КАМЕРА СГОРАНИЯ В СБОРЕ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО АГРЕГАТА СО СЛОЕМ ТВЕРДОГО ПРИПОЯ БЕЗ УЧАСТКА ЭВТЕКТИЧЕСКОГО СПЛАВА
COMBUSTION CHAMBER IN ASSEMBLY FOR GAS TURBINE UNIT WITH LAYER OF BRAZING ALLOY WITHOUT SECTION OF EUTECTIC ALLOY

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к газотурбинным агрегатам, а в частности к нанесению слоя твердого припоя, используемого при сборке топливной форсунки, которая крепится к камере сгорания в сборе.
Предпосылки создания изобретения
Газотурбинные агрегаты включают в себя компрессор, камеру сгорания и секции турбины. Камера сгорания включает топливную форсунку с одним или несколькими компонентами, паянными твердым припоем. Компоненты топливной форсунки, паянные твердым припоем, противостоят термическим и механическим нагрузкам во время эксплуатации газотурбинного агрегата.
В патентной заявке США, опубликованной через 18 месяцев с даты приоритета за № 2007/00391777, Й. Йошока описывает способ восстановления неподвижной лопатки статора газовой турбины, включая стачивание окисленного слоя и трещин, образовавшихся на части поверхности таким образом, что часть трещин остается. Способ также включает заполнение ремонтируемого участка эквивалентным материалом и пайку твердым припоем. Эквивалентный материал сцеплялся с основным материалом неподвижной лопатки статора. Материал для пайки твердым припоем имеет температуру плавления ниже, чем эквивалентный материал. Способ также включает в себя термическую обработку под давлением в атмосфере инертного газа заполненного участка, позволяющую расплавить материал для пайки твердым припоем. Способ дополнительно включает в себя выполнение пайки твердым припоем с диффузией материала для пайки твердым припоем в треснувшие участки.
Настоящее изобретение направлено на решение одной или нескольких проблем, обнаруженных автором изобретения или известных в отрасли техники, к которой относится данное изобретение.
Краткое изложение сущности изобретения
В одном варианте осуществления описывается топливная форсунка для камеры сгорания в сборе газотурбинного агрегата. Топливная форсунка включает первый компонент, второй компонент и слой твердого припоя. Первый компонент имеет боковую стенку. Второй компонент также имеет боковую стенку. Слой твердого припоя наносится между боковой стенкой первого компонента и боковой стенкой второго компонента. Слой твердого припоя формируется из никелевого (Ni) сплава для пайки твердым припоем, содержащего неметаллический компоненты. Слой твердого припоя также имеет участок без эвтектического сплава, по существу состоящий из неметаллических компонентов, диффундированных от срединной области между первым компонентом и вторым компонентом.
В другом варианте осуществления описывается другая топливная форсунка для камеры сгорания в сборе газотурбинного агрегата. Топливная форсунка включает первый компонент, второй компонент и слой твердого припоя. Первый компонент имеет боковую стенку. Второй компонент также имеет боковую стенку. Слой твердого припоя наносится между боковой стенкой первого компонента и боковой стенкой второго компонента. Слой твердого припоя сформирован из никелевого (Ni) сплава для пайки твердым припоем, содержащего неметаллический компоненты. Слой твердого припоя образуется за счет процесса пайки твердым припоем. Процесс пайки твердым припоем включает нагревание материала для пайки твердым припоем до первой температуры, которая выше температуры ликвидуса материала для пайки твердым припоем. Процесс пайки твердым припоем также включает выдерживание материала для пайки твердым припоем при первой температуре в течение, по меньшей мере, 10 минут. Процесс пайки твердым припоем дополнительно включает охлаждение материала для пайки твердым припоем до второй температуры, которая ниже температуры солидуса материала для пайки твердым припоем, с регулируемой скоростью в течение периода, по меньшей мере, равного 5 минутам. Процесс пайки твердым припоем дополнительно включает выдерживание материала для пайки твердым припоем при второй температуре в течение, по меньшей мере, 30 минут. Процесс пайки твердым припоем также включает нагревание материала для пайки твердым припоем до третьей температуры, которая выше температуры ликвидуса материала для пайки твердым припоем, с регулируемой скоростью в течение периода, по меньшей мере, равного 5 минутам, причем третья температура ниже первой температуры. Процесс пайки твердым припоем дополнительно включает выдерживание материала для пайки твердым припоем при третьей температуре в течение, по меньшей мере, 30 минут. Процесс пайки твердым припоем далее включает охлаждение материала для пайки твердым припоем до четвертой температуры, которая выше температуры солидуса материала для пайки твердым припоем и ниже температуры ликвидуса, с регулируемой скоростью в течение периода, по меньшей мере, равного 3 минутам.
