СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ ИНДИКАЦИИ ИЗНОСА ТУРБОМАШИНЫ
TURBINE MACHINE WEAR INDICATION SYSTEM AND METHOD

Область техники
Данное изобретение относится к системе для индикации износа турбомашины и к способу индикации износа турбомашины.
Уровень техники
В турбомашинах, в частности в газовых турбинах, рабочий газ газовой турбины вызывает износ критических частей газовой турбины. Потеря материала за счет износа может возникать в местах контакта между компонентами, такими как переходной канал и камера сгорания или трубки и камеры сгорания, или в местах крепления между двумя бандажами турбинных лопаток, или в уплотнениях ротора, например, лабиринтных уплотнениях или уплотнениях, перекрывающих зазоры между соседними компонентами, например платформами турбинных лопастей или плитками облицовки камеры сгорания, в качестве некоторых примеров. Износ может вызываться вибрацией от ротора во время работы или индуцироваться нестационарными изменениями в поле потока рабочей текучей среды, или нестабильностями сгорания, или перемещениями за счет разницы температур во время переходных процессов, или изменениями нагрузки, оказывающими влияние на компонент. Износ может также возникать просто от попадания на поверхность частиц или веществ, имеющихся в рабочей текучей среде, проходящей через турбомашину, т.е. эрозии или окисления или коррозии. Фреттинг является износом контактных поверхностей, вызванным под нагрузкой и в присутствии повторного относительного движения поверхностей, например при вибрации.
В настоящее время интервалы между проверками и замена компонентов основывается на общем времени эксплуатации двигателя. В качестве альтернативного решения замена компонентов основывается на заявленной неисправности двигателя.
В частности, во время инспекции турбомашины, износ или степень износа непросто распознавать, поскольку инспекция турбомашины является делом специалиста, успех которого основан на способности человека распознавать определенные уровни износа.Кроме того, известны системы обнаружения износа, предназначенные для идентификации износа компонента.
В US 4604604 раскрыт выпускающий пар индикатор износа. При износе части может выпускаться окрашенный пар для индикации износа, в частности, разрыва облицовки диска или износа прокладки сцепления.
В US 2002/0153214 А1 раскрыт фрикционный диск, на котором установлены различные чувствительные элементы для определения износа соответствующего фрикционного диска.
В US 2009/0107795 А1 раскрыта система индикации износа материала для индикации износа фрикционной пластины. Индикатор износа заделан в не изнашиваемую часть и защищен от контакта с рабочей поверхностью, пока изнашиваемая поверхность не будет достаточно эродирована. Когда индикатор износа приходит в контакт с подвижной поверхностью, он испускает порошок, который может быть обнаружен с помощью датчика. Датчик предназначен для генерирования электрического сигнала, который передается в управляющий блок.
Сущность изобретения
Задачей данного изобретения является создание более надежного индикатора износа для турбомашины.
Эта задача решена с помощью системы для индикации износа турбомашины и с помощью способа индикации износа турбомашины в соответствии с независимыми пунктами формулы изобретения.
Согласно первому аспекту данного изобретения предлагается система для индикации износа турбомашины. Система содержит компонент турбомашины и верхний слой, который по меньшей мере частично покрывает поверхность компонента турбомашины. Индикаторный слой образован на поверхности компонента турбомашины. Верхний слой покрывает индикаторный слой, так что индикаторный слой виден, если верхний слой изношен за счет воздействия рабочей текучей среды или подвергнут фреттингу за счет контакта компонента турбомашины с другим компонентом турбомашины.
В частности, другой компонент турбомашины (по меньшей мере частично) перекрывает и находится в контакте с компонентом турбомашины в контактной зоне компонента турбомашины. В компоненте турбомашины, в зоне контакта с другим компонентом турбомашины, выполнена канавка. Индикаторный слой образован внутри канавки или выемки компонента турбомашины. Верхний слой образован внутри канавки и покрывает индикаторный слой так, что индикаторный слой становится оптически видным, если верхний слой подвергся фреттингу за счет контакта компонента турбомашины с другим компонентом турбомашины и относительного движения.
