明采用复合结构和夹紧固定的方式，以陶瓷基复合材料制作的隔热盖板作为主隔热层，以金属材质的金属安装座作为副隔热层，并在隔热盖板的主隔热板的两端一体成型有连接压板，在金属安装座的副隔热板的两端一体成型有翼板，当金属安装座纵向容置于隔热盖板的容纳槽内时，可通过紧固螺栓与燃烧室缸体的螺纹连接，使金属安装座的两翼板对隔热盖板的两个连接压板施加水平压力，从而使隔热盖板夹紧固定于燃烧室缸体上；同时，在金属安装座的副隔热板的内部设有与进气导管连通的配气腔，并且在副隔热板的冷面上设有连接连通主隔热板和副隔热板之间冷却间隙和配气腔的第一出气孔，可通过少量的冷却气对主隔热层和副隔热层进行冷却，不仅可以减少陶瓷基复合材料的使用量，还可以避免隔热盖板上密封结构的精密加工，进而降低隔热瓦的加工成本和材料成本，同时减少冷却气的使用量，进而提高燃机效率。

附图说明

图1为本发明的燃气轮机用复合隔热瓦的结构示意图；

图2为本发明的燃气轮机用复合隔热瓦的第一视角立体图；

图3为本发明的燃气轮机用复合隔热瓦的第二视角立体图；

图4为隔热盖板的立体示意图；

图5为隔热盖板的主视图；

图6为金属安装座的立体示意图；

图7为金属安装座的侧视图；

图8为图7中的A-A视图；

图9为图7中的B-B视图；

图10为本发明的隔热屏结构的结构示意图。

图中附图标记说明：

10、隔热盖板；

11、主隔热板；12、连接压板；13、容纳槽；14、操作孔；

20、金属安装座；

21、副隔热板；22、翼板；23、安装孔；24、配气腔；25、第一出气孔；26、进气导管；27、第二出气孔；28、导向凸块；29、第三出气孔；

30、冷却间隙；

40、紧固螺栓；

50、燃烧室缸体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

实施例，如图1-图10所示；一种燃气轮机用复合隔热瓦，该复合隔热瓦包括：

隔热盖板10，该隔热盖板10的材质为陶瓷基复合材料，且隔热盖板10包括一主隔热板11，在主隔热板11的横向两端一体成型有横截面呈L型的连接压板12，该连接压板12纵向延伸并使隔热盖板10具有一横截面为T型的容纳槽13。

金属安装座20，该金属安装座20包括一副隔热板21，该副隔热板21纵向容置于容纳槽13中，在副隔热板21的横向两端固定连接有与连接压板12相配合的翼板22，且主隔热板11的冷面和副隔热板21的热面之间形成冷却间隙30。

其中，该主隔热板11上设有与冷却间隙30连通的操作孔14，该副隔热板21上设有与操作孔14相对的安装孔23；在副隔热板21内部设有配气腔24，在副隔热板21的热面上设有连通配气腔24和冷却间隙30的第一出气孔25，在副隔热板21的冷面上设有与配气腔24连通的进气导管26。

本申请采用复合结构和夹紧固定的方式，以陶瓷基复合材料制作的隔热盖板10作为主隔热层，以金属材质的金属安装座20作为副隔热层，并在隔热盖板10的主隔热板11的两端一体成型有连接压板12，在金属安装座20的副隔热板21的两端一体成型有翼板22，当金属安装座20纵向容置于隔热盖板10的容纳槽13内时，可通过紧固螺栓40与燃烧室缸体50的螺纹连接，使金属安装座20的两翼板22对隔热盖板10的两个连接压板12施加水平压力，从而使隔热盖板10夹紧固定于燃烧室缸体50上；同时，在金属安装座20的副隔热板21的内部设有与进气导管26连通的配气腔24，并且在副隔热板21的冷面上设有连接连通主隔热板11和副隔热板21之间冷却间隙30和配气腔24的第一出气孔25，可通过少量的冷却气对主隔热层和副隔热层进行冷却，不仅可以减少陶瓷基复合材料的使用量，还可以避免隔热盖板10上密封结构的精密加工，进而降低隔热瓦的加工成本和材料成本，同时减少冷却气的使用量，进而提高燃机效率。

