激光包覆燃料喷射器预混筒 |
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| 申请号 | CN201380010953.X | 申请日 | 2013-03-01 | 公开(公告)号 | CN104169650A | 公开(公告)日 | 2014-11-26 |
| 申请人 | 索拉透平公司; | 发明人 | A·I·克里彻韦; R·A·科尔二世; P·巴克; B·E·斯塔克; J·P·蒙塔古; | ||||
| 摘要 | 一种用于燃气 涡轮 发动机 (10)的 燃料 喷射器(12)包括围绕纵轴线(50)设置的中心体(36)和从中心体径向向外设置以在中心体和预混筒之间限定环形通道(16)的预混筒(26)。环形通道可以从上游端延伸至下游端，上游端配置成 流体 联接到 压缩机 (2)，下游端配置成流体联接到 燃烧器 (14)。预混筒可以包括位于上游端的第一部分(24)和位于下游端的第二部分(22)。第一部分可以包括不锈 钢 材料，并且第二部分可以包括基于镍的超级 合金 材料。第二部分可以通过激光包覆联接联接到第一部分。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于燃气涡轮发动机(10)的燃料喷射器(12)，包括： |
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| 说明书全文 | 激光包覆燃料喷射器预混筒技术领域背景技术[0002] 在典型燃气涡轮发动机中，一个或多个燃料喷射器将燃料引入用于燃烧的燃烧室(叫做燃烧器)。燃料在燃烧器中燃烧产生热量。在一些应用中，燃烧器中的温度可以高达大约1800°F。联接到(或接近)燃烧器的燃料喷射器的部件暴露于这些高温下。为了使温度有关的损害最小化，这种部件典型地由具有高抗蠕变性和机械强度的合金制成。然而，这种合金很贵，并且可能增加这些部件的成本。 [0003] 美国专利No.6056507描述了一种燃气涡轮发动机涡轮叶片组件，其具有基于镍的超级合金叶片梢，叶片梢通过钎焊附于钢本体。在’507专利中，组件的成本通过仅在需要的区域使用更贵的超级合金而降低。 发明内容[0004] 在一个方面，公开一种用于燃气涡轮发动机的燃料喷射器。燃料喷射器可包括围绕纵轴线设置的中心体和从中心体径向向外设置以限定中心体和预混筒之间的环形通道的预混筒。环形通道可以从上游端延伸至下游端，上游端配置成流体联接到压缩机，下游端配置成流体联接到燃烧器。预混筒可以包括位于上游端的第一部分和位于下游端的第二部分。第一部分包括不锈钢材料，并且第二部分包括基于镍的超级合金材料。第二部分可以通过激光包覆联接联接到第一部分。 [0005] 在另一个方面，公开一种制造燃气涡轮燃料喷射器的预混筒的方法。该方法可以包括在沿纵轴线延伸的管状部件上加工环形凹槽，并且使用激光包覆将覆层沉积到凹槽上。该方法还可以包括加工包覆过的管状部件以形成预混筒。预混筒可以包括作为中空管从管状部件的一端沿纵轴线延伸的覆层。 [0006] 在另一个方面，公开一种制造燃气涡轮燃料喷射器的预混筒的方法。该方法可以包括沿管状部件的长度产生环形凹槽和使用激光包覆将覆层沉积在凹槽上。该方法还可以包括加工包覆过的管状部件以形成预混筒。加工可以包括移除沉积的镀覆下面的管状部件的至少一部分以暴露覆层的底表面。 [0007] 在另一个方面，公开一种用于燃气涡轮发动机的燃料喷射器的预混筒。预混筒可以包括沿纵轴线从第一端延伸至第二端的基本管状本体。管状本体可以包括由第一材料制成的接近第一端的第一部分和由第二材料制成的接近第二端的第二部分。第一部分可以具有第一内直径和第一外直径，并且第二部分可以具有第二内直径和第二外直径。第二部分可以通过激光包覆联接联接到第一部分。附图说明 [0008] 图1是示例性公开的涡轮发动机的剖视图； [0009] 图2是图1的涡轮发动机的示例性燃料喷射器的部分的截面图； [0010] 图3是示出图1的燃料喷射器的预混筒制作方法的流程图；并且 [0011] 图4A-4D是示出图3中的方法的步骤的示意图。 具体实施方式[0012] 图1示出可以用在任何应用中的示例性燃气涡轮发动机10。涡轮发动机10可以包括压缩机部分2、燃烧器部分4、涡轮部分6和排气部分8。燃烧器部分4包括一个或多个燃料喷射器12，燃料喷射器12混合燃料和压缩空气，并将燃料-空气混合物导入用于燃烧的燃烧器14。燃料-空气混合物的燃烧产生高压高温的燃烧气体。