СПОСОБ И УСТРОЙСТВА (ВАРИАНТЫ) ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ИЗНОСА В СИСТЕМЕ СГОРАНИЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ
METHOD AND DEVICE (VERSIONS) TO DECREASE WEAR IN COMBUSTION SYSTEM OF GAS TURBINE

Область техники
Воплощения раскрываемого здесь предмета изобретения в общем относятся к защите от износа и, более конкретно, к добавлению вставок в оборудование камеры сгорания газотурбинных систем.
Уровень техники
Топки используют в газовых турбинах для поставки горячих газообразных продуктов сгорания на первую ступень турбины. Каждая топка, используемая в системе, включает обычно систему впрыска топлива с одной или несколькими форсунками и камеру сгорания. Обычная камера сгорания может включать жаровую трубу камеры сгорания, переходной патрубок, который соединен с первой ступенью турбины и проходит между камерой сгорания и первой ступенью турбины, и подающий рукав. Между жаровой трубой камеры сгорания и подающим рукавом обеспечен канал, который позволяет подавать по меньшей мере часть нагнетаемого компрессором воздуха в жаровую трубу камеры сгорания для смешивания с топливом, впрыскиваемым в систему через форсунки, и с целью охлаждения. К тому же, переходной патрубок направляет и поставляет горячие газообразные продукты сгорания к первой ступени турбины для генерирования энергии и расширения.
Более подробно топка и связанный с ней переходной патрубок описаны в связи с Фиг. 1. Топка 2, которую используют в газовой турбине, имеет камеру сгорания 4, находящуюся внутри жаровой трубы 6 камеры сгорания, которая может иметь цилиндрическую форму. Топливо подают в камеру сгорания 4 через форсунку(и) 12. Жаровая труба 6 камеры сгорания окружена по существу цилиндрическим подающим рукавом 8. Однако между жаровой трубой 6 камеры сгорания и цилиндрическим подающим рукавом 8 обеспечен радиальный зазор, который служит в качестве канала для подачи воздуха в камеру сгорания 4, смешиваемого с топливом, подаваемым через топливную форсунку 12. Переходной патрубок 10 соединяет жаровую трубу 6 камеры сгорания с первой ступенью турбины (не показано). Более подробную информацию, касающуюся топки для применения в газовой турбине можно найти в US 5749218 под названием «Оборудование для снижения износа для топки газовой турбины», полное описание которого включено здесь по упоминанию.
Во время работы на некоторые детали камеры сгорания оказывает воздействие, например, вибрация оборудования, вызывая их износ. Этот износ приводит к простоям и замене деталей, что ведет к частому техническому обслуживанию и увеличению стоимости. Одним из способов уменьшения износа деталей камеры сгорания газовой турбины является нанесение покрытия напылением. Например, покрытия, полученные высокоскоростным напылением кислородного топлива (ВНКТ), используют для увеличения износостойкости деталей, которые оказываются подверженными разрушению, вызываемому износом. Эти способы нанесения покрытия напылением, хотя и улучшают износостойкость, не могут обеспечить, или экономически эффективно обеспечить, достаточную толщину покрытия, напротив, их обычно используют в областях применения, где требуется толщина покрытия примерно 0,5 мм или менее. К тому же, эти механизмы для нанесения покрытия напылением, устанавливают примерно под углом 90° к поверхности, на которую наносят требуемое покрытие. Геометрические особенности некоторых деталей, на которые необходимо нанести покрытие, например углы или различные изгибы, не позволяют достигнуть необходимого наклона (между форсункой для напыления покрытия и поверхностью детали), что приводит либо к тонкому слою покрытия, либо его отсутствию.
Соответственно, требуются устройства и способы для уменьшения износа, увеличения срока службы деталей топки газовой турбины и снижения экономических затрат.
