燃烧器部件及制造燃烧器组件的方法 |
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| 申请号 | CN200510054244.9 | 申请日 | 2005-02-12 | 公开(公告)号 | CN1740641B | 公开(公告)日 | 2011-01-19 |
| 申请人 | 通用电气公司; | 发明人 | C·D·杨; B·A·纳加拉; D·A·埃利奥特-路易斯; J·L·米勒; K·S·奥哈拉; | ||||
| 摘要 | 一种 涡轮 发动机 燃烧器 部件(14/18/26/38/52)，例如 反射器 (52)，包括在燃烧器内部(11)的内表面(40)和背离内部(11)的外表面(41)，其包括耐高温 合金 的主体(42)，耐 高温合金 具有抗热 腐蚀 和抗热 氧 化性能的组合性能，从而不必涂覆外表面(41)。在一 实施例 (52)中，内表面(40)包括环境阻隔的涂层(53)，该涂层包括陶瓷基的 隔热 涂层 (56)。在某些形式中，涂层(53)包括位于陶瓷基涂层(56)之下的含有A1的内涂层(54)。在另一实施例(26)中，部件(26)包括空冷通道(48)，该部件基本不涂覆。提供这种部件(14/18/26/38/52)，可以先完成包括若干部件(14/18/26/38/52)在内的整个燃烧器(10)的组装，然后再同时涂覆所有内表面(17/40)，而不是在组装之前单独地涂覆。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种位于燃烧器内部(11)的涡轮发动机燃烧器部件，该燃烧器部件包括： |
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| 说明书全文 | 燃烧器部件及制造燃烧器组件的方法[0001] 发明领域 背景技术[0003] 在涡轮发动机，例如燃气轮机发动机的运行过程中，环境中的空气流入一压缩机，该压缩机将压缩后的空气排入一燃烧系统中的一燃烧器。在该燃烧器中，压缩空气与燃料的混合物被点燃，以向涡轮机系统的下游提供压缩燃烧产物，该涡轮机系统从燃烧产物中提取能量，以提供涡轮机所需的运行。公知的涡轮机燃烧系统及部件有多种，例如在授予Robert，Jr等人的美国专利US5117624；授予Kress等人的美国专利US5289687；授予Weil等人的美国专利US5355668中所公开的。 [0004] 在燃气轮机领域中公知的是，燃烧器内的这种燃烧可以使温度提高到大约3000 。此外，由于在高速流动的流体中氧的存在，暴露于燃烧着的燃料和压缩空气的燃烧器部件的内表面受到非常高的高温，处于热腐蚀和氧化条件下。这种燃烧器部件的例子包括在本领域中称之为反射器的(有时称为防溅板、挡板或热屏)部件、中心体、涡旋杯以及燃烧器管系及管段，上述各部件都包括一个暴露于燃烧器内部的表面，在运行时燃烧在燃烧器内部进行。由于这样的运行条件，在实践中，采用耐高温性能的合金制造包括至少一个暴露于这样的高温和条件的内表面的燃烧器部件，并在这样的内表面上涂覆一种耐高温环境的涂层或涂层系。有时向这种部件提供冷却空气，或者使冷却空气流过这种部件内，以降低部件运行时的温度。一般地，单独地涂覆几个这样的燃烧器部件，然后将它们与其它相关部件组装成一个燃烧器。 [0005] 特别相关的燃烧器部件的一个例子是安装在轴向上向前的拱顶结构上的一反射器，压缩空气和燃料通过该拱顶结构提供给燃烧器。反射器安装于拱顶结构的热的一侧，或者说内侧，以提供对热气辐射或对流的阻挡或热屏蔽。从涡旋杯出口排入燃烧区的燃料或者说火舌通常沿着反射器表面形成膜，导致反射器外边缘形成滞流区或循环区。在这种循环区的高燃料空气比使得反射器边缘保持着燃烧火焰。这可导致局部的气体温度高到足以引起反射器边缘迅速氧化或熔融，并产生有助于反射器其它表面热腐蚀的环境。已经观察到类似结果的燃烧器部件的另一个例子是空心中心体，其作用是在一种环形燃烧器系统中部分形成内外环形燃烧器部分。 [0006] 过去施加到暴露于这种条件下的燃烧器部件表面的环境防护涂层包括一公知的内涂层或者说粘结涂层和广泛报道的MCrAl型基材，其中的M表示Fe、Co和Ni中至少一种元素。