需要说明的是，在本实施例中，该横向方向指的是图2中的双箭头方向，该纵向方向指的是图2中的单箭头方向。

在一具体实施例中，如图6、图8、图9所示，在副隔热板21的纵向两端和翼板22上设有第二出气孔27，也就是在副隔热板21的纵向两端的端面上沿横向方向间隔分布有多个第二出气孔27，该第二出气孔27与配气腔24连通，用于在副隔热板21的纵向两端面上形成气膜，实现对副隔热板21的冷却保护；同时，在翼板22的横向一侧沿纵向方向间隔分布有多个第二出气孔27，该第二出气孔27与配气腔24连通，用于在翼板22上形成气膜，实现对翼板22的冷却保护。

优选的，如图6所示，在翼板22的纵向两端和中部设有导向凸块28，该导向凸块28与容纳槽13的横向两端相配合，用于对金属安装座20在容纳槽13内的纵向移动进行导向，以保证隔热盖板10上的操作孔14与金属安装座20上的安装孔23正对。

在一具体实施例中，如图1、图2、图4、图6所示，该安装孔23设置在副隔热板21的中心位置，也就是在横向方向上，该安装孔23成型在副隔热板21的中部，在纵向方向上，该安装孔23成型在副隔热板21的中部。

该操作孔14设置在主隔热板11的中心位置，也就是在横向方向上，该操作孔14成型在主隔热板11的中部，在纵向方向上，该操作孔14成型在主隔热板11的中部。

如此设置，是因为：在现有技术中，隔热瓦都是通过穿设在安装孔23中的紧固螺栓40固定安装在燃烧室缸体50上；在本实施例中，将安装孔23设置在副隔热板21的中心位置，并在主隔热板11的中心位置设置操作孔14，当金属安装座20容置在隔热盖板10的容纳槽13内后，操作孔14能够与安装孔23同轴正对，便于使用旋拧工具旋拧紧固螺栓40。

优选的，如图6、图7、图8、图9所示，该配气腔24整体呈环状，且配气腔24环绕安装孔23设置一周，并且在副隔热板21上设有连通配气腔24和安装孔23的第三出气孔29，也就是在副隔热板21上开设有多个第三出气孔29，该第三出气孔29能够将配气腔24内的冷却气引流至安装孔23中，用于对紧固螺栓40进行气膜冷却保护。

更优选的，多个第三出气孔29环绕安装孔23等间隔分布。

再优选的，如图3、图7、图9所示，在副隔热板21的冷面上固定连接有两个进气导管26，且两个进气导管26一一对应设置在安装孔23的上下两侧，该进气导管26轴向延伸并与配气腔24连通，用于向配气腔24输送冷却气。

在一具体实施例中，如图4、图5所示，该容纳槽13为纵向通槽，也就是容纳槽13的两端纵向延伸并贯穿隔热盖板10，以便于将隔热盖板10纵向滑动套于金属安装座20外侧。

实施例，如图10所示，一种隔热屏结构，包括上述的复合隔热瓦，还包括紧固螺栓40和燃烧室缸体50，该复合隔热瓦的数量为多个，且多个复合隔热瓦沿水平方向和竖向方线性分布在燃烧室缸体50上；该紧固螺栓40穿设在安装孔23中，且紧固螺栓40的一端螺纹连接在燃烧室缸体50上的螺纹安装孔内，并使金属安装座20将隔热盖板10压紧固定在燃烧室缸体50上。

在一具体实施例中，相邻两个复合隔热瓦的冷却间隙30水平连通，也就是相邻两个复合隔热瓦的隔热盖板10的容纳槽13沿水平方向设置并连通。

在一具体实施例中，相邻两个复合隔热瓦的冷却间隙30竖向连通，也就是相邻两个复合隔热瓦的隔热盖板10的容纳槽13沿竖向方向设置并连通。

本申请的复合隔热瓦的工作原理如下：

本申请采用SiC_f/SiC系列的陶瓷基复合材料制作隔热盖板10，然后通过局部精加工保证装配面尺寸，并采用铸造或者增材制造的方式制作金属安装座20，通过精加工保证装配尺寸。在使用时，先将紧固螺栓40安装在金属安装座20的安装孔23中，然后将隔热盖板10滑动套设在金属安装座20外侧，最后将组合后的复合隔热瓦安装在燃烧室缸体50上，通过紧固螺栓40进行锁紧固定。