Верхний слой может иметь первый цвет и индикаторный слой может иметь второй цвет, который отличается от первого цвета, так что индикаторный слой становится оптически видимым (например, с помощью датчика или видимым для обслуживающего персонала), если верхний слой подвергся износу. В качестве альтернативного решения, индикаторный слой может содержать индикаторную структуру (например, узор из канавок или отверстий), которая отличается от структуры верхнего слоя.
Согласно другому аспекту данного изобретения предлагается способ индикации износа турбомашины. Согласно способу, износ турбомашины указывается с помощью индикаторного цвета индикаторного слоя, если верхний слой изношен. Верхний слой по меньшей мере частично покрывает поверхность компонента турбомашины, при этом верхний слой имеет первый цвет. Индикаторный слой расположен между верхним слоем и поверхностью компонента турбомашины, так что индикаторный слой может быть оптически обнаружен, если верхний слой изношен. Индикаторный цвет может отличаться от первого цвета верхнего слоя.
Турбомашина может быть, например, газовой турбиной, паровой турбиной, турбонагнетателем или компрессором.
Компонент турбомашины может быть, например, камерой сгорания, лопаткой, лопастью, уплотнением, плиткой, переходным каналом или частью стенки турбомашины. В частности, компонент турбомашины является компонентом турбомашины, который подвергается воздействию или находится в контакте с рабочей текучей средой турбомашины. Рабочая текучая среда может быть, например, газом сгорания и тем самым горячим газом, поток которого проходит вдоль камеры сгорания или компонента турбины.
Верхний слой покрывает по меньшей мере часть компонента турбомашины и может полностью покрывать индикаторный слой. Верхний слой может быть гладким, оказывающим небольшое сопротивление потоку слоем и/или защищающим от окисления слоем с целью создания эффективной турбомашины, например, компрессора, или защиты компонента турбомашины от горячего и агрессивного рабочего газа газовой турбины.
Индикаторный слой может быть также защищающим от окисления слоем для защиты компонента турбомашины от горячего и агрессивного газа газовой турбины. Индикаторный слой покрывает поверхность по меньшей мере части компонента турбомашины. В частности, индикаторный слой может иметь форму ленты или полосы.
В частности, согласно другому примеру выполнения, верхний слой и/или индикаторный слой является защищающим от окисления покрывным слоем, при этом защищающий от окисления покрывной слой имеет более высокую стойкость относительно окисления по сравнению с материалом компонента турбомашины.
В частности, согласно другому примеру выполнения, верхний слой и/или индикаторный слой является имеющим гладкую поверхность покрывным слоем, при этом имеющий гладкую поверхность покрывной слой имеет меньшую шероховатость поверхности или меньший коэффициент трения по сравнению с материалом компонента турбомашины. Другими, более общими словами, верхний слой и/или индикаторный слой может быть имеющим первую поверхность покрывным слоем, при этом имеющий первую поверхность покрывной слой имеет меньшую шероховатость поверхности или меньший коэффициент трения по сравнению с материалом компонента турбомашины и/или по сравнению с другими нанесенными покрытиями.
Понятие «имеющий гладкую поверхность покрывной слой» используется в данной области техники, например, для обозначения покрытия “SermaFlow S4000”, которое является торговым знаком компании Praxair Surface Technologies Inc., или, например, “IP 9442 Smoothcote”, которое является торговым знаком компании Indestructible Paint Ltd. Возможны другие покрытия, которые можно рассматривать в качестве гладких. Как указывалось выше, понятие «имеющий гладкую поверхность покрывной слой» определяет покрытие, которое обеспечивает хорошую аэродинамическую поверхность, например, с низким сопротивлением потоку воздуха для предотвращения прилипания углеродных отложений.
Индикаторный слой расположен между верхним слоем и поверхностью части компонента турбомашины, при этом индикаторный слой становится оптически обнаруживаемым, если верхний слой исчезает вследствие износа, который вызывается потоком рабочего газа вдоль верхнего слоя или трением с различными компонентами, т.е. фреттингом за счет контакта компонента турбомашины с другим компонентом турбомашины.
В частности, цвет и/или структура поверхности (узор из отверстий, желобков или выемок) верхнего слоя отличается от соответствующего индикаторного цвета и/или структуры поверхности индикаторного слоя. Это приводит к техническому эффекту, состоящему в возможности более надежной идентификации износа компонента турбомашины, так что повышается общая надежность турбомашины. В частности, оператор, инспектирующий турбомашину, легко распознает износ компонента турбомашины, если индикаторный слой виден. Поэтому с помощью данного изобретения создан индикатор износа посредством нанесения индикаторного слоя под верхним слоем.
Срок службы компонента турбомашины ограничен износом, например, фреттингом, в частности, в месте соединения между двумя компонентами турбомашины. При обычном подходе оператор, инспектирующий компоненты, не получает информации об остающемся сроке службы компонента и состоянии износа компонента. Чрезвычайно трудно правильно предсказывать остающийся срок службы компонента турбомашины.
Посредством индикации имеющегося состояния износа, согласно данному изобретению, проще предсказывать срок службы компонента, поскольку оператор, инспектирующий компонент турбомашины, может проще распознавать состояние износа, т.е. невозможности продолжения использования до следующей инспекции, если виден индикаторный слой. Поэтому нет необходимости использовать навыки и опыт человека для определения износа и необходимости замены части. С помощью индикаторного слоя износа, согласно изобретению, обеспечивается ясная индикация, даже не тренированному персоналу, когда компонент находится вблизи конца своего срока службы или требует незамедлительной замены.
Согласно другому примеру выполнения изобретения индикаторный цвет отличается от цвета компонента турбомашины. Поэтому верхний слой, индикаторный слой и компонент могут иметь три разных цвета. Поэтому можно более точно определять фактическое состояние износа. Например, если виден индикаторный слой, то турбомашина может надежно работать в определенный период времени. Если уже виден компонент турбомашины, то необходима незамедлительная замена компонента турбомашины.
Например, компонент турбомашины может быть выполнен из металлической композиции, а верхний слой и индикаторный слой могут быть выполнены из покрывной композиции. Компонент турбомашины, а также соответствующий верхний слой и индикаторный слой могут быть окрашены с помощью различных способов окрашивания.
Согласно другому примеру выполнения другой индикаторный слой с другим индикаторным цветом расположен между верхним слоем и индикаторным слоем. Другой индикаторный цвет отличается от индикаторного цвета, цвета верхнего слоя и цвета компонента турбомашины. Поэтому посредством расположения других индикаторных слоев с различными цветами образуется очень точная система индикации. Каждый цвет различного индикаторного слоя классифицируется и заносится в список контролирования, так что оператор, инспектирующий компонент турбомашины, знает состояние износа соответствующего компонента турбомашины. Например, верхний слой может иметь белый цвет, другой индикаторный слой может иметь желтый индикаторный цвет, и индикаторный слой, наиболее близкий к компоненту турбомашины, может иметь красный индикаторный цвет. Когда инспектор видит желтый другой индикаторный слой, то компонент турбомашины можно еще использовать в определенный период времени и он может быть заменен во время следующего интервала технического обслуживания. Если инспектор видит уже красный индикаторный слой, то компонент турбомашины подлежит незамедлительной замене.
Согласно другому примеру выполнения верхний слой, индикаторный слой и/или другой индикаторный слой являются твердым покрывным слоем, при этом твердый покрывной слой имеет меньший коэффициент трения и более высокую стойкость к контактному износу или износу, вызванному рабочим газом турбомашины, по сравнению с компонентом турбомашины.
Твердые защитные покрытия могут быть нанесены на компонент турбомашины с помощью технологий химического (CVD) и физического (PVD) осаждения из паровой фазы. Можно использовать различные способы PVD, например магнетронное напыление, испарение с помощью лазера, катодной дуги и/или электронного луча.
Твердые покрытия (например, (другой) индикаторный слой и/или верхний слой) основаны, например, на нитридах переходных металлов (например, TiN, CrN) или на многокомпонентных покрытиях (например, TiAlN), многослойных покрытиях (например, TiN/TiAlN), а также основанных на углероде покрытиях (DLC). Кроме того, можно наносить нанокомпозитные (TiN+DLC) покрытия и смазочные покрытия (WC+C). Кроме того, (другой) индикаторный слой и/или верхний слой могут содержать покрытие PtAl или покрытие MCrAlY, при этом М обозначает, в частности, никель (Ni), кобальт (Со) или их смесь.
Поэтому индикаторный слой, верхний слой, компонент турбомашины и другой компонент турбомашины могут быть выполнены из металлического материала, так что образуется контакт металла с металлом между соответствующими компонентами.
Согласно другому примеру выполнения компонент турбомашины является камерой сгорания, лопаткой, лопастью, уплотнением, плиткой, переходным каналом или частью стенки турбомашины. Верхний слой подвергается воздействию рабочего газа турбомашины или непосредственному контакту с другим компонентом (компонентами).
Согласно другому примеру выполнения, компонент турбомашины имеет изогнутую форму с окружным направлением. Индикаторный слой содержит несколько частей индикаторного слоя, при этом части индикаторного слоя расположены на расстоянии друг от друга вдоль окружного направления.
Например, части индикаторного слоя могут иметь форму лент или полос. Например, компонент турбомашины (например, камера сгорания) может иметь трубчатую форму, при этом несколько имеющих форму лент или полос частей индикаторного слоя расположены на внутренней стенке компонента турбомашины вдоль окружного направления трубчатого компонента турбомашины. Имеющие форму лент или полос части индикаторного слоя имеют расстояние друг от друга вдоль окружного направления. Например, четыре части индикаторного слоя в виде лент или полос могут быть расположены вдоль окружного направления. В качестве альтернативного решения, части индикаторного слоя могут иметь круглое поперечное сечение и тем самым образовывать индикаторный круг.
Следует отметить, что описание вариантов выполнения изобретения дано применительно к различным предметам изобретения. В частности, описание некоторых вариантов выполнения дано применительно к относящимся к устройству пунктам формулы изобретения, в то время как других вариантов выполнения - применительно к относящимся к способу пунктам формулы изобретения. Однако специалисты в данной области техники могут выводить из приведенного выше и последующего описания, если не указано иначе, дополнительно к любой комбинации, относящейся к одному типу предмета изобретения, также любые комбинации между признаками, относящимися к различным предметам изобретения, в частности между признаками устройства и признаками способа, которые следует рассматривать как раскрытые в данной заявке.
Краткое описание чертежей
Указанные выше аспекты и другие аспекты данного изобретения следуют из приведенного ниже описания и пояснения приведенных в качестве примера вариантов выполнения, которыми, однако, изобретение не ограничивается, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично изображено:
фиг. 1 - компонент турбомашины, который является камерой сгорания, согласно примеру выполнения данного изобретения;
фиг. 2 - система для индикации износа и фреттинга между двумя компонентами турбомашины, согласно примеру выполнения данного изобретения; и
фиг. 3 - система для индикации износа компонента турбомашины, который является лопастью, согласно примеру выполнения данного изобретения.
Подробное описание изобретения
Иллюстрации на чертежах являются схематичными. Следует отметить, что на разных фигурах аналогичные или идентичные элементы обозначены одинаковыми позициями.
На фиг. 1 показан пример выполнения данного изобретения, при этом компонент 110 турбомашины является, например, камерой сгорания газовой турбины. Рабочий газ и, в частности, газ сгорания, который проходит через внутренний объем камеры сгорания, направляется стенками камеры сгорания вдоль желаемого направления. В частности, в зонах, где горячий газ сгорания направляется и отражается частями стенки, может возникать фреттинг и износ в месте контакта между камерой сгорания и другим компонентом 120 машины, который в данном примере является переходным каналом.
Кроме того, фреттинг может возникать за счет относительного движения между компонентом 110 турбомашины и примыкающим другим компонентом 120 турбомашины, таким как переходной канал, как показано на фиг. 1. Другими словами, компонент 110 турбомашины и другой компонент 120 турбомашины находятся в контакте друг с другом в зоне контакта, так что в зоне контакта между компонентами 110, 120 возникает фреттинг.
Поэтому в таких критичных зонах компонента 110 турбомашины и/или другого компонента 120 турбомашины может быть нанесена система 100 для индикации износа, так что обеспечивается возможность простого наблюдения и тем самым измерения процесса износа и фреттинга. На фиг. 2 в виде детали II-II показана система 100.
На фиг. 2 показана система 100 для индикации износа турбомашины. Система 100 содержит компонент 110 турбомашины. Кроме того, верхний слой 201 частично покрывает поверхность части компонента 110 турбомашины. Верхний слой 201 может иметь цвет верхнего слоя или структуру (узор из отверстий или желобков) верхнего слоя. Кроме того, индикаторный слой 202 расположен между верхним слоем 201 и поверхностью части компонента 110 турбомашины. Индикаторный слой 202 имеет цвет индикаторного слоя или структуру (узор из отверстий или желобков) индикаторного слоя, которые отличаются от цвета и структуры верхнего слоя, так что обеспечивается возможность оптического обнаружения индикаторного слоя 202, т.е. он виден с направления 205 рассматривания, если верхний слой 101 изношен или подвергся фреттингу.
Компонент 110 турбомашины может быть внутренней стенкой камеры сгорания или другой компонент 120 турбомашины может быть переходным каналом, который направляет горячий газ сгорания далее вниз по потоку. За счет вибраций между компонентом 110 турбомашины и другим компонентом 120 турбомашины возникает фреттинг между этими компонентами 110, 120, так что материал в зоне контакта рассеивается.
Компоненты 110, 120 могут двигаться относительно друг друга за счет теплового расширения и/или динамики сгорания, так что вероятность неисправности за счет фреттинга между двумя компонентами 110, 120 является высокой.
В зоне контакта компонента 110 турбомашины с другим компонентом 120 турбомашины в компоненте 110 турбомашины может быть образована канавка 204, в которой могут быть нанесены верхний слой 201 (который находится в контакте с другим компонентом 120 турбомашины), индикаторный слой 202 и, не обязательно, один или несколько других индикаторных слоев 203.
Оператор, инспектирующий износ и фреттинг компонентов 110, 120, осуществляет осмотр в направлении 205 рассматривания. За счет возможности видеть верхний и индикаторные слои 201, 202, 203 и соответствующие узоры видимых верхнего и индикаторных слоев 201, 202, 203, оператор может легко распознавать состояние фреттинга и износа.
На фиг. 3 показан другой пример выполнения. Система 100 содержит компонент 110 турбомашины, который может быть, например, лопаткой или лопастью компрессора. Компонент 120 турбомашины может иметь верхний слой 201, который подвергается воздействию рабочего газа турбомашины, который проходит в направлении 302 потока, например, у передней кромки лопасти компрессора. Верхний слой 201 может быть защищающим от окисления покрывным слоем для защиты основного материала компонента 110 турбомашины от окисления или коррозии, вызываемой частично составом рабочей текучей среды, например, из воздуха, морской воды или других агрессивных химикалий. Верхний слой 201 может быть также покрытием, которое улучшает качество обработки поверхности лопатки компрессора и платформы, например, лопатки компрессора. Низкая шероховатость поверхности и трение, вызываемое верхним слоем 201, повышает эффективность и характеристики компрессора относительно емкости потока и запаса пульсации. Со временем покрытие изнашивается за счет воздействия рабочей текучей среды.
На фиг. 3 показана изношенная часть 301 верхнего слоя 201. Оператор, который инспектирует компонент 110 турбомашины, легко распознает изношенную часть 301, поскольку он видит индикаторный цвет индикаторного слоя 202 через изношенную часть 301. Поэтому оператор может легко наблюдать состояние износа. Если цвет компонента 110 турбины виден через изношенную часть 301, защищающую слои, т.е. верхний слой 201 и индикаторный слой 202 изношены, то компонент 110 турбомашины необходимо заменять или ремонтировать, например, посредством нанесения покрытия.
Также несколько других индикаторных слоев 203 может быть расположено между верхним слоем 201 и компонентом 110 турбомашины. Поэтому, если индикаторные слои 201, 202, 203 имеют различные цвета относительно друг друга, то образуется очень подробная система для индикации износа компонента турбомашины.
Следует отметить, что понятие «содержит» не исключает другие элементы или стадии, и неопределенный артикль ”a” или “an” не исключает множественности. Также элементы, описание которых приведено применительно к различным вариантам выполнения, можно комбинировать. Следует также отметить, что указание позиций в формуле изобретения не следует рассматривать в качестве ограничения объема изобретения.