从报道中得知，这种基材包括附加元素，例如Y、Hf、Pt、Rh、Si、Zr及其它元素中至少一种。一个典型的例子是NiCrAlY涂层。Gupta的美国专利US4897315中描述了一些关于MCrAl型涂层的背景技术和典型的知识。实践中有人使用MCrAl型涂层作为外陶瓷基隔热涂层(TBC)的一粘合层，其形式之一是以大约3-20重量百分比的氧化钇稳定的氧化锆，特别是以大约8％氧化钇稳定的大约92％的氧化锆。与此相似类型的涂层系统在授予Gupta等的美国专利5771577中描述过。使用这种涂层组合在制造上的一个优点是，可以通过一种称为空气等离子喷射(APS)的商业上可获得的方法施加粘接涂层和外陶瓷TBC。 [0007] 另一种已经用于燃烧器部件的成本更高的保护涂层系是一种以Pt来扩散以提供一PtAl内涂层的铝化物。然后通过电子束等离子体蒸发沉积(EB-PVD)法在PtAl涂层上沉积上述TBC。目前的反射器在组装之前至少在包括暴露于燃料燃烧的内表面在内的一面单独地涂覆，有时在远离燃烧器内表面的外表面上涂覆。因此，PtAl/TBC型涂层与一种有利的高温合金结合使用，这种高温合金具有良好的抗高温氧化性能，这样就可以提供一种加强了运行性能的部件。 [0008] 提供一种由不仅具有良好的抗氧化性而且具有出色的抗热腐蚀的性能改善了的高温合金制成的燃烧器部件，例如一反射器部件，这最多只需要对暴露于燃烧器内部的表面涂覆一高温环境涂层。这样就可以在涂覆之前将该部件与其它部件组装，然后再对整个组件而不是单独的部件进涂覆，对无需涂覆的部分，用任何适合的方式遮挡都可。这种材料与工艺的组合提高了燃烧器的运行性能，同时降低了制造成本。 [0009] 本发明概述 [0010] 本发明一方面提供一种涡轮发动机燃烧器部件，其设置在燃烧器内部，并包括至少一个直接暴露于燃烧器内部的燃料燃烧的表面。该部件包括一个由一种合金制成的主体，该合金由Fe、Co、Ni中的至少一种为主要成分。该合金的耐高温能力大约在1300-2300 范围内，其性能包括在该温度范围内抗热腐蚀和抗氧化。这种合金的抗热腐蚀性这样限定和测定，即，在本领域中公用的一燃烧器测试装置中，在1500-1700 的温度下循环，暴露于大约2ppm海盐的气体介质中大约1000小时后，合金表面的腐蚀深度小于 0.01英寸。这种合金的抗氧化性这样来限定和测定，即，在循环测试大约120小时后合金表面损失小于0.001英寸，测试是在一种氧化气流中进行的，例如典型的燃气轮机燃料燃烧产品，气流速度大约为1马赫，大约每小时20个循环，温度为从环境温度到2150 。部件主体包括一个部件主体内的第一表面，其大致朝向并暴露于燃烧器内部及燃烧燃料，还包括一个部件主体外的第二表面，其大致背向并不直接暴露于燃烧器内部。 [0011] 在一个实施例中，部件主体包括一个耐高温环境涂层系，其包括一陶瓷基的隔热涂层，该隔热涂层在部件主体内的第一表面上。主体外的第二表面基本上不涂覆。在一种形式中，本实施例包括一个内涂层或粘接涂层，其包括部件主体的内部的第一表面上的Al，还包括在该内涂层上的陶瓷基隔热涂层。 [0012] 在另一实施例中，部件主体基本上是不涂覆的，其内有若干空冷通道，这些通道从部件主体的内表面延伸到部件主体外表面。 [0013] 在本发明的方法中，将若干主体表面未涂覆的上述涡轮发动机燃烧器部件组装成一个燃烧器，然后，用空气喷射法基本上同时对组装好的燃烧器燃烧室部件的主体内第一表面涂覆以一耐高温环境的涂层。 [0015] 图1是沿着涡轮发动机纵轴线示出的部分剖面图，图中示出了一个双拱环形燃烧器，包括径向看上去的内外燃料和压缩空气供给组件。 [0016] 图2是图1所示的径向看上去的外燃料和压缩空气供给组件的一放大的局部剖视图。 [0017] 图3为图2所示组件的局部透视图。 [0018] 图4为图2中的一部分的放大的局部剖视图，示出了涂覆后的燃烧器反射器部件。 [0019] 图5为图4的一部分的放大的剖视图。 [0020] 本发明详述 [0021] 图1剖视出了一种形式的燃气轮机发动机燃烧器组件的一部分，图中以10表示，有时称为燃烧器，这种发动机例如用于驱动飞机。