В другом варианте осуществления описывается способ пайки твердым припоем участка газотурбинного агрегата. Способ включает нанесение слоя твердого припоя, сформированного из никелевого (Ni) сплава для пайки твердым припоем, содержащего неметаллические компоненты, на деталь. Способ также включает нагревание материала для пайки твердым припоем до первой температуры, которая выше температуры ликвидуса материала для пайки твердым припоем. Способ дополнительно включает выдерживание материала для пайки твердым припоем при первой температуре в течение первого периода времени, достаточного для разжижения материала для пайки твердым припоем и пропитывания им паяного соединения. Способ дополнительно включает охлаждение материала для пайки твердым припоем до второй температуры, которая ниже температуры солидуса материала для пайки твердым припоем, с регулируемой скоростью в течение второго периода времени, достаточного для предотвращения коробления участка из-за тепловой инерции. Способ также включает выдерживание материала для пайки твердым припоем при второй температуре в течение третьего периода времени, достаточного для диффузии части неметаллических компонентов от срединной области паяного соединения. Способ дополнительно включает нагревание материала для пайки твердым припоем до третьей температуры, которая выше температуры ликвидуса материала для пайки твердым припоем, с регулируемой скоростью в течение четвертого периода времени, достаточного для предотвращения коробления участка из-за тепловой инерции, причем третья температура ниже первой температуры. Кроме того, способ включает выдерживание материала для пайки твердым припоем при третьей температуре в течение пятого периода времени, достаточной для освобождения срединной области паяного соединения от неметаллических компонентов. Способ дополнительно включает охлаждение материала для пайки твердым припоем до четвертой температуры, которая выше температуры солидуса материала для пайки твердым припоем и ниже температуры ликвидуса, с регулируемой скоростью в течение шестого периода времени, достаточного для предотвращения коробления детали из-за тепловой инерции.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлено схематическое изображение примерного газотурбинного агрегата.
На фиг. 2 представлен вид в перспективе топливной форсунки для камеры сгорания, изображенной на фиг. 1.
На фиг. 3 Представлен микроснимок перечного сечения паяного соединения трубы горелки топливной форсунки, изображенной на фиг. 1.
На фиг. 4 Представлен микроснимок перечного сечения паяного соединения штуцера топливной форсунки, изображенной на фиг. 1.
На фиг. 5 представлено увеличенное изображение части V, материала для пайки твердым припоем, изображенного на фиг. 3 во время процесса пайки.
На фиг. 6 представлено увеличенное изображение части V, материала для пайки твердым припоем, изображенного на фиг. 3 с неметаллическими компонентами, диффундированными от срединной области во время процесса пайки, согласно варианту осуществления.
На фиг. 7 представлена блок-схема последовательности операций способа пайки детали топливной форсунки в газотурбинном агрегате.
Подробное описание изобретения
Системы и способы, описанные здесь, включают топливную форсунку, состоящую, по меньшей мере, из двух узлов со слоем твердого припоя между двумя узлами. В вариантах осуществления, слой твердого припоя сформирован из никелевого (Ni) сплава для пайки твердым припоем, содержащего неметаллический компоненты. Слой твердого припоя имеет участок без эвтектического сплава с неметаллическими компонентами вдоль срединной области между узлами топливной форсунки. Участок без эвтектического сплава способен уменьшать или предотвращать образование трещин в слое твердого припоя во время эксплуатации газотурбинного агрегата.
На фиг. 1 представлено схематическое изображение примерного газотурбинного агрегата 100. Некоторые из поверхностей не показаны или, наоборот, выделены (на этом и на других рисунках) для ясности и простоты объяснения. Кроме того в описании имеется ссылка на переднее и заднее направление. Как правило, все ссылки на «передний» и «задний» связаны с направлением потока первичного воздуха (воздуха, который используется в процессе горения), если не указано иное. Например, "передний" понимается как "передний по ходу" по отношению к первичному потоку воздуха, а "задний" понимается как "задний по ходу" по отношению к первичному потоку воздуха.