这些燃烧气体被导入涡轮部分6，涡轮部分6从这些燃烧气体中吸取能量，并且将用过的废气通过排气部分8导入大气。燃烧器14中燃料-空气混合物的燃烧加热燃烧器14的壁和与其关联的部件。 [0013] 图2示出联接到涡轮发动机10的燃烧器14的示例性燃料喷射器12的部分的截面图。燃料喷射器12包括具有联接到燃烧器14的下游端(或前部部分22)的预混筒26。通常，预混筒26可以具有任意形状和结构。在一些实施例中，预混筒26通常可以是筒形，并且具有沿纵轴线50延伸的基本管状结构。预混筒26的前部部分22可以通过任何已知的方法联接到燃烧器14。在一些实施例中，前部部分22可以联接到燃烧器14使得允许预混筒26和燃烧器壁之间的相对运动(例如，以适应由于热膨胀造成的尺寸变化)。也可以预期的是，在一些实施例中，前部部分22可以直接连接到燃烧器14的壁。 [0014] 燃料喷射器12可以包括位于预混筒26的径向内部的中心体36，以限定预混筒26与中心体36之间的环形导管16。预混筒26可以通过环形导管16将燃料-空气混合物导入燃烧器14。燃料-空气混合物可以通过位于预混筒26上游的空气旋流器34导入预混筒26。在一些实施例中，预混筒26的上游端(或后部部分24)可以采用钎焊接头32连接到空气旋流器34。空气旋流器34可以包括环形体，多个叶片连接至环形体。叶片可以配置成引起速度的旋转分量以使燃料-空气混合物从中通过。在一些实施例中，空气旋流器34可以包括燃料出口(孔、喷嘴、辐条等)，其将燃料(任何液态或气态燃料)喷射入通过叶片的压缩空气流中以产生旋流的燃料-空气混合物。在一些应用中，中心体36可以容纳先导组件，先导组件配置为用于将燃料和空气的单独流导入燃烧器14。通过环形导管16进入燃烧器14的燃料-空气混合物和通过中心体36进入燃烧器14的燃料流在燃烧器14中点燃并且燃烧。 [0015] 燃烧器14中的燃烧加热预混筒26的前部部分22。在一些实施例中，预混筒26可以响应加热膨胀，并且刮削燃烧器壁。这种刮削可以引起前部部分22外表面上的机械磨损。为了抵抗燃烧器14中的高温和机械磨损，前部部分22可以由能抵抗这些环境条件的材料制成。在一些实施例中，合金(例如基于镍的超级合金)可以选择用于前部部分22。在一些实施例中，基于镍的超级合金可以包括合金-X(合金-230、合金-118等)。与相对较冷的燃料-空气混合物接触的预混筒26的后部部分24可以比前部部分22冷，并且比前部部分22经受更少的不利条件。因此，后部部分24可以由不同材料制成，例如不锈钢(例如AMS 5653、ASTM A-479等)。为了增强预混筒26的强度(并且因此增加燃料喷射器12的可靠性)，预混筒26的前部部分22可以激光包覆在后部部分24上，或在后部部分24上生长。 [0016] 前部部分22可以具有长度222和厚度322。长度222和厚度322可以根据应用(例如，燃气涡轮发动机10的运行条件和尺寸)而定。通常，前部部分22的长度222可以在大约0.5-2.5英寸(12.7-63.5毫米)之间变化，并且厚度322可以在大约0.15-0.5英寸(3.81-12.7毫米)之间变化。在一些实施例中，长度222可以在大约0.75-1.5英寸(19.05-38.1毫米)之间变化，并且厚度322可以在大约0.2-0.5英寸(5.08-12.7毫米)之间变化。在本说明书中，术语“大约”用于表明10％的变化值。例如，大约0.2英寸的长度表明长度在0.18-0.22英寸(4.57-5.59毫米)之间。 [0017] 将前部部分22激光包覆在后部部分24上产生这样的预混筒26，其中前部部分22通过激光包覆联接联接至后部部分24。在这种联接中，前部部分22可以联接到后部部分24而在二者之间无需粘结材料(或另一种界面材料)。将前部部分22激光包覆在后部部分24上仅包括在交界面28上局部加热，因此，交界面28上的材料(前部和后部部分22， 24)以及合金形成物的稀释将是最小的。将前部部分22激光包覆在后部部分24上(也就是激光包覆联接)的特征在于交界面28，在交界面28上存在相对突然的材料性质改变。例如，在交界面28上沿水平线的硬度测量将表明硬度在交界面28上相对急剧改变。 [0018] 应该注意的是，在此描述的燃气涡轮发动机燃料喷射器12的预混筒26仅仅是示例性的。通常，一种材料的前部部分22可以被激光包覆在不同材料的后部部分24上，并且作为部件在任何应用中使用。例如，在一种应用中，轴承的前部部分22相比其后部部分24易受增加的磨损，在轴承中，耐磨材料制成的前部部分22可以被激光包覆在不同材料的后部部分24上。 [0019] 前部部分22激光包覆在后部部分24上的示例性方法在以下部分描述。 [0020] 工业实用性 [0021] 公开的激光包覆预混筒可以应用于任何燃料喷射器以增加预混筒的耐温性而无需增加其成本。由于耐热材料被激光包覆于预混筒，因此预混筒的强度和可靠性可以变高。将耐热前部部分激光包覆在不锈钢后部部分上的示例性方法在下面描述。 [0022] 图3是示出将预混筒26的前部部分22激光包覆在后部部分24上的示例性方法100的流程图。图4A-4D是以分步方式示出通过示例性方法100形成激光包覆预混筒26的示意图。选择由后部部分24的材料制成的管214(步骤110)，并且如果需要，将其加工成所需尺寸。如前面参照后部部分24所述，可以选择由任意不锈钢材料制成的管214。接着靠近管214的一端加工凹槽204以形成毛坯126(步骤120)。本领域已知的任何机械加工过程可以用于形成毛坯126。例如，在一些实施例中，管214可以在车床上绕其纵轴线50旋转，并且采用合适的加工工具从管214的选择区域移除材料。凹槽204可以具有任意所需的形状和尺寸。例如，在一些实施例中，凹槽204可以包括倾斜侧壁228。加工(也就是步骤120)后，管214可以包括凹槽204根部的具有减小厚度的基部206。毛坯126旋转，并且前部部分22材料的覆层212可以被激光包覆在凹槽204上(步骤130)。例如，如果需要具有不锈钢(AMS 5659)后部部分24和合金-230前部部分22的预混筒26，不锈钢(AMS 5659)的管214被加工以形成具有凹槽204的毛坯126，并且合金-230的覆层212被激光包覆在凹槽204上。 [0023] 激光包覆是一个过程，其中包覆材料(以丝、粉末等的形式)的原料应用于凹槽204。并且，集中激光束被用于熔化应用的原料和凹槽204基部的材料薄层，以形成冶金结合至凹槽204基部的覆层212。由于毛坯126在激光包覆期间旋转，因此覆层212在凹槽 204周围均匀形成。激光包覆与热喷涂类似之处在于能量源被用于熔化正应用于基底的原料。然而，不同于热喷涂，激光包覆也熔化基底的薄层，原料应用于此基底。这种熔化导致覆层212和基部206之间的牢固的冶金结合。典型地，与热喷涂相比，激光包覆导致具有更优结合强度的交界面。由于集中激光束作为热源使用，因此基部206中的热影响区域是最小的。由于激光包覆过程在现有技术中是已知的，因此包括在激光包覆中的步骤在此不描述。任何已知的激光包覆过程可以被用于沉积覆层212。覆层212可以是能生产具有所需尺寸(例如，长度222和厚度322，见图2)的前部部分22的任意形状和厚度。在一些实施例中，沉积的覆层212的厚度可以大于沉积覆层212下面的基部206的厚度。 [0024] 包覆后，被包覆的毛坯226被加工以形成具有所需最终形状和尺寸的预混筒26(步骤140)。加工操作可以在覆层212的基部移除基部206以形成由覆层212材料制成的、在交界面28处连接到后部部分24的独立前部部分22。倾斜交界面28可以增加前部部分22和后部部分24之间的接触区域，并且因此增加交界面28的强度。在一些实施例中，交界面28可以具有其他形状。例如，在一些实施例中，交界面28可以成阶梯状，并且在一些实施例中交界面28可以是竖直的。由于沉积覆层216的基部206在沉积后通过加工移除，因此激光包覆过程对预混筒26的任何有害作用将最小。加工操作也可以形成预混筒26的其他所需特征。例如，前部部分22的外直径可以加工成大于后部部分24的外直径，前部部分22的内直径可以加工成基本与后部部分24的内直径相同，并且前部部分22的自由端可以加工成包括斜面。 [0025] 由于激光包覆部分冶金结合至下层基底，因此它们之间的交界面可以是坚固的。另外，由于激光包覆过程使得下层基底中的热影响区域最小，并且由于包覆后移除基部 206，因此激光包覆过程对下层基底的任何负效应可以是最小的。尽管在此描述了燃料喷射器12的包覆的预混筒26和包覆预混筒26的典型方法，但这仅仅是典型示例。通常，所描述的方法可以被应用于激光包覆任何应用中使用的任何部件的部分。 [0026] 公开的用于燃料喷射器的激光包覆预混筒的多种改进和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。出于公开的预混筒的说明书和实践的考虑的其他实施例对于本领域的技术人员来说也是明显的。预期的是说明书和实施例仅作为示例考虑，通过以下权利要求和它们的等同物表示真正的范围。 |
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