Сущность изобретения
В соответствии с типичным воплощением обеспечено устройство для уменьшения износа в системе сгорания газовой турбины. Устройство включает: по меньшей мере один по существу Η-образный блок, выполненный для скрепления переходного патрубка топки газовой турбины с элементом крепежной оснастки; первую вставку, включающую первый карбид вольфрама в первой металлической матрице, где указанная первая металлическая матрица выбрана из группы, включающей кобальт и никель; и первый твердый припой между указанным по меньшей мере одним по существу Н-образным блоком и указанной первой вставкой, причем указанный первый твердый припой предназначен для припаивания указанной первой вставки к указанному по меньшей мере одному по существу Н-образному блоку по меньшей мере в одном положении на внутренней поверхности износа указанного по меньшей мере одного по существу Н-образного блока, где указанная внутренняя поверхность указанного по меньшей мере одного по существу Н-образного блока включает первую поверхность, по существу перпендикулярную второй поверхности, которая по существу перпендикулярна третьей поверхности, а указанная третья поверхность по существу параллельна первой поверхности и имеет по существу такую же площадь поверхности.
В соответствии с другим типичным воплощением обеспечен способ уменьшения износа в системе сгорания газовой турбины. Способ включает: покрытие по меньшей мере одной известной площади износа по меньшей мере одного по существу Н-образного блока вставкой, включающей карбид вольфрама в металлической матрице, выбранной из группы, включающей кобальт и никель, где указанная по меньшей мере одна известная площадь износа по меньшей мере одного по существу Н-образного блока расположена на внутренней поверхности указанного по меньшей мере одного по существу Н-образного блока и включает первую поверхность, по существу перпендикулярную второй поверхности, которая по существу перпендикулярна третьей поверхности, а указанная третья поверхность по существу параллельна первой поверхности и имеет по существу такую же площадь поверхности; и припаивание указанной вставки к указанному по существу Н-образному блоку.
В соответствии с другим типичным воплощением обеспечено устройство для уменьшения износа в системе сгорания газовой турбины. Устройство включает по меньшей мере один по существу Η-образный блок, выполненный для скрепления переходного патрубка топки газовой турбины с элементом крепежной оснастки, и вставку, выполненную для покрытия площади износа внутренней поверхности Н-образного блока, причем указанная вставка включает смесь карбида вольфрама и твердого припоя в металлической матрице, где указанная металлическая матрица выбрана из группы, включающей кобальт и никель; где указанная внутренняя поверхность указанного по меньшей мере одного по существу Н-образного блока включает первую поверхность, по существу перпендикулярную второй поверхности, которая по существу перпендикулярна третьей поверхности, а указанная третья поверхность по существу параллельна первой поверхности и имеет по существу такую же площадь поверхности.
Предложенные устройства и способы обеспечивают уменьшение износа деталей камеры сгорания газовой турбины, которые имеют геометрическую форму, непригодную для нанесения покрытия напылением или другими традиционными способами.
Краткое описание чертежей
Приложенные чертежи иллюстрируют типичные воплощения, где:
на Фиг. 1 представлена обычная топка и переходной патрубок;
на Фиг. 2 изображен Η-образный блок, прикрепленный к фланцу в соответствии с типичными воплощениями;
на Фиг. 3 показан элемент крепежной оснастки и штифты, в соответствии с типичными воплощениями;
на Фиг. 4 изображена жаровая труба камеры сгорания и стопор жаровой трубы камеры сгорания, в соответствии с типичными воплощениями;
на Фиг. 5 показан стопор жаровой трубы камеры сгорания и сопрягаемая с ним деталь, в соответствии с типичными воплощениями;
на Фиг. 6 показан Η-образный блок с вставками в соответствии с типичными воплощениями;
на Фиг. 7 изображен стопор жаровой трубы камеры сгорания с вставкой в соответствии с типичными воплощениями;
на Фиг. 8 показан Η-образный блок с материалом в виде полосы, покрывающим площадь износа в соответствии с типичными воплощениями;
Фиг. 9 представляет собой схему, иллюстрирующую способ уменьшения износа в соответствии с типичными воплощениями.
Подробное описание изобретения
Нижеследующее подробное описание типичных воплощений представлено в связи с приложенными чертежами. Одинаковые номера позиций на различных чертежах определяют такие же или подобные элементы.
Кроме того, чертежи не всегда выполнены в масштабе. Также, представленное подробное описание не ограничивает изобретение. Напротив, область защиты изобретения определена приложенной формулой изобретения.
Ссылки по всему описанию на «одно воплощение» или «воплощение» означают, что признак, конструкция или характеристика, описанные в связи с воплощением, включены по меньшей мере в одно воплощение настоящего изобретения. Таким образом, фразы «в одном воплощении» или «в воплощении» в различных местах описания необязательно отсылают к одному и тому же воплощению. Кроме того, частные признаки, конструкции или характеристики можно сочетать любым подходящим образом в одном или более воплощениях.
Как описано выше, различные детали топки могут со временем изнашиваться, вследствие, например, вибрации, когда газовая турбина находится в эксплуатации. Примеры мест износа включают, но не ограничиваются перечисленными, различные соединительные элементы, места соединений и стопоры (см. Фиг.1), связанные с элементами жаровой трубы 6 камеры сгорания и переходного патрубка 10, которые используют при скреплении двух элементов, а также места стыка жаровой трубы 6 камеры сгорания и подающего рукава 8. Более конкретно, стопоры можно использовать для установления, фиксации и соблюдения требуемого радиального зазора между жаровой трубой 6 камеры сгорания и подающим рукавом 8 на одном конце жаровой трубы 6 камеры сгорания. Н-блок, соединенный со штифтами, используют на другом конце жаровой трубы 6 камеры сгорания для соединения жаровой трубы 6 камеры сгорания и переходного патрубка 10. Н-блок здесь также упоминают как «по существу Н-образный блок» и «Н-образный блок». Кроме того, способы и системы для соединения этих деталей, в общем, известны из уровня техники, например, из US 5749218 (полное содержание которого включено в данную заявку по упоминанию) и, в связи с этим, в данном описании представлены только общие сведения относительно мест соединения для описываемых типичных воплощений.
В соответствии с типичными воплощениями износостойкость этих точек контакта можно изменить так, чтобы увеличить срок их службы. Перед обсуждением этих воплощений описаны Фиг.2-5, чтобы создать представление относительно элементов, которые подвержены износу в системы сгорания газовой турбины. Во первых, как видно из Фиг.2, переходной патрубок 10 может иметь фланцевую секцию 208, которая имеет отверстие 210. Внутри отверстия 210, прикрепленный к фланцевой секции 208, размещен Н-образный блок 202. Н-образный блок 202 может быть прикреплен к фланцевой секции 208 различными способами, например, сваркой. Хотя на Фиг.2 показан только один Н-образный блок 202 и одна фланцевая секция 208, могут быть обеспечены две эти детали/секции, соединенные с переходным патрубком 10. Штифты 204 и 206 установлены с возможностью скольжения внутри Н-образного блока 202, с обеспечением зацепления противоположными боковыми поверхностями штифтовых элементов противоположных сторон крестообразного участка 212 Н-образного блока 202. Как показано на Фиг.3, штифты 204 и 206 прикреплены к конструктивному элементу 214, который прикреплен к раме (не показана), которая удерживает жаровую трубу 6 камеры сгорания. Износ может происходить на внутренних поверхностях Н-образного блока 202, где штифты 204 и 206 могут подвергаться трению и вибрировать. Износ может происходить на боковых поверхностях штифтов 204 и 206, которые контактируют с внутренними поверхностями Н-образного блока.
На Фиг.4 показана жаровая труба 6 камеры сгорания с прикрепленным стопором 402 жаровой трубы камеры сгорания. При необходимости, ряд стопоров 402 жаровой трубы камеры сгорания может быть прикреплен к жаровой трубе 6 камеры сгорания. На Фиг.5 показан стопор 402 жаровой трубы камеры сгорания и охватываемая сопряженная деталь 404. Охватываемая сопряженная деталь прикреплена к внутренней стороне подающего рукава 8. Места сопряжения этих двух деталей также являются местами повышенного износа при работе топки 2. К тому же, Н-образные блоки 202, стопоры 402 жаровой трубы камеры сгорания и соответствующие им сопряженные детали могут быть изготовлены из жаропрочного сплава на основе кобальта, например, L-605 или Hynes 25.
При эксплуатации некоторые из различных изнашиваемых элементов в топке 2 могут иметь короткий срок службы, что приводит к более частым, чем желательно, осмотрам и заменам деталей. В соответствии с типичным воплощением, применение карбида вольфрама в металлической матрице, например, из кобальта или никеля, может увеличить износостойкость различных изнашиваемых элементов, что приводит к снижению частоты осмотров и замен различных изношенных деталей в топке 2 газовой турбины.
Карбид вольфрама в металлической матрице формируют с получением требуемой формы для увеличения срока эксплуатации детали, например, путем создания поверхности износа с высокой твердостью. Например, соответствующее количество карбида вольфрама в никеле или кобальте позволяет обеспечить требуемую прочность и другие свойства детали при эксплуатации топки при высоких температурах. Карбид вольфрама в металлической матрице, который здесь также упоминают как «карбидовольфрамовая вставка» или «вставка», можно получать посредством процесса спекания. Карбидовольфрамовые вставки изготавливают из порошкообразного карбида вольфрама, внедренного в металлическую матрицу. Порошок засыпают в пресс-форму для получения вставки требуемой формы. К порошку прилагают давление, например, 100 МПа (1000 бар), а затем порошок, находящийся в пресс-форме под давлением, подвергают спеканию в печи при температуре 1200°С. После спекания вставку можно дополнительно обрабатывать для получения требуемой формы, если необходимо, посредством различных процессов, например, шлифовки для получения окончательной формы, размеров и состояния поверхности. Затем вставку можно прикрепить в требуемом месте детали, например, к поверхностям износа, посредством пайки, используя соответствующий твердый припой, такой как, например, низкоплавкий сплав для твердой пайки, такой как серебряный порошок для твердой пайки карбида вольфрама и детали. В соответствии с другими типичными воплощениями, вставку можно присоединять к основной детали механическим способом, например, вставку можно прикручивать болтами.
В соответствии с другим типичным воплощением вся деталь, которая испытывает износ, может быть выполнена с использованием карбида вольфрама в металлической матрице. В этом случае пресс-форму, которая имеет форму детали, а не вставки, заполняют порошкообразным карбидом вольфрама в кобальтовой или никелевой матрице и подвергают процессу спекания. При необходимости, деталь можно затем обрабатывать для приведения в соответствие с требуемой формой детали, перед помещением ее в систему сгорания. Формируемая деталь может включать, не ограничиваясь перечисленным, Н-образный блок 202, стопор 402 жаровой трубы камеры сгорания, охватываемую сопряженную деталь 404 и штифты 202 и 204.
В соответствии с типичным воплощением содержание карбида вольфрама в металлической матрице может составлять примерно от 10 до 20 масс.%. Факторы, по которым выбирают количество карбида вольфрама в металлической матрице, включают, но не ограничиваются перечисленным, такие показатели, как хрупкость, пластичность и твердость. К тому же, в другом типичном воплощении содержание карбида вольфрама в металлической матрице составляет примерно 12 масс.%.
В соответствии с другими типичными воплощениями, описанными выше, можно использовать пресс-форму для формирования вставки или множество пресс-форм можно использовать для формирования множества, возможно различных, вставок. Эти вставки могут представлять собой единую деталь или, если потребуется, сочетание деталей. К тому же, спекание карбида вольфрама в металлической матрице позволяет изготавливать относительно толстые вставки, например 1 мм или толще, по сравнению с толщиной обычно используемых покрытий, получаемых напылением, которые, например, имеют толщину менее 1 мм, но обычно менее 0,5 мм. В соответствии с другим типичным воплощением, толщина вставок составляет примерно 2-4 мм. Также, вставки различной формы и геометрии можно получать для покрытия поверхностей при однородной толщине вставки, например, внутренних углов Н-образного блока 202. Н-образный блок 202 часто имеет длину примерно 5,08 см и ширину примерно 2,54 см.
В соответствии с типичным воплощением вставка может быть прикреплена на известных площадях износа Н-образного блока 202, как показано на Фиг.6. Поверхностями износа, связанными с Н-образным блоком 202, являются поверхности 604 раздела между Н-образным блоком 202 и вставкой(ами) 602. Причиной этого износа является контакт и взаимное перемещение Н-образного блока 202 и штифтов 204, 206 (показаны на Фиг.2 и 3). Каждая вставка может быть установлена в виде единой детали приблизительно U-образной формы или, например, в виде трех отдельных деталей, по одной на каждую поверхность. Поверхности износа являются внутренними поверхностями Н-образного блока 202 и могут быть описаны как первая поверхность 606, по существу перпендикулярная второй поверхности 608, которая по существу перпендикулярна третьей поверхности 610, причем третья поверхность 610 по существу параллельна первой поверхности 606 и имеет по существу такую же площадь поверхности. Подобные вставки могут быть установлены на поверхностях износа штифтов 204 и 206.
В соответствии с другим типичным воплощением вставка может быть прикреплена к известным площадям износа стопора 402 жаровой трубы камеры сгорания, как показано на Фиг.7. Каждая вставка 702 может быть установлена в виде единой детали по существу U-образной формы или, например, в виде трех отдельных деталей, по одной на каждую поверхность. Поверхности износа являются внутренними поверхностями стопора 402 жаровой трубы и могут быть описаны как первая поверхность 704, по существу перпендикулярная второй поверхности 706, которая по существу перпендикулярна третьей поверхности 708, причем третья поверхность 706 по существу параллельна первой поверхности 704 и имеет по существу такую же площадь поверхности. Подобные вставки можно прикреплять к сопрягаемым поверхностям износа охватываемой сопряженной детали 404.
IC
IC
IC
Типичные воплощения, описываемые здесь, могут обеспечивать повышенную износостойкость деталей камеры сгорания без геометрических ограничений, связанных с процессами нанесения покрытий напылением. При использовании спеченного карбида, вставки могут иметь твердость более 1500 HV (единиц по Викерсу; метод алмазных пирамидок Викерса) на различных сопряженных поверхностях, что снижает потерю материала из-за явления износа. Что касается различных свойств материала вставок, твердость главным образом определяется присутствием карбидов, в то время как стойкость к окислению и когезионную прочность вставки обеспечивает металлическая матрица. Пластичность вставок можно регулировать изменением химического состава матрицы. В соответствии с типичными воплощениями, значения твердости для вставок может составлять от 1000 до 1800 HV, или даже больше в некоторых случаях. Трещиностойкость или вязкость может составлять от К 5 до К 30. В соответствии с другим типичным воплощением, твердость может составлять примерно 1250 HV при трещиностойкости К примерно 20.
-1
-1
Использование низкоплавкого твердого припоя 710, например, серебряного порошка для твердой пайки, обеспечивает проникновение твердого припоя 710 в структуру вставки, которая, когда твердый припой 710 диффундирует в основной материал 402, создает металлургическое соединение с минимальной пористостью (или без нее) и хорошей адгезией между основным материалом 402 и вставками 702. К тому же, в соответствии с типичными воплощениями, эти вставки можно применять с другими плоскими или изогнутыми поверхностями в газовой турбине или другом устройстве, при условии, что несоответствие коэффициента термического расширения между вставкой и основным материалом защищаемой детали лежит в пределах допустимых конструктивных ограничений, например, при достижении более высокой адгезии допускается большее несоответствие. Например, коэффициент термического расширения (КТР) основного материала равен приблизительно 14°С, тогда как КТР карбида вольфрама составляет приблизительно 6°С, однако термоциклические тесты показали, что адгезия сохраняется при температуре 400-500°С, и такое несоответствие допустимо в соответствии с типичными воплощениями.
В соответствии с типичными воплощениями в одном применении различные составы вставок могут применять для одной и той же детали, например, Н-образного блока, с соответствующими различными твердыми припоями. В другом применении первый материал вставки и первый твердый припой можно использовать для Н-образного блока, а второй материал вставки, отличный от первого материала вставки, и второй твердый припой, отличный от первого твердого припоя, можно использовать для стопора жаровой трубы камеры сгорания.
В соответствии с другим типичным воплощением вставки можно формировать с порошкообразным твердым припоем, смешанным с порошкообразным карбидом вольфрама. Эту порошковую смесь затем подвергают давлению для создания путем прессования материала в виде полосы, т.е., смешанный порошок еще податлив и имеет достаточную целостность для того, чтобы слипаться при нанесении его на поверхность износа. Этот материал в виде полосы затем наносят на требуемую поверхность износа и подвергают термической обработке. Во время термической обработки порошок твердого припоя в составе смешанного порошка диффундирует в основной металл, сплавляя материал в виде полосы с основным металлом. В то же время, карбид вольфрама спекается. Таким образом, в соответствии с этим типичным воплощением, стадию пайки и стадию спекания осуществляют одновременно.
Пример материала 802 в виде полосы, покрывающего участок 804 износа Н-образного блока 202, показан на Фиг.8. В соответствии с альтернативным типичным воплощением, можно добавлять полимер в смесь порошка твердого припоя и порошка карбида вольфрама, в низких концентрациях, для увеличения гибкости материала в виде полосы. Кроме того, летучие органические соединения в полимере низкой концентрации обычно выжигаются во время процесса термообработки.
С использованием описанных выше устройств в соответствии с типичными воплощениями, способ уменьшения износа показан на схеме Фиг.9. Способ уменьшения износа в системе сгорания газовой турбины включает: стадию 902 обеспечения вставки, включающей карбид вольфрама в металлической матрице, где металлическую матрицу выбирают из группы, включающей кобальт и никель; стадию 904 покрытия вставкой по меньшей мере одной известной площади износа по меньшей мере одного по существу Н-образного блока; где по меньшей мере одна известная площадь износа по меньшей мере одного по существу Н-образного блока расположена на внутренней поверхности по меньшей мере одного по существу Н-образного блока, включающей первую поверхность, перпендикулярную второй поверхности, которая по существу перпендикулярна третьей поверхности, и третья поверхность по существу параллельна первой поверхности и имеет по существу такую же площадь поверхности; стадию 906 припаивания вставки к по существу Н-образному блоку.
В то время как использование карбида вольфрама для улучшения характеристик износа в связи с деталями газовой турбины было описано выше в некоторых типичных воплощениях, карбид вольфрама в металлической матрице, например, кобальта или никеля, можно использовать, благодаря его свойствам, для других применений. Например, при использовании карбида вольфрама в металлической матрице, можно создать, по потребности, различные формы, размеры и толщины деталей в течение процессе спекания, возможно для использования в других высокотемпературных применениях, которые могут иметь преимущества, благодаря свойствам карбида вольфрама в металлической матрице.
Описанные выше типичные воплощения следует рассматривать как иллюстративные во всех отношениях, а не ограничивающие настоящее изобретение. Таким образом, настоящее изобретение возможно реализовать во многих вариантах детального исполнения, что может быть выполнено специалистом в данной области техники на основании представленного описания. Все эти варианты и модификации следует считать лежащими в пределах объема защиты и сущности настоящего изобретения, как определено в последующей формуле изобретения. Ни один элемент, действие или инструкция, используемые в описании заявки, не могут быть истолкованы как решающий или существенный для изобретения, если это явным образом не описано. Также, как используют здесь, элемент, указанный в единственном числе, подразумевает включение одного или более элементов.
В этом описании представлены примеры раскрываемого предмета изобретения, чтобы любой специалист в данной области техники мог реализовать изобретение, включая производство и использование любых устройств и систем и выполнение любых связанных с этим способов. Область защиты изобретения определяется формулой изобретения и может включать другие примеры, которые могут возникнуть при реализации изобретения специалистами в данной области техники. Такие другие примеры находятся в пределах объема формулы изобретения.