Кроме того, в описании имеется общая ссылка на центральную ось вращения 95 газотурбинного агрегата, которая, как правило, определяется продольной осью его вала 120 (с опорой в нескольких подшипниковых узлах 150). Центральная ось 95 может быть общей или совмещенной с другими различными концентрическими узлами агрегата. Все ссылки на радиальные, осевые и окружные направления и размеры приводятся относительно центральной оси 95, если не указано иное, и такие термины, как «внутренний» и «внешний» обычно указывают на большее или меньшее радиальное расстоянии от центральной оси 95, где радиус 96 может быть в любом направлении перпендикулярном и расходящимся наружу от центральной оси 95.
Газотурбинный агрегат 100 включает в себя устройство забора воздуха 110, вал 120, компрессор 200, камеру сгорания 300, турбину 400, систему отвода выхлопных газов 500 и муфту отбора выходной мощности 600. Газотурбинный агрегат100 может быть одновальным или двухвальным.
Компрессор 200 включает в себя ротор компрессора в сборе 210, неподвижные лопатки компрессора (направляющие лопатки) 250 и входной направляющий аппарат 255. Ротор компрессора в сборе 210 механически соединен с валом 120. Как показано, компрессор ротора в сборе 210 представляет собой осевой компрессор. Ротор компрессора в сборе 210 включает в себя один или несколько дисков компрессора в сборе 220. Каждый диск компрессора в сборе 220 содержит диск ротора компрессора с установленными по окружности лопатками ротора компрессора. Неподвижные лопатки компрессора 250 следуют за каждой сборкой 220 диска компрессора в осевом направлении. Каждая сборка 220 диска компрессор спарена с соседними неподвижными лопатками компрессора 250, которые следуют за сборкой 220 диска компрессора, и считаются ступенью компрессора. Компрессор 200 включает в себя несколько ступеней компрессора. Входной направляющий аппарат 255 расположен вдоль оси, предваряя ступени компрессора.
Камера сгорания 300 включает одну или нескольких камер сгорания 305, одну или несколько топливных форсунок 310 и кожух 301 камеры сгорания, расположенный радиальном направлении наружу от камеры сгорания 305. Каждая топливная форсунка 310 имеет ряд компонентов и субкомпонентов, включая: трубу горелки 330, примыкающую к камере сгорания 305; фланец 312, примыкающий к кожуху 301 камеры сгорания; выступ 315 для штуцеров, выступающий из фланца 312; и полое тело 320, простирающееся от фланца 312 в направлении, противоположном направлению выступа 315 для штуцеров, между выступом 315 для штуцеров и трубой горелки 330. Труба горелки 330, выступ 315 для штуцеров и полое тело 320 могут иметь слой твердого припоя, как обсуждается ниже со ссылками на фиг. 3 и 4.
Турбина 400 включает в себя ротор турбины в сборе 410 и сопла турбины 450. Ротор турбины в сборе 410 механически соединен с валом 120. Как показано, ротор турбины в сборе 410 представляет собой осевую турбину. Ротор турбины в сборе 410 включает в себя один или несколько дисков турбины в сборе 420. Каждый диск турбины в сборе 420 включает в себя диск турбины с установленными по окружности лопатками 430 турбины. Сопла турбины 450 установлены перед каждым диском турбины в сборе 420. Каждый диск турбины в сборе 420 спарен с соседними соплами турбины 450, которые установлены перед диском турбины в сборе 420 и считаются ступенью турбины. Турбина 400 включает в себя несколько ступеней.
Систему отвода выхлопных газов 500 включает в себя выхлопной диффузор 510 и коллектор выхлопных газов 520. Муфта отбора выходной мощности 600 размещает на конце вала 120.
На фиг. 2 представлен вид в перспективе топливной форсунки 310 для камеры сгорания 300, изображенной на фиг. 1. Согласно фиг. 2, выступ 315 для штуцеров, фланец 312 и полое тело 320 представляют собой цельную деталь. Выступ 315 для штуцеров имеет цилиндрический или призматический профиль, простирающийся от фланца 312. Несколько штуцеров соединяются с выступом 315 для штуцеров. Топливопроводы жидкого топлива, газового топлива и воздухопроводы присоединяются к штуцерам для подачи жидкого топлива, газового топлива и воздуха в топливную форсунку 310. В варианте осуществления, показанном на фиг. 2, штуцер 316 жидкого топлива присоединен сбоку к выступу 315 для штуцеров, а штуцер 317 газового топлива присоединен к верхней поверхности выступа 315 для штуцеров. В показанном варианте осуществления штуцеры 318 и 319 также присоединены сбоку к выступу 315 для штуцеров. Штуцеры 318 и 319 могут использоваться для подачи жидкого или газового пускового топлива или использоваться для подачи воздуха. Слой твердого припоя накладывается в стыке между каждым из штуцеров (316, 317, 318, 319) и выступом 315 для штуцеров, как описывается ниже со ссылкой на фиг. 4.