本申请以陶瓷基复合材料的隔热盖板10为主隔热层，主隔热层的热面直对火焰高温区，冷面被金属安装座20表面排出的冷却气冷却；以金属安装座20为副隔热层，负责装夹紧固隔热盖板10和冷却气分配；冷却气从金属安装座20冷面上的进气导管26流入金属安装座20内部的配气腔24，然后从金属安装座20的热面和四周的出气孔排出，从而实现对隔热盖板10和金属安装座20的冷却。

相较于现有技术，本申请至少具有以下有益技术效果：

本申请中的隔热瓦采用复合夹层结构，不仅能充分利用金属造型便利、加工成本低、一致性好的特点，也能够利用陶瓷基复合材料优异的耐高温、抗热振好特性，使得隔热瓦的成本可控且性能优异。

本申请采用陶瓷基复合材料与金属相结合的复合结构，充分利用了陶瓷基复合材料的超高耐温、耐高温热振特性和金属的造型便利优势，相对于传统隔热陶瓷瓦，复合陶瓷材料的耐热振性能大幅提高，面对更高运行参数和更恶劣运行工况更有优势；相对于传统金属隔热瓦，表层为陶瓷基复合材料，能节约大量的高压冷却气，进而提高燃机效率；同时，复合隔热瓦的夹层设置也能对陶瓷基复合材料加工困难和成本高的缺点进行弥补，使得复合隔热瓦的性能优异且成本可控。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃气轮机用复合隔热瓦，其特征在于，包括：

隔热盖板(10)，所述隔热盖板(10)包括主隔热板(11)，所述主隔热板(11)的横向两端一体成型有连接压板(12)，所述连接压板(12)纵向延伸并使隔热盖板(10)具有一横截面为T型的容纳槽(13)；

金属安装座(20)，所述金属安装座(20)包括容置于容纳槽(13)中副隔热板(21)，所述副隔热板(21)的横向两端固定连接有与连接压板(12)相配合的翼板(22)，且所述主隔热板(11)的冷面和副隔热板(21)的热面之间形成冷却间隙(30)；

其中，所述主隔热板(11)上设有与冷却间隙(30)连通的操作孔(14)，所述副隔热板(21)上设有与操作孔(14)相对的安装孔(23)，在所述副隔热板(21)内部设有配气腔(24)，所述副隔热板(21)的热面上设有连通配气腔(24)和冷却间隙(30)的第一出气孔(25)，所述副隔热板(21)的冷面上设有与配气腔(24)连通的进气导管(26)；

所述隔热盖板(10)的材质为陶瓷基复合材料。

2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机用复合隔热瓦，其特征在于，所述副隔热板(21)的纵向两端和翼板(22)上设有第二出气孔(27)。

3.根据权利要求2所述的一种燃气轮机用复合隔热瓦，其特征在于，所述翼板(22)纵向的两端和中部设有导向凸块(28)。

4.根据权利要求1所述的一种燃气轮机用复合隔热瓦，其特征在于，所述安装孔(23)设置在副隔热板(21)的中心位置。

5.根据权利要求4所述的一种燃气轮机用复合隔热瓦，其特征在于，所述配气腔(24)环绕安装孔(23)设置，并且在所述副隔热板(21)上设有连通配气腔(24)和安装孔(23)的第三出气孔(29)。

6.根据权利要求4所述的一种燃气轮机用复合隔热瓦，其特征在于，两个所述进气导管(26)一一对应设置在安装孔(23)的上下两侧。

7.根据权利要求4所述的一种燃气轮机用复合隔热瓦，其特征在于，所述容纳槽(13)为纵向通槽。

8.一种隔热屏结构，包括权利要求1-7任意一项所述的复合隔热瓦，其特征在于，还包括紧固螺栓(40)和燃烧室缸体(50)，多个所述复合隔热瓦沿水平方向和竖向方线性分布在燃烧室缸体(50)上，所述紧固螺栓(40)穿设在安装孔(23)中并与燃烧室缸体(50)螺纹连接，以使所述金属安装座(20)将隔热盖板(10)压紧固定在燃烧室缸体(50)上。

9.根据权利要求8所述的一种隔热屏结构，其特征在于，相邻两个所述复合隔热瓦的冷却间隙(30)水平连通。

10.根据权利要求8所述的一种隔热屏结构，其特征在于，相邻两个所述复合隔热瓦的冷却间隙(30)竖向连通。