然而，本发明也可以用于其它形式的燃烧器组件。燃烧器10具有燃烧器内部11，这种燃烧器包括一围绕着发动机轴线12在周向上设置的环形双拱结构。燃烧器10包括支撑在外发动机壳体16上的环形的外燃烧器衬管14，以及支撑在环形的内发动机壳体20上的环形的内燃烧器衬管18，其在径向上与外燃烧器衬管14隔开，位于该外衬管的径向向内的位置。燃烧器衬管14和18包括朝向并暴露于燃烧器内部11的内表面17和不暴露于燃烧器内部11的外表面19。图中剖视出了某些形式的燃烧器衬管14和18；其中有些是空冷的，内有空气通道或孔穿过。外衬管14通过外拱形支撑件22联接于径向上靠外的拱顶结构21。与此相似，内衬管18通过内拱形支撑件 24联接于径向上靠内的拱顶结构23。通过外拱顶结构21与内拱顶结构23之间的支撑件 22和24，连接成了一种典型的环形空心中心体26。 [0022] 各拱形结构21和23包括若干沿周向隔开的汽化器30，这些汽化器由拱形支撑件22和24支撑，排列成内外周向阵列，喷射出的压缩空气和燃料流过该阵列并通过该阵列混合，以便在燃烧器10的内部11点燃。在本实施例中，为了便于说明，示出的汽化器30基本上都相同，实际上他们可以根据需要设计成不同的尺寸。各汽化器30包括一个从供油杆34延伸出的燃油注射嘴32，供油杆由外壳16支撑，并在径向上向外壳之内延伸，与外壳隔开一定距离，其向喷嘴32提供排出的燃料。各汽化器30还包括一个扩散状的涡旋器或者称为涡旋杯38，在本实施例中，反射器主体42与涡旋杯相联。在图2和4中详细地示出，反射器主体42包括一第一主体内表面40，其基本上朝向并暴露于燃烧器内部11，还包括一第二主体外表面41，其基本上背向燃烧器内部11，不暴露于燃烧器内部。反射器主体42分别通过支撑件22和24由外衬管14和内衬管18支撑。在一位于轴向上前面的压缩机内压缩的压缩空气44不仅提供用来进行燃烧器内的燃烧，而且用于冷却燃烧器的部件，例如，通过使扩散的冷却空气流过图2和4中的与反射器42相邻的冷却孔28和图1中位于中心体 26中的冷却孔48。对于这样的燃烧，空气44流过涡旋器38，与来自燃料喷嘴32的燃料36混合，提供一种预选的燃料/空气混合物，以供典型的点火器(未示出)点燃，并在拱顶21和23中燃烧。这种燃烧所产生的气体燃烧产物46沿轴向从燃烧器10中排出。图2以剖面示出了一个外拱形结构21中的一汽化器30的放大的详细视图，图3示出了图2中的汽化器30、反射器42和相关结构的局部剖视图。 [0023] 必须对诸如拱形支撑件22和24等的燃烧器的拱顶结构保护，使其免受燃烧过程中产生的很强的热。因此，反射器42位于拱顶结构的受热一侧，以提供一防止热气体辐射和传导的屏障，所述拱顶结构包括朝向并暴露于燃烧室内部11的燃料/空气混合物的燃烧的反射器第一内表面40，这里朝向一词的含义是基本上指向。已经确认，从扩散状的涡旋杯38排入燃烧区域的燃料36沿着反射器第一内表面40形成膜，这在反射器的第一表面边缘部分50形成滞流或循环区域。边缘部分50处的高燃料/空气比保持了该部分的燃烧火焰，这使得该局部的高温足以导致反射器边缘部分50迅速氧化或熔融，并形成一种使反射器第一内表面40的其它表面易于热腐蚀的环境。在诸如中心体26等燃烧器的其它部件上也观察到了类似的氧化和/或热腐蚀现象。 [0024] 在一些以前使用的这类燃烧器中，反射器主体42由高温Ni基超合金制成，在组装之前，在第一内表面40上涂覆以如上所述的环境阻隔涂层系，然后再组装成附图所示。一个例子是，反射器主体42由市售的Mar M509合金制成，在表面40上覆以空气等离子体喷射(APS)的NiCrAlY系作为粘接涂层，在该粘接涂层上再涂覆以上述APS TBC。以前使用TM的改进组合的另一个例子是，反射器主体42由Rene N5Ni基的超合金制成，这种超合金的形式在US5173255和6074602中更详细地描述过，组装之前，在表面40上涂覆以上述PtAl/EB-PVDTBC系。这样的涂层系过去用来提高部件的寿命，同时由于能够提高发动机的运行温度，也可提高发动机的效率，这已经在过去的使用中证明基本上是性能良好的。然而，在某些使用场合下，希望改进结构合金与涂层系的结合，以获得更大的温度-热循环时间能力，以具有更长的工作周期或更高的运行温度。此外，采用在涂覆之前就可组装燃烧器部件的涂层系可以显著地减少制造成本。 [0025] 按照本发明的一个方面，燃烧器部件，例如反射器42的主体由由一种具有改进的出色的抗热腐蚀性和良好的抗高温氧化性的耐高温合金制成。在这样的主体的第一内表面40上涂覆一种耐高温环境涂层。在一个例子中，可以在第一内表面40上涂覆以一种陶瓷基的隔热涂层。在另一例子中，在第一内表面40上涂覆以一种包括Al的内涂层，在该包含Al的内涂层上涂覆以一种陶瓷基的隔热涂层作为外涂层，这样构成一涂层系。所述耐高温合金的耐高温能力在1300-2300 范围内，并具有抗热腐蚀性在内的多种性能，其耐腐蚀性限定并测定为小于0.01英寸合金表面腐蚀深度，测试条件是，暴露于大约2ppm海盐的一种气体介质中，在1500-1700 的温度下在一本领域中常用的燃烧器装置中循环大约1000小时。与这种抗热腐蚀性结合，这种合金还包括抗氧化性，其限定并测定为合金表面损失低于0.001英寸，试验条件为，在一种氧化气流中循环试验大约120小时，这种气体例如为一种燃气轮机的燃烧产物，速度大约为1马赫，每小时循环大约20周期，温度为从环境温度到TM 2150 。这种合金的例子包括高Ni基超合金，其一些形式称之为Rene N-2合金，对此更全面的描述见O’Hara等人于2002年12月6日申请并转让给本申请人的系列号为10/314083的共悬未决的专利申请。这样的Ni基合金包括(按重量百分比)：大约1-3份铼、大约6-9份铝、大约4-6份钽、大约12.5-15份铬、大约3-10份钴、大约2-5份钨，其余基本为Ni和杂质。在一些形式中，这种合金包括重量百分比大约在0-1范围内的微量元素，例如钛、铪、硅、钼和/或铌。 [0026] 某些目前使用的高温Ni基超合金(例如上面的ReneTMN-5)被认为在2000 以上的温度时具有杰出的强度和抗氧化能力。然而，在某些高温恶劣的环境下，例如在燃烧器内部，发现它们的抗热腐蚀性不理想。例如，在上述热腐蚀试验中使用一种气体，例如，包括2ppm海盐的燃烧气体，测试样品在1500 -1650 的温度下每个小时一周期地循环共1039个小时，ReneTMN-2合金样品的总腐蚀深度小于0.01英寸每侧，达到总腐蚀为0.002英寸每侧。ReneTMN-5的性能不能用这种方法测试出，因为其在350小时后就被完全腐蚀，完全毁坏，在此试验点的腐蚀为0.065英寸每侧。当按照上述马赫数为1的循环氧化试验时，这两种合金基本上相同，合金表面损失低于0.001英寸。因此，本发明的一个方面提供一种涡轮发动机燃烧器部件，其使用的合金具有所述改进的与部件主体结合的性能。在一更具TM 体的形式中，所述部件主体由上述Rene N-2合金制成。 [0027] 本发明的一实施例，例如如图所示的，为一种燃烧器部件，其主体由一种合金制成，该合金包括上述性能，在其大致朝向燃烧器内部的第一内表面上结合有一种特殊的涂层系。大致背向并且不暴露于燃烧器内部的第二外表面基本上不涂覆。所述主体第一内表面上的涂层系包括一含有Al的内涂层和涂覆在该内涂层上的陶瓷基的隔热外涂层。这种组合在图4中以放大的局部剖视图示出，在图2中也示出了一部分。在图4中以52表示的涂覆后的燃烧器反射器部件包括主体42，其包括大致朝向并暴露于燃烧器内部11的第一内表面40和大致背向并且不直接暴露于燃烧器内部11的第二外表面41。在第一内表面40上的是一种耐高温环境的涂层53，例如一种包括内涂层54和其上的外涂层56的涂层系。内涂层54为一种含有Al的金属涂层。在一优选形式中，内涂层54为上述MCrAl-型，其一种形式为NiCrAlY合金，其可以通过APS沉积。外涂层56为一种陶瓷基的隔热涂层，其一种形式为上述的锆基TBC，其可以通过APS施加。 [0028] 已经观察到，这种合金主体与涂层系的结合提供了一种燃烧器部件，例如涂覆后的反射器52，或者一种涂覆在衬管的内表面62上的燃烧器衬管14和18。