稳定热气路径构件的方法、涡轮功率发生系统和冷却系统 |
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| 申请号 | CN201210540580.4 | 申请日 | 2012-12-14 | 公开(公告)号 | CN103161577B | 公开(公告)日 | 2017-07-28 |
| 申请人 | 通用电气公司; | 发明人 | W.P.米尼尔; R.S.班克; N.D.乔希; A.T.埃武莱特; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及 烃 膜保护的耐火 碳 化物及其使用。公开一种具有由来自高碳活度气体的烃提供的增强的耐火碳化物稳定的 涡轮 功率发生系统。本公开也包括一种使用高碳活度气体来使热气路径构件稳定的方法。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于使耐火碳化物热气路径构件稳定的方法，包括： |
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| 说明书全文 | 稳定热气路径构件的方法、涡轮功率发生系统和冷却系统技术领域背景技术[0002] 不论是用于陆地用途、海洋用途还是航空用途的目前的燃气涡轮性能都受到容许的热区段材料温度和保持那些材料的完整性所需的冷却损耗的限制。在传统涡轮系统中，例如，压缩机排出空气可用作用于热气路径构件的冷却剂。这些涡轮系统的“热气路径”包括构件，诸如燃烧器衬套和拢焰节段、高压涡轮级的固定导叶和旋转叶片，以及在旋转叶片周围的护罩。多年来已经开发出复合材料和单块材料，以对这些热气路径构件提供较高的温度能力，从而产生较高的燃烧温度和发动机效率。耐火碳化物(诸如耐火金属碳化物(MC)和陶瓷基质复合材料(CMC))就是这样的材料。耐火碳化物具有非常高的熔点。陶瓷基质复合材料(CMC)通常由在SiC-Si的基质内的连续的SiC增强纤维构成，这使用熔融硅浸润工艺来制造。CMC的合乎需要的属性包括高导热性、高基质致裂应力、高层间强度，以及良好的环境稳定性。虽然CMC提供较高的温度能力，高达至少2800℉，但它们仍然受到需要专门的涂层和冷却的环境因素的限制。具体而言，对于高于2200℉的温度，未经涂覆的CMC会遭受过度氧化和衰退。目前，CMC利用基于莫来石和Ba-Sr-铝矽酸盐陶瓷化学的环境结合涂层(EBC)。EBC防止CMC材料由于衰退而有损耗，但仍然有关于涂层受损或损耗的相关联的担忧。 [0003] 所有传统的燃气涡轮发动机均采用单独的燃烧系统和必须紧密接近燃烧器的涡轮。燃烧器的设计和可操作性(不管是扩散模式、预混合模式或联合模式，是气体燃料或液态燃料)对涡轮的热管理有巨大影响。另外，燃烧器系统的热管理本身就可显著地影响引起的气体温度轮廓和型式因素(pattern factor)、燃烧不稳定性和排放。随着技术转移到排放较低和零排放的发动机，新的燃烧策略要求对燃烧器和涡轮结构有创新。另外，需要一种用于在保持涡轮构件的完整性和性能的同时允许运行温度提高的系统和运行方法。发明内容 [0004] 本公开大体涉及用高碳活度气体使热气路径构件稳定的系统和方法。更具体而言，本公开属于燃气涡轮功率发生系统的领域。 [0005] 在一个实施例中，本公开涉及一种用于使耐火碳化物热气路径构件稳定的方法。在此方法中，燃料在燃烧器中燃烧。高碳活度气体输送到热联接到热气路径上的热气路径的构件的至少一部分。热气路径构件的至少一部分包含耐火碳化物。 [0006] 在一个实施例中，本公开涉及一种涡轮功率发生系统。