ТОПЛИВНЫЙ ИНЖЕКТОР С КАМЕРОЙ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО СМЕШИВАНИЯ С ЗАЩИТНЫМ ПОКРЫТИЕМ, НАПЛАВЛЕННЫМ ЛАЗЕРОМ
FUEL INJECTOR WITH PREMIXING CHAMBER WITH PROTECTIVE COATING, BUILT-UP WITH LASER

Область техники
Данное изобретение относится в целом к камере предварительного смешивания топливного инжектора газовой турбины и способам изготовления камеры предварительного смешивания посредством лазерной наплавки.
Уровень техники
В типичном газотурбинном двигателе один или более топливных инжекторов направляют топливо в камеру сгорания для его сжигания. Топливо сгорает в камере сгорания с образованием тепла. В некоторых случаях температура в камере сгорания может достигать примерно 1800° Ф. Детали топливного инжектора, примыкающие к камере сгорания (или находящиеся вблизи нее), подвергаются действию указанных высоких температур. Для минимизации ущерба из-за температурных воздействий такие детали обычно выполняют из сплавов, имеющих высокие сопротивление ползучести и механическую прочность. Однако такие сплавы являются дорогостоящими, что может увеличивать стоимость изготавливаемых и них деталей.
В патенте US 6056507 описан пакет лопаток турбины газотурбинного двигателя, в котором венец лопатки выполнен из жаропрочных сплавов на основе никеля и присоединен к стальному телу посредством пайки твердым припоем. В соответствии с указанным патентом стоимость пакета лопаток снижена за счет того, что более дорогостоящий жаропрочный сплав используется только в тех местах, где он необходим.
Раскрытие изобретения
Первый объект изобретения относится к топливному инжектору газовой турбины. Топливный инжектор содержит центральное тело, расположенное на продольной оси, и камеру предварительного смешивания, расположенную в радиальном направлении внешне относительно центрального тела и образующую кольцевой канал между центральным телом и камерой предварительного смешивания. Кольцевой канал проходит от входного патрубка, соединенного с возможностью передачи потока с компрессором газотурбинного двигателя, к выходному патрубку, соединенному с возможностью передачи потока с камерой сгорания. Камера предварительного смешивания содержит первый участок, расположенный на входном патрубке и состоящий из нержавеющей стали, и второй участок, расположенный на выходном патрубке, состоящий из жаропрочного сплава на основе никеля и присоединенный к первому участку посредством лазерной наплавки, при этом наклоненная стенка первого участка образует острый угол с продольной осью.
Второй объект изобретения относится к способу изготовления камеры предварительного смешивания топливного инжектора газовой турбины. Способ включает механическую обработку кольцевого паза на трубчатой детали, вытянутой вдоль продольной оси, и нанесение защитного покрытия на паз посредством лазерной наплавки. Способ также включает механическую обработку трубчатой детали с защитным покрытием для получения камеры предварительного смешивания, содержащей защитное покрытие, выполненное в виде полой трубки, простирающейся вдоль продольной оси от одного из концов трубчатой детали.
Дополнительно, способ может включать создание кольцевого паза вдоль длины трубчатой детали и нанесение защитного покрытия на паз посредством лазерной наплавки. Механическая обработка трубчатой детали с защитным покрытием может включать удаление, по меньшей мере, участка трубчатой детали под наплавленным защитным покрытием для обнажения нижней поверхности этого покрытия.
Также камера предварительного смешивания может содержать по существу трубчатое тело, простирающееся вдоль продольной оси от первого конца до второго конца. Трубчатое тело может содержать первый участок, выполненный из первого материала и расположенный у первого конца, и второй участок, выполненный из второго материала и расположенный у второго конца. Первый участок может иметь первый внутренний диаметр и первый внешний диаметр, а второй участок может иметь второй внутренний диаметр и второй внешний диаметр. Второй участок может быть присоединен к первому участку посредством лазерной наплавки.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан примерный турбинный двигатель, вид с частичным разрезом;
на фиг. 2 показан участок примерного топливного инжектора турбинного двигателя по фиг. 1, вид в разрезе;
на фиг. 3 показана блок-схема, иллюстрирующая способ изготовления камеры предварительного смешивания топливного инжектора по фиг. 1; и
на фиг. 4A-4D схематично показаны этапы способа по фиг. 3.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показан пример газотурбинного двигателя 10, который может применяться в любой сфере. Турбинный двигатель 10 может содержать компрессор 2, участок камеры сгорания 4, турбину 6 и сопло 8. Участок камеры сгорания 4 содержит один или более инжекторов 12 топлива, которые смешивают топливо со сжатым воздухом и направляют топливовоздушную смесь в камеру сгорания 14 для ее сжигания. В результате сжигания топливовоздушной смеси образуются газообразные продукты сгорания, имеющие высокое давление и температуру. Эти газообразные продукты направляются в турбину 6, которая отбирает энергию от этих газообразных продуктов и направляет отработавшие выхлопные газы в атмосферу через сопло 8. Сгорание топливовоздушной смеси в камере сгорания 14 приводит к нагреву стенок камеры сгорания 14 и деталей, примыкающих к ней.
На фиг. 2 изображен вид в разрезе участка примерного топливного инжектора 12, примыкающего к камере сгорания 14 турбинного двигателя 10. Топливный инжектор 12 содержит камеру 26 предварительного смешивания, имеющую выходной патрубок (или передний участок 22), который примыкает к камере сгорания 14. В общем случае камера 26 предварительного смешивания может иметь любую форму и конфигурацию. В некоторых примерах осуществления изобретения камера 26 предварительного смешивания может быть в целом цилиндрической и иметь по существу трубчатую конструкцию, вытянутую вдоль продольной оси 50. Передний участок 22 камеры 26 предварительного смешивания может быть состыкован с камерой сгорания 14 любым известным способом. В некоторых примерах осуществления изобретения передний участок 22 может быть состыкован с камерой сгорания 14 таким образом, чтобы допускалось взаимное смещение камеры 26 предварительного смешивания и стенки камеры сгорания (к примеру, для компенсации изменений размеров из-за теплового расширения). Предполагается также, что в некоторых примерах осуществления изобретения передний участок 22 может быть непосредственно соединен со стенкой камеры сгорания 14.
Топливный инжектор 12 может содержать центральное тело 36, расположенное радиально внутри камеры 26 предварительного смешивания, образуя кольцевой канал 16 между ними. Камера 26 предварительного смешивания может направлять топливовоздушную смесь в камеру 14 сгорания через кольцевой канал 16. Топливовоздушная смесь может направляться в камеру 26 предварительного смешивания через завихритель 34 воздуха, расположенный выше по потоку от камеры 26 предварительного смешивания. В некоторых примерах осуществления изобретения входной патрубок (или задний участок 24) камеры 26 предварительного смешивания может быть соединен с завихрителем 34 воздуха посредством припоя 32. Завихритель 34 воздуха может содержать кольцевое пространство с серией присоединенных к нему лопаток. Лопатки сообщают потоку топливовоздушной смеси, проходящей через них, вращательную составляющую скорости. В некоторых примерах осуществления изобретения завихритель 34 воздуха может иметь выходы для топлива (жиклеры, форсунки, спицы и т.д.), которые впрыскивают топливо (любое жидкое или газообразное топливо) в поток сжатого воздуха, проходящего через лопатки, для создания завихренной топливовоздушной смеси. В некоторых случаях центральное тело 36 может вмещать вспомогательный узел, сконфигурированный для направления отдельного потока топлива и воздуха в камеру сгорания 14. Топливовоздушная смесь, поступающая в камеру сгорания 14 через кольцевой канал 16, и поток топлива, поступающий в камеру сгорания 14 через центральное тело 36, воспламеняются и сгорают в камере 14 сгорания.
Горение в камере сгорания 14 вызывает нагрев переднего участка 22 камеры 26 предварительного смешивания. В некоторых примерах осуществления изобретения камера 26 предварительного смешивания может расширяться под действием тепла и тереться о стенку камеры сгорания. Это трение может провоцировать механический износ внешней поверхности переднего участка 22. Чтобы выдерживать высокие температуры, возникающие в камере сгорания 14, и механический износ, передний участок 22 может быть выполнен из материала, способного выдерживать указанные внешние условия. В некоторых примерах осуществления изобретения для переднего участка 22 может быть выбран тот или иной сплав, к примеру жаропрочный сплав на основе никеля. В некоторых примерах осуществления изобретения жаропрочный сплав на основе никеля может включать в себя Alloy-Х (Alloy-230, Alloy-118 и т.д.). Задний участок 24 камеры 26 предварительного смешивания, который контактирует с относительно более холодной топливовоздушной смесью, может быть холоднее и находиться в более благоприятных условиях, чем передний участок 22. Поэтому задний участок 24 может быть выполнен из другого материала, такого как нержавеющая сталь (к примеру, AMS 5653, ASTM А-479 и т.д.). Для увеличения прочности камеры 26 предварительного смешивания (а значит, и повышения надежности топливного инжектора 12) передний участок 22 камеры 26 предварительного смешивания может быть наплавлен лазером или наращен на заднем участке 24.
Передний участок 22 может иметь длину 222 и толщину 322. Длина 222 и толщина 322 могут зависеть от условий применения (к примеру, условий эксплуатации и размера газотурбинного двигателя 10). В общем случае длина 222 переднего участка 22 может варьироваться примерно между 0,5-2,5 дюймами (12,7-63,5 мм), а толщина 322 может варьироваться примерно между 0,15-0,5 дюймами (3,81-12,7 мм). В некоторых примерах осуществления изобретения длина 222 может варьироваться примерно между 0,75-1,5 дюймами (19,05-38,1 мм), а толщина 322 может варьироваться примерно между 0,2-0,5 дюймами (5,08-12,7 мм). В данном описании термин «примерно» используется для обозначения отклонения величины на 10%. К примеру, длина примерно в 0,2 дюйма обозначает длину между 0,18-0,22 дюймами (4,57-5,59 мм).
Лазерная наплавка переднего участка 22 на задний участок 24 позволяет получить камеру 26 предварительного смешивания, в которой передний участок 22 соединен с задним участком 24 посредством лазерной наплавки. При таком соединении передний участок 22 может быть присоединен к заднему участку 24 без помощи связующего материала (или другого промежуточного материала), размещаемого между ними. При лазерной наплавке переднего участка 22 на задний участок 24 осуществляется только локальный нагрев на границе 28 раздела, то есть разжижение материалов (переднего и заднего участков 22, 24) и образование сплава на границе 28 раздела 28 будет минимальным. Лазерная наплавка переднего участка 22 на задний участок 24 (то есть соединение лазерной наплавкой) характеризуется границей 28 раздела, через которую свойства материалов изменяются относительно резко. К примеру, измерение твердости вдоль горизонтальной линии через границу 28 раздела покажет относительно резкое изменение твердости через границу 28.
Следует отметить, что хотя в данном документе описана камера 26 предварительного смешивания топливного инжектора 12 газотурбинного двигателя, это всего лишь один из примеров. В общем случае передний участок 22, выполненный из одного материала, может быть наплавлен лазером на задний участок 24, выполненный из другого материала, и использоваться в качестве компонента в любой сфере применения. К примеру, в случае, если передний участок 22 подвержен повышенному износу по сравнению с его задним участком 24, то передний участок 22, выполненный из износостойкого материала, может быть наплавлен лазером на задний участок 24, выполненный из обычного материала.
В нижеследующем разделе описан примерный способ лазерной наплавки переднего участка 22 на задний участок 24.
Промышленная применимость.
Раскрытая камера предварительного смешивания, выполненная посредством лазерной наплавки, может быть присоединена к любому топливному инжектору для повышения термостойкости камеры предварительного смешивания, без повышения ее стоимости. Поскольку на камеру предварительного смешивания лазером наплавляется термостойкий материал, прочность и надежность камеры предварительного смешивания может быть высока. Ниже описан примерный способ лазерной наплавки термостойкого переднего участка на задний участок, выполненный из нержавеющей стали.
На фиг. 3 изображена блок-схема, иллюстрирующая примерный способ 100 лазерной наплавки переднего участка 22 на задний участок 22 камеры 26 предварительного смешивания. Фиг. 4A-4D схематично иллюстрируют примерный способ 100 поэтапного выполнения камеры 26 предварительного смешивания посредством лазерной наплавки. Подбирается трубка 214 (этап 110), выполненная из материала заднего участка 24, которая при необходимости обрабатывается до необходимых размеров. Как описано выше применительно к заднему участку 24, может быть выбрана трубка 214, выполненная из любого материала на основе нержавеющей стали. Затем посредством механической обработки рядом с одним из концов трубки 214 выполняется паз для получения заготовки 126 (этап 120). Для получения заготовки может быть использован любой известный метод механической обработки. К примеру, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения материл трубки 124 может удаляться с определенной области посредством вращения трубки в токарном станке и ее обработки подходящим обрабатывающим инструментом. Паз 204 может иметь любую необходимую форму и размеры. К примеру, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения паз 204 может иметь наклонную боковую стенку 228. После механической обработки (т.е. этапа 120) трубка 214 может иметь основание 206 уменьшенной толщины, являющееся основанием паза 204. Заготовка поворачивается, и защитное покрытие 212 материала переднего участка 22 может быть нанесено лазером на паз 204 (этап 130). К примеру, если необходима камера 26 предварительного смешивания, имеющая задний участок 24 из нержавеющей стали (AMS 5659) и передний участок 22 из Alloy-230, то обрабатывают трубку 214 из нержавеющей стали (AMS 5659) для получения заготовки 126 с пазом 204, и на паз наносят лазером покрытие 212 из Alloy-230.
Лазерная наплавка - это процесс, при котором на паз 204 наносят исходный наплавляемый материал (в форме проволоки, порошка и т.д.). С помощью сфокусированного лазерного луча расплавляют нанесенный исходный материал и тонкий слой материала основания паза 204 для получения защитного покрытия 212, которое имеет металлургическое соединение с основанием паза 204. Поскольку в ходе лазерной наплавки заготовка 126 вращается, защитное покрытие формируется равномерно вокруг паза 204. Лазерная наплавка схожа с термическим напылением в том, что для расплавления исходного материала, наносимого на основу, используется источник энергии. Однако в противоположность термическому напылению при лазерной наплавке расплавляется также тонкий слой основы, на который наносится исходный материал. Это плавление обеспечивает прочное металлургическое соединение между защитным покрытием 212 и основанием 206. Обычно лазерная наплавка обеспечивает границу раздела, которая имеет большую прочность сцепления по сравнению с прочностью, достигаемой посредством термического напыления. Поскольку в качестве источника теплоты используется сфокусированный лазерный луч, зона в основании 206, подвергаемая воздействию теплоты, будет минимальна. Поскольку технологии лазерной наплавки известны из уровня техники, операции лазерной наплавки здесь не описаны. Для наплавления защитного покрытия 212 может использоваться любая известная технология лазерной наплавки. Защитное покрытие 212 может иметь любую форму и толщину, обеспечивающие получение переднего участка 22 с требуемыми размерами (к примеру, длиной 222 и толщиной 322, см. фиг. 2). В некоторых примерах осуществления изобретения толщина наплавленного защитного покрытия 212 может превышать толщину основания 206, расположенного под защитным покрытием 212.
После наплавки заготовку 226 с защитным покрытием подвергают механической обработке для получения камеры 26 предварительного смешивания, имеющей необходимую конечную форму и размеры (этап 140). В ходе операции механической обработки можно удалить основание 206 на уровне нижней части защитного покрытия 212 для получения свободно стоящего переднего участка 22, выполненного из защитного покрытия 212 и соединенного с задним участком 24 на границе 28 раздела. Наклонная граница 28 раздела позволяет увеличить поверхность контакта между передним участком 22 и задним участком 24, а значит, повысить прочность границы 28 раздела. В некоторых примерах осуществления изобретения граница 28 раздела может иметь другие формы. К примеру, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения граница 28 раздела может быть ступенчатой, а в соответствии с другими вариантами осуществления - вертикальной. Основание 206, на которое наплавлено защитное покрытие 212, удаляют механической обработкой после наплавления, что позволяет минимизировать любые неблагоприятные воздействия процесса лазерной наплавки на камеру 26 предварительного смешивания. В процессе механической обработки могут формироваться и прочие необходимые размеры камеры 26 предварительного смешивания. К примеру, в результате механической обработки внешний диаметр переднего участка 22 может превышать внешний диаметр заднего участка 24, внутренний диаметр переднего участка 22 может быть по существу равен внутреннему диаметру заднего участка 24, а свободный конец переднего участка 22 может содержать фаску.
Поскольку участок лазерной наплавки образует металлургическое соединение с нижележащим основанием, граница раздела между ними может быть прочной. Кроме того, технология лазерной наплавки позволяет минимизировать область основания, подверженного нагреву, при этом основание 206 удаляется после наплавки, поэтому любое неблагоприятное воздействие процесса лазерной наплавки на нижележащее основание может быть минимально. Хотя выше описаны камера 26 предварительного смешивания топливного инжектора 12 с наплавкой и примерный способ наплавки камеры 26 предварительного смешивания, они описаны лишь в качестве примера. В общем случае описанные способы могут быть применены к лазерной наплавке участка любой детали в любой сфере применения.
Специалисту в данной области техники будет очевидно, что к описанной камере предварительного смешивания топливного инжектора, полученной с помощью лазерной наплавки, могут быть применены разнообразные модификации и вариации. Специалисту в данной области техники будут очевидны другие варианты осуществления изобретения после ознакомления с описанием и применения на практике описанной камеры предварительного смешивания. Предполагается, что описание и примеры следует рассматривать лишь как примерные, при этом действительный объем обозначен формулой изобретения и ее эквивалентами.