与目前的类似部件相比，这种燃烧部件性能更好，更耐用，修复性能也更好，而成本却较低。通过采用可以利用APS施加的内外涂层的结合，燃烧器部件可先组装好，然后基本上同时涂覆选择的部件的内表面。 [0029] 用于接收外TBC的内涂层54的另一种形式为在图5中以剖面局部示出的两层涂层，其示出了图4中涂覆好的反射器52的一部分。在该实施例中，涂层54包括一致密的微观组织的第一或内层55和一第二或外层57，该外层提供了一粗糙的表面，以加强外TBC涂层56的粘合性。在一个例子中，第一或内层55具有大约90-100％的第一密度和约50-200微英寸范围内的第一表面粗糙度。设置在第一或内层55上的第二或外层57具有大约60-90％的密度和大约300-800微英寸的粗糙度，以加强外TBC涂层的粘合性。 [0030] 如上所述，采用了可以通过APS施加的涂层系，就可以在组装整个燃烧器部件之后再对部件的朝向燃烧器内部的选定表面进行涂覆。按照本发明的方法，若干涡轮发动机部件，例如结合图1描述的部件，可以具有未涂覆的主体表面。这样的部件先被组装成一个燃烧器，然后再与诸如内外壳体20和16以及燃料杆34等相关的和支撑的结构组装成燃烧器组件。用市售的遮挡材料，例如通用于涂覆领域的等离子喷射罩带将选定的不涂覆表面遮挡起来。例如，只需涂覆组装好的反射器主体的第一内表面40，则将所有暴露于涂覆沉积物的周围的部件表面罩起来。然后，用一种空气喷射方法将包括两部分的涂层系施加于反射器的第一内表面40，该方法在同一操作中基本上同时将涂层的各部分施加到整个内表面40上。在一个例子中，利用APS将NiCrAlY作为内涂层54施加到表面40上。然后，利用APS将包括以氧化钇稳定的氧化锆的陶瓷基TBC作为外涂层56施加到涂层54上。 [0031] 在本发明的另一实施例中，涡轮发动机燃烧器部件，例如图1中示出的空心中心体26或燃烧器衬管14和/或18，或这种燃烧器衬管的一段包括一由上述合金制成的并且基本上未涂覆的部件主体。为了使该部件具有足够的使用寿命和理想的循环寿命，同时在燃烧器内部的强高温环境下基本上未涂覆地运行，部件主体包括若干流过其内的冷却空气通道。在这种实施例中，具有所述限定性能的合金主体与穿过部件的冷却通道的结合使部件能够承受涡轮发动机燃烧器内部环境并在这种环境中运行。这种通道的一个例子是图1中的空冷通孔48，其从部件主体的外表面58延伸到暴露于燃烧器内部11的部件主体的内表面60。 [0032] 上面结合具体的例子、实施例、结构、材料和方法描述了本发明。然而应该理解，它们只是本发明的典型和代表，而不是为了以任何方式限定本发明的范围。熟悉所涉及到的任何领域(例如涉及涡轮发动机和金属和非金属材料及涂层)的人应该理解，本发明在不背离权利要求书的范围的前提下可以改变和改善。 [0033] 附图标记明细 [0034] 10燃烧器 [0035] 11燃烧器内部 [0036] 12发动机轴线 [0037] 14外衬管 [0038] 16外壳 [0039] 17衬管内表面 [0040] 18内衬管 [0041] 19衬管外表面 [0042] 20内壳 [0043] 21外拱顶结构 [0044] 22外拱形支撑件 [0045] 23内拱顶结构 [0046] 24内拱形支撑件 [0047] 26中心体 [0048] 28反射器42内的空冷孔 [0049] 30汽化器 [0050] 32燃料喷嘴 [0051] 34燃料杆 [0052] 36燃料 [0053] 38涡旋器 [0054] 40反射器内表面 [0055] 41反射器外表面 [0056] 42反射器主体表面 [0057] 44空气流 [0058] 46燃烧气体 [0059] 48中心体26内的冷却孔 [0060] 50反射器面的边缘部分 [0061] 52涂覆后的反射器 [0062] 53涂层 [0063] 54内涂层 [0064] 5554的内层 [0065] 56外涂层 [0066] 5754的外层 [0067] 58中心体外表面 [0068] 60中心体内表面 |
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