该系统包括热联接到热气路径上的许多热气路径构件。热气路径构件中的至少一个的至少一部分包含耐火碳化物或陶瓷基质复合材料(CMC)。燃烧器构造成燃烧空气与燃料的混合物，以产生排气流。涡轮构造成将这个排气流的能量转化成有用的机械能。高碳活度气体被管道输送到热气路径构件中的至少一个。 [0007] 在一个实施例中，本公开涉及一种用于热气路径构件的冷却系统。这个系统包括热气路径构件，以及将高碳活度气体输送到热气路径构件的至少一部分的第一管道。这个高碳活度气体在至少一个热气路径构件的表面上形成覆盖气体膜。为了本公开的目的，“表面”可指示热气路径构件的任何表面，包括内表面或外表面。 附图说明[0009] 当参照附图来阅读以下详细描述时，本系统的这些和其它特征、方面与优点将变得更好理解，在附图中，相同符号在所有图中表示相同部件，其中： [0010] 图1是根据一个实施例的涡轮功率发生系统的工艺流程图，该系统适于将高碳活度气体用作涡轮构件稳定源。 [0011] 图2是根据一个实施例的涡轮功率发生系统的工艺流程图，该系统适于将包括封存(sequester)的二氧化碳的高碳活度气体用作涡轮构件稳定源。 [0012] 图3示出了一个实施例中的航空高压燃气涡轮和燃烧器的示例的示意图。 具体实施方式[0013] 下面介绍的各个实施例有利于阐明本公开的某些方面，并且不应解释为限制本公开的范围。此外，如在整个说明书和权利要求中使用的那样，近似语可应用于修饰在得到许可的情况下可改变的任何数量表示，而不会导致与其有关的基本功能有变化。因此，由用语或多个用语(诸如“大约”)所修饰的值不限于规定的确切值。在一些情况下，近似语可对应于用于测量该值的仪器的精度。 [0014] 在以下说明书和权利要求中，单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数个所指对象，除非上下文清楚地另有规定。如本文所用，用语“可”和“可能”表示可能发生在一组情形内；拥有规定的属性、特性或功能；以及/或者通过表达与所限定的动词相关联的能力、接受力或可能性中的一个或多个来限定另一个动词。因此，对“可”和“可能”的使用表示修饰的用语对于所表示的能力、功能或使用明显是合适的、适用的或适当的，同时考虑到在一些情况下，修饰的用语有时可能不合适的、不适用的或不适当的。 [0015] 根据一个示例，本公开利用耐火碳化物材料和系统来产生能够经受住至少大约3000℉的热气路径构件。在此公开中，通过在热气路径构件的表面上引入持续更新、在化学上稳定的高碳活度气体膜来抑制涡轮热气路径构件的氧化和气化。这些气体对耐火碳化物提供稳定，不论是在外表面上还是在内表面上。这里，对热气路径构件的表面的至少一部分提供高碳活度气体，而且尤其是由耐火碳化物构成的部分，以保护其不受燃烧后气体的影响。这个保护层用来最大程度地减小碳化物的衰退。 [0016] 本公开允许在极高的温度下(在一个示例中>3000℉)使用耐火碳化物。也可使耐火碳化物适应其它温度范围。用于在热气路径构件中使用的碳化物将拥有高熔点，并且将在高温下具有结构稳定性和强度。这样的耐火碳化物的示例包括(但不限于) TiC、ZrC、HfC、TaC、SiC、NbC 和B4C。为了本公开的目的，用语“耐火碳化物”、“耐火金属碳化物”和“陶瓷基质复合材料”可与可适用于基质和增强构件两者的用语互换地使用。虽然在本文的示例中描述了基于碳化硅的CMC，但本领域技术人员将认识到，可使用拥有类似的属性的其它耐火碳化物复合材料以及单块材料。氧化物将不适于在本文描述的方法和系统中使用。 [0017] 碳活度是环境中的碳分压与石墨中的为1.0的标准状态碳活度的热力学比率。因此，高碳活度气体是其中气体中的碳的分压高于构件的表面处的耐火碳化物中的碳的活度的那些。为了本公开的目的，碳活度的实际值介于大约0.1和大约1.0之间。 [0018] 技术人员将理解，虽然以下描述例示了燃气涡轮系统，但利用在燃烧期间可氧化和衰退的耐火碳化物构件的任何系统均可利用本公开的实施例。喷气发动机、基于地面的涡轮或火箭喷嘴、后燃烧装置或马达是这样的备选系统的示例。本公开的方法和系统对于功率发生涡轮、航改发动机和航海推进发动机是有用的。 [0019] 图1示出了利用使涡轮的热气路径构件稳定的高碳活度气体25的涡轮功率发生系统100。涡轮功率发生系统包括空气压缩机12、燃烧器66、涡轮14和发电机16。压缩机12、涡轮14和发电机16可由两个轴18和20连接。应当注意，轴18和20也可为同一轴。轴(一个或多个)允许由涡轮14产生的机械能被发电机16和压缩机12利用。 [0020] 在空气压缩机12的入口处进入的空气10被压缩。然后离开空气压缩机12的出口的压缩空气54可供应给燃烧器66；在下面详细地描述了可利用的多种燃烧器实施例。 [0021] 在某些实施例中，完全覆盖热气路径构件可为有利的，而在其它实施例中，可能期望不覆盖那么多。不同的燃烧器系统和在混合室上的控制阀的可用性允许控制高碳活度气体喷射速率。 [0022] 目前的涡轮膜冷却完全依靠使用相对于表面以浅角度定向的离散膜孔排。这些膜排的有效设计和位置可致使有完全覆盖的保护气体层。在现今的燃烧器中，使用多孔式全覆盖膜冷却或其它形式的完整槽口型膜冷却来实现目标是普遍的。因此，存在在全热气路径构件上面引入高碳活度保护层的技术。在极端的几何区域(诸如翼型后缘、叶片尖部，以及构件之间的面间槽口，以及高度扰动的流动流)中提供充分覆盖，仍然存在挑战。对于这样的区域，也可使用与针对多孔壁所获得的蒸腾冷却类似的蒸腾冷却的工程方案。 [0023] 可针对多种程度和位置而订制气体的分配和膜覆盖，以有益于最佳功抽取和发动机效率。例如通过将传统的燃烧器的下游的受到高碳活度气体保护的导叶和/或叶片或者仅用作燃烧器，或者用作燃烧器和导叶系统，或者用作在若干构件中的分布式燃烧系统，该方法可用来增强系统中的燃烧。 [0024] 为了本公开的目的，可使用燃烧系统的许多另外的实施例。航空发动机典型地使用环形燃烧器，而基于地面的功率涡轮发动机使用罐式环形燃烧器。高级的航空器发动机燃烧器涡轮系统可能已经在喷嘴导叶周围经历的一定水平的燃烧。翼型膜冷却可未燃烧的燃料反应而在热气路径的表面附近产生膜加热。一些燃烧系统试图将燃烧器和涡轮入口导叶并入到单个系统中。这种联合的燃烧器和涡轮入口导引喷嘴将燃料喷射到喷嘴的表面上。燃料冷却喷嘴，并且在喷嘴的下游发生燃烧。例如，分级燃烧器可在上游引入一次燃烧区，并且正好在涡轮入口导叶前面或者在其中引入二次燃烧区。驻涡燃烧(TVC)是将再循环壁腔体用作引燃燃烧装置的分级燃烧形式。TVC装置产生火焰稳定区，从而通过混合热产物以及燃烧气体与进入的燃料来提供持续的点燃源。 [0025] 在其中CMC受到高碳活度气体的保护的情况下，可在传统燃烧器后面使用CMC3000导叶(具有保护膜的CMC)，从而从导叶上消除所有压缩机排气。这个系统允许有较高的燃烧温度，或者允许当前燃烧温度有较低的火焰温度(排放较低)。高活度碳气体会增强燃烧器系统，以提供较多级系统，如在下面的示例中描述的那样。 [0026] 在一个非限制性示例中，传统的燃烧器和涡轮入口导叶可由诸如公开号为US 20080134685和US 20080078181的美国专利中描述的CMC柯恩达(Coanda)喷嘴代替。这个新系统实现燃烧器的功能和入口导叶的功能两者，同时是由CMC制成的。简要地说，在这个燃烧器中，燃料以受控制的型式与曲线壁相切地喷射，柯恩达效应会使射流粘在表面上。在使用气态燃料的应用中，例如CH4可为主燃料喷射和CMC的保护气体两者。在使用液态燃料(诸如射流燃料)的应用中，烃燃料将在CMC构件的内部雾化，然后被用作喷射的气态燃料，以形成CMC保护层。在两个应用中，燃烧可在空气流道中和喷嘴的下游两者进行。 [0027] 本领域技术人员将理解，在一些情况下，在将压缩空气54馈送到燃烧器66之前，在回热器中预热压缩空气54可为合乎需要的。也将燃料24供应给燃烧器66。燃料流可由流量控制阀控制。燃料可被喷射喷嘴喷射到燃烧器66中。对于高压燃气涡轮应用，利用围绕涡轮的旋转轴线而沿周向定位的多个燃烧室或罐来燃烧燃料24和压缩空气54也是有利的。 [0028] 在燃烧器66的内部，燃料24和压缩空气54混合，并且被点燃器点燃，以产生发热反应。在燃烧之后，由燃烧产生的热的膨胀气体56被引导到涡轮14的入口喷嘴。当通过涡轮14而膨胀时，热气产生涡轮轴功率。涡轮功率又驱动空气压缩机12。涡轮排气26离开涡轮。 [0029] 在一些实施例中，涡轮排气26可馈送到蒸汽发生器30。在回热系统中，涡轮排气26首先可馈送通过回热器，以在排气传输到额外的热回收级之前，加热燃烧空气。使用馈送给蒸汽发生器30的涡轮排气26来加热水28和产生蒸汽32。蒸汽32馈送到蒸汽发生器36，以产生额外的电功率38，蒸汽发生器36可为由蒸汽涡轮提供功率的发电机。 [0030] 为了允许燃烧器66在较高的温度下燃烧，高碳活度气体25通过第一管道68供应到热气路径，以冷却和/或保护涡轮系统100的热气路径构件。在一些实施例中，可存在调控器74(诸如阀或压盖密封件)，以可选择性地控制分配给热气路径的高碳活度气体的量。 [0031] 高碳活度气体可为与前面论述的相同的燃料24，但可备选地来自单独的源。流体烃燃料(诸如(但不限于)甲烷、石油精、丁烷、汽油、射流燃料、生物燃料或天然气)将适于这个用途。在一些实施例中，高碳活度气体作为喷雾或者以气化形式输送到热气路径构件。如本文所用，用语“热气路径构件”大体表示暴露于由燃烧器66产生的热气的硬件构件。这些热气路径构件可为固定的或旋转的。这样的热气路径构件的示例包括(但不限于)燃烧器(包括燃烧器构件，例如燃烧器衬套或拢焰节段)、护罩、涡轮的导叶或叶片、火箭、冲压喷气发动机或超音速燃烧冲压发动机。 [0032] 高碳活度气体25可输送到涡轮系统100中的、允许充分地冷却和/或保护热气路径构件的任何地方。作为非限制性示例，图显示了高碳活度气体25直接输送到涡轮14。备选地，高碳活度气体25可输送到燃烧器66或轴20，在其中，高碳活度气体25可分配在整个涡轮14中。在一些实施例中，高碳活度气体25可与来自压缩机12的空气混合而形成冷却剂。在其它实施例中，高碳活度气体25可保护涡轮14的一部分，同时压缩机抽取空气冷却另一个部分(不管是金属还是CMC)。 [0033] 在一些实施例中，可更换涡轮中的旋转叶片。这里，将在CMC叶片中使用高碳活度气体，从而从叶片上完全消除可造成负担的空气。所得出的旋转燃烧器系统将对后面的涡轮级产生混合均匀的高温气体。使用燃料作为高碳活度气体将导致后面进一步的燃烧，而不像单独使用CO2或其它非反应性气体那样。在一些情况下，高碳活度气体可与耐火碳化物的某些相反应；但是，在许多情况下，这些气体将混合，并且在耐火碳化物表面的下游或远离它进行反应。 [0034] 涡轮功率也可驱动发电机16。发电机16使用机械能来产生电功率22。本发明也可构造成没有发电机16。将直接传输和应用涡轮功率，如在以机械的方式驱动的应用的情况中那样。 [0035] 在某些状况中，在输送到热气路径之前，混合高碳活度气体与二氧化碳可为合乎需要的。图2示出了利用与二氧化碳混合的高碳活度气体25的涡轮功率发生系统。在这个实施例中，高碳活度气体25通过第一管道68被传输到混合室72。二氧化碳通过第二管道46从源中供应到混合室72。混合室72不必如图中示出的那样是单独的构件，而是可为第二管道46和第一管道68的合流部，只要二氧化碳可与高碳活度气体25混合在一起即可。 [0036] 在一些实施例中，可存在阀(未显示)，以选择性地控制被混合且分配给热气路径的二氧化碳的量和高碳活度气体的量。这个阀允许改变输送到热气路径构件的高碳活度气体和/或二氧化碳的浓度。 [0037] 在一些实施例中，可从冷却排气42中移除二氧化碳，并且可选地将二氧化碳存储在贮存器44中，如所显示的那样。可使用许多不同的工艺来从排气42中移除二氧化碳。例如，可使用隔膜分离器或二氧化碳洗涤器来从排气流中过滤或以别的方式分离二氧化碳。因为本方法和系统可与任何二氧化碳封存工艺一起使用，所以在本文中未提供二氧化碳封存的进一步论述。 [0038] 可通过在高碳活度气体25中添加封存的二氧化碳来实现若干优点。在一些情况下，燃气涡轮发动机将不再需要使用压缩机旁通空气来进行冷却。因而，所有压缩机空气然后可馈送到燃烧器。这允许(1)使用较小的压缩机来降低在转动压缩机时引起的“寄生”能量损失，以及/或者(2)有较多空气馈送到燃烧器，以产生较强烈的燃烧。这两种变化都将改进输出和效率。而且，在一些情况下，添加封存的二氧化碳可增加涡轮的总质量流。这进一步增加了燃气涡轮发动机的输出。这个功率增加将帮助抵销移动二氧化碳的能量成本。尽管必须在二氧化碳引入到热气路径中之前压缩二氧化碳，在恰当的条件下，允许使用封存的二氧化碳的系统(诸如所描述的系统)可为合乎需要的。 [0039] 图3示出了一个实施例中的传统的航空高压燃气涡轮和燃烧器的示例的示意图。 [0040] 通过将保护烃气体喷射到热气路径构件，从而在构件的表面上形成保护层，来建立使耐火碳化物(诸如用于目前利用的CMC系统的SiC)稳定所需的碳的化学活度。这个烃层必须做三件事，以便有效地保护热气路径构件。第一是除去水蒸气。不用遵守任一个理论，相信通过借助于保护层限制水蒸气扩散来完成这个动作。另外，相信这些层与可用的H2O反应，而降低金属碳化物构件的表面处的H2O有效蒸气压力。保护层的第二个功能是降低O2的分压，以便限制金属碳化物的直接氧化的速率。如果以及当氧化物种类或者从燃烧气体或者作为添加物而自己进入到保护层中时，必须减少氧化物种类，以限制在非常高的温度下的氧化速率。对于这个所需要的O2势是所关注的耐火碳化物以及温度两者的函数。一旦实现这两个功能，膜的第三个目的是将碳活度保持在足够高的水平处，以最大程度地降低耐火碳化物的蒸发，并且从而使耐火碳化物稳定。最后，因为典型地将在比燃烧气体低得多的温度下供应高碳活度气体，所以高碳活度气体可作为内部冷却和膜冷却两者对热气路径构件提供冷却，从而允许有较高的燃烧温度。但是，不必将耐火碳化物保持在比燃烧气体更低的温度下，只要MC完全稳定即可。 [0041] 将氮用作覆盖气体的系统可成功地去除水蒸气。但是，实际上不可使氮具有低得足以防止直接氧化的氧含量，这在温度高于2500℉时是个问题。如果SiO蒸气压力的提高，SiO2可分解和蒸发，并且在CMC上形成的SiO2玻璃的粘性降低到一次性保护氧化物将被移除的点。此外，不是所有MC氧化物都有保护性。这些可在一形成时就蒸发或散裂。在这些情况下，必须使覆盖气体的氧含量保持足够低，以限制大量的直接氧化，即使在去除水蒸气的情况下。 [0042] 在一个示例中，在燃烧气体产物(CO2)与烃(例如甲烷或射流燃料)混合之后被重新引入到热的区段构件，以调节气体中的碳势。对于没有涂层的基于SiC的CMC材料，CO2可根据等式1a.)使SiC氧化： [0043] [0044] 但是，由于质量作用定律，在高碳活度或低的CO2压力下，等式1a.)的反应被推向左边，并且SiC稳定。这些状况会对碳活度和CO2分压两者的可接受范围施加限制。 [0045] 如果确实形成了SiO2，则SiO2根据下面的等式1b.)与H2O蒸气反应，从而使CMC衰退和被消耗： [0046] [0047] 结合等式1a.)和1b.)且将含碳种类表示为例如CH4会给出总等式2.)： [0048] [0049] 这显示了空气或燃烧后气体中的水导致SiC蒸发，以及导致甲烷(CH4)产生。如果耐火碳化物的表面上的保护层在碳化学活度上较高，诸如具有CH4含量，则这个反应可被推向左边，从而抑制SiC的消耗。同样，SiC的直接升华根据等式3.)继续进行： [0050] [0051] 其中，产生气态Si与碳。再次，提供高碳化学活度可将这个反应推向左边，从而直接抑制SiC的蒸发。 [0052] 根据这个化学稳定性情形，如果耐火碳化物可完全且高效地被高碳活度气体层覆盖，则耐火碳化物将经受住高温，诸如3000℉的温度，而不会有材料损耗或退化。另外，喷射高碳活度气体(这些气体完全覆盖表面)的耐火碳化物系统允许全面地保护表面，即使燃料在主流流中燃烧而非仅在下游燃烧。这个系统将使耐火碳化物构件有烃稳定。 [0053] 耐火碳化物构件目前需要环境阻隔涂层(EBC)，以避免氧化和衰退。但是，在本系统中，不需要环境涂层，从而消除可能的系统失效或退化的一个来源。使用没有EBC的单独的碳化物构件具有许多好处：1)EBC依赖于底漆，即，构件的寿命受到EBC的寿命的限制。使用高碳活度气体代替EBC会将寿命延长到碳化物构件的机械耐久性固有的寿命，而不是EBC的寿命；2)通过消除EBC，制造和材料成本大大降低。EBC需要多个淀积步骤来产生所有层，包括涂层。这些工艺不仅会添加材料和人工成本，而且还需要投资高成本的制造装备；3)EBC对经涂覆的构件添加重量。特别是对于航空应用，改进的性能和减少的燃料消耗将致使使用覆盖气体代替EBC。使用具有持续更新的蒸气化学保护膜的未经涂覆的耐火碳化物构件提供可经受3000℉的材料的可能，可使用烃蒸气源(例如，燃料)来保护该材料。提供这样的涡轮构件可产生全新的发动机架构，其中，几乎消除了非计费和计费空气冷却流两者，结果使发动机效率和燃料消耗率(SFC)提高了几个点。 [0054] 要理解的是，以上描述意于为说明性的而非约束性的。例如，上面描述的实施例(和/或其方面)可彼此结合起来使用。另外，可作出许多修改，以使特定的情形或内容适于多种实施例的教导，而不偏离它们的范围。虽然已经结合仅有限数量的实施例来详细描述了本发明，但应当容易地理解，本发明不限于这样公开的实施例。相反，可修改本发明，以结合此前未描述但与本发明的精神和范围相当的任何数量的变型、改变、替换或等效布置。另外，虽然已经描述了本发明的多种实施例，但要理解的是，本发明的各方面可包括所描述的实施例中的仅一些。因此，本发明不应视为由前述描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。 |
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