Фланец 312 может иметь круглый или многоугольный профиль. В варианте осуществления, показанном на фиг. 2 фланец 312 имеет прямоугольный профиль. Фланец 312 имеет несколько монтажных отверстий 313. Монтажные отверстия 313 используются для крепления топливной форсунки 310 к кожуху камеры сгорания 301. Согласно фиг. 2 и 3 топливная форсунка 310 включает продольный участок 325. Продольный участок 325 представляет собой полый цилиндрический профиль и располагается на конце полого тела 320, напротив и на удалении от фланца 312. Продольный участок 325 представляет собой цельную деталь, изготовленную способом машинной обработке или запрессованную в выступ 315 для штуцеров, фланец 312 и полое тело 320.
Полое тело 320 представляет собой полый цилиндрический профиль и имеет один или несколько каналов, проходящих от выступа 315 для штуцеров в продольный участок 325. Каждый канал изготавливается способом машинной обработки или просверливается от верхней части выступа 315 для штуцеров до продольного участка 325. Штуцер, например штуцер 317 газового топлива, или заглушка 323 вставляется в торцевую часть каждого канала в выступе 315 для штуцеров. Данные каналы используются для подачи жидкого и газового пускового топлива или воздуха в трубу горелки 330.
Труба горелки 330 и продольный участок 325 имеют общую ось. Все ссылки на радиальные, осевые и окружные направления и размеры приводятся относительно трубы горелки 330 и продольного участка 325.
Труба горелки 330 включает узел завихрителя 350, выходное отверстие 360 завихрителя и впускное отверстие 380 завихрителя. Узел завихрителя 350 выполняется из одной или нескольких частей, соединенных друг с другом путем пайки твердым припоем или сварки. Кроме того, продольный участок 325 и узел завихрителя 350 могут соединяться друг с другом, например, путем пайки твердым припоем или сварки.
На фиг. 3 Представлен микроснимок перечного сечения паяного соединения трубы горелки 330 топливной форсунки 310, изображенной на фиг. 1. Как показано на чертеже стык осуществляется между боковой стенкой 326 части продольного участка 325 и боковой стенкой 351 части узла завихрителя 350. Слой материала 800 для пайки твердым припоем наносится между боковой стенкой 326 и боковой стенкой 351 для пайки боковых стенок 326, 351. На фиг. 3 представлен слой материала 800 для пайки твердым припоем после пайки твердым припоем продольного участка 325 и узла завихрителя 350. Тем не менее, варианты осуществления настоящего изобретения не ограничиваются нанесением материала 800 для пайки твердым припоем в это место. В других вариантах осуществления настоящего изобретения слой материала 800 для пайки твердым припоем может наноситься между другими участками трубы горелки 330 и/или наноситься на другие компоненты или субкомпоненты топливной форсунки 310.
На фиг. 4 Представлен микроснимок перечного сечения паяного соединения штуцера 316 топливной форсунки 310, изображенной на фиг. 1. Как показано на чертеже стык осуществляется между боковой стенкой 321 части штуцера 316 и боковой стенкой 322 части выступа 315 для штуцеров. Слой материала 800 для пайки твердым припоем наносится между боковой стенкой 321 и боковой стенкой 322 для пайки боковых стенок 321, 322. На фиг. 4 представлен слой материала 800 для пайки твердым припоем, нанесенный между штуцером 316 и выступом 315 для штуцеров, тем не менее, варианты осуществления настоящего изобретения не ограничиваются нанесением материала 800 для пайки твердым припоем в это место. В других вариантах осуществления настоящего изобретения слой материала 800 для пайки твердым припоем может наноситься между другими компонентами или субкомпонентами топливной форсунки 310.
На фиг. 5 представлено увеличенное изображение части V, материала 800 для пайки твердым припоем, изображенного на фиг. 3 во время процесса пайки. Материал 800 для пайки твердым припоем может представлять собой никелевый (Ni) сплав для пайки твердым припоем. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения материал 800 для пайки твердым припоем может представлять собой сплав, содержащий никель, железо (Fe), и хром (Cr). Кроме того, материал 800 для пайки твердым припоем может включать в себя неметаллические компоненты (810, 815, 820). Например, в некоторых вариантах осуществления материал 800 для пайки твердым припоем может содержать частицы кремния (Si) 810, бора (В) 815, а также может содержать разные примеси 820 (например, углерод, фосфор, серу и другие элементы, представленные здесь буквой "X"). В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения материал 800 для пайки твердым припоем может представлять собой твердый припой AMS 4777 обычно имеющий состав: 82,4% Ni, 3% Fe, 7% Cr, 3,1% B, и 4,5% Si. Тем не менее, состав твердого припоя AMS 4777 может варьироваться из-за способов производства в следующих пределах: (80-84,75%) Ni, (2,5-3,5%) Fe, (6-8%) Cr, (2,75-3,5%) B, (4-5%) Si. Твердый припой AMS 4777 имеет рекомендованный диапазон температур пайки твердым припоем, составляющий от 1850ºF до 2150ºF. Твердый припой AMS 4777, как материал 800 для пайки твердым припоем, также имеет температуру солидуса (температуру, ниже которой данное вещество представляет собой полностью твердое вещество) в 1780ºF, а температуру ликвидуса (температуру, выше которой вещество полностью жидкое) в 1830ºF. Другие материалы для пайки твердым припоем могут иметь различные диапазоны температур для пайки твердым припоем и различные температуры солидуса/ликвидуса.
Как показано на фиг. 5, материал 800 для пайки твердым припоем имеет матрицу неметаллических компонентов 810, 815, 820, распределенных в ней, включая срединную область 805 между продольным участком 325 и узлом завихрителя 350. Наличие неметаллических компонентов 810, 815, 820 в срединной области 805 упоминается здесь как срединный участок эвтектического сплава.
На фиг. 6 представлено увеличенное изображение части V, материала 800 для пайки твердым припоем, изображенного на фиг. 3 с неметаллическими компонентами 810, 815, 820, диффундированными от срединной области 805 во время процесса пайки, согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано, неметаллические компоненты 810, 815, 820, диффундировавшие к краям материала 800 для пайки твердым припоем, и диффундирующие в продольный участок 325 и узел завихрителя 350, образуют срединный участок 805, по существу, свободный от неметаллических компонентов 810, 815, 820. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения неметаллические компоненты 810, 815, 820 полностью диффундируют из материала 800 для пайки твердым припоем в продольный участок 325 и узел завихрителя 350.
Как показано на фиг. 5, материал 800 для пайки твердым припоем полностью свободен от неметаллических компонентов 810, 815, 820 вдоль срединной области 805. Тем не менее, другой материал 800 для пайки твердым припоем может иметь существенно меньше неметаллических компонентов 810, 815, 820 в материале 800 для пайки твердым припоем до и после пайки твердым припоем за счет диффузии неметаллических компонентов 810, 815, 820. Диффузия по существу всех неметаллических компонентов из срединной области 805 может рассматриваться как "освобождение" от неметаллических компонентов и может упоминаться как участок без эвтектического сплава.
i
f
f
i
i
В некоторых вариантах осуществления, диффузия, по существу всех неметаллических компонентов из срединной области 805 может дать, при предварительной пайке твердым припоем, их существенное снижение, по меньшей мере, на 50% от изначальной величины (α) по сравнению с их величиной (α) после пайки твердым припоем (т.е. α = 50% α). Что касается материала AMS 4777 для пайки твердым припоем, то при предварительной пайке твердым припоем величина (α) неметаллических компонентов, как правило, составляет 6,75-8,5% от общего веса материала. Таким образом, снижение, по меньшей мере, на 50% будет означать, что вес неметаллических компонентов 810, 815, 820 составит 0-4,25% от общего веса материала.
f
i
f
Конкретный процент уменьшения, который можно считать достаточным, варьируется в зависимости от проектных требований к конструкции паяного соединения. В некоторых вариантах осуществления, требуется снижение, по меньшей мере, в 90%, чтобы считаться существенным снижением (т.е. α = 90% α). Опять же, в отношении сплава AMS 4777, снижение на 90% будет означать, что вес неметаллических компонентов, составит от 0-0,85% от общего веса. Конечно, полное снижение (то есть α = 0) достигается с использованием варианта осуществления настоящего изобретения.
Приведенные выше варианты осуществления представляют собой слои твердого припоя между продольным участком 325 и узлом завихрителя 350, и между штуцером 316 жидкого топлива и выступом 315 для штуцеров. Тем не менее, различные другие компоненты или субкомпоненты каждой топливной форсунки 310 могут подвергаться пайке слоем твердого припоя, описанным здесь способом.
Один или несколько из перечисленных выше компонентов (или их составляющих) изготавливаются из нержавеющей стали и/или прочных высокотемпературных материалов, известных как "жаропрочный сплав". Жаропрочный сплав или сплав с высокими рабочими характеристиками, представляет собой сплав, обладающий исключительной механической прочностью и жаропрочностью, хорошей стабильность свойств поверхности и стойкостью к коррозии и окислению. Жаропрочный сплавы включают в себя такие материалы, как ХАСТЕЛЛОЙ, сплав X, ИНКОНЕЛЬ, ВАСПАЛЛОЙ, сплавы РЕНЕ, сплавы ХАЙНЕС, сплав 188, сплав 230, ИНКОЛЛОЙ, MP98T, сплавы TMS, монокристаллические сплавы CMSX.
Промышленная применимость
Газотурбинные агрегаты широко применяются в различных отраслях нефтяной и газовой промышленности (в том числе транспортировка сбор, хранение, откачка и подъем нефти и природного газа), при производстве электроэнергии, совместном производстве тепла и электричества, аэрокосмической и других транспортных отраслях.
Согласно фиг. 1, газ (обычно воздух 10) поступает в устройство впуска 110 в качестве "рабочей текучей среды" и сжимается компрессором 200. В компрессоре 200 рабочая среда сжимается в кольцевом потоке 115 серии сборок 220 диска компрессора. В частности, воздух 10 сжимается в некотором числе «ступеней», где ступени связаны с каждой сборкой 220 диска компрессора. Например, "4-я ступень подачи воздуха" может быть связана с 4-й сборкой 220 диска компрессора в заднем по ходу направлении, идущем от устройства забора воздуха 110 к системе отвода выхлопных газов 500. Подобным образом каждый диск турбины в сборе 420 может быть связан с некоторым числом ступеней.
После выхода сжатого воздуха 10 из компрессора 200, он подается в камеру сгорания 300, где распыляется и смешивается с топливом. Воздух 10 и топливо впрыскивается в камеру сгорания 305 форсункой 310 и сгорают. Энергия реакции горения вращает турбину 400 в каждой ступени серий сборок диска турбины 420. Отходящий газ 90 распыляется в выхлопном диффузоре 510, собирается и перенаправляется. Отходящий газ 90 выходит из системы через коллектор выхлопных газов 520 и подвергается дополнительной обработке (например, чтобы уменьшить вредные выбросы или рекуперировать тепло из отходящего газа 90).
f
Со ссылкой на фиг. 5, наличие неметаллических компонентов 810, 815, 820 в срединной области 805 образует срединный участок эвтектического сплава. Если материалу 800 для пайки твердым припоем дают охладиться ниже интервала температур плавления материала 800 для пайки твердым припоем с все еще присутствующей срединным участком эвтектического сплава, то срединный участок эвтектического сплава будет представлять собой хрупкую матрицу, восприимчивую к образованию трещин при воздействии механических нагрузок и/или вибрации. С другой стороны, со ссылкой на фиг. 6, срединная область 805, свободная или по существу свободная от неметаллических компонентов 810, 815, 820 делает материал 800 для пайки твердым припоем более пластичным с меньшей восприимчивую к образованию трещин после охлаждения ниже интервала температур плавления материала 800 для пайки твердым припоем. Срединную область 805 можно считать по существу свободной от неметаллических компонентов 810, 815, 820 при существенном уменьшение наличия неметаллических компонентов 810, 815, 820 вдоль срединной области паяного соединения, если материал для пайки твердым припоем наносится изначально и процесс пайки твердым припоем завершен. В некоторых вариантах осуществления, существенное сокращение неметаллических компонентов 810, 815, 820 достигается, если наличие неметаллических компонентов, при предварительной пайке твердым припоем, уменьшается, по меньшей мере, на 50% от изначальной величины (αi) по сравнению с их величиной (a) после пайки твердым припоем (т.е. αf = 50% αi). Что касается материала AMS 4777 для пайки твердым припоем, то при предварительной пайке твердым припоем величина (αi) неметаллических компонентов, как правило, составляет 6,75-8,5% от общего веса материала. Таким образом, снижение, по меньшей мере, на 50% будет означать, что вес неметаллических компонентов составит 0-4,25% от общего веса материала.
f
i
f
Конкретный процент уменьшения, который можно считать достаточным, варьируется в зависимости от проектных требований к конструкции паяного соединения. В некоторых вариантах осуществления, требуется снижение, по меньшей мере, в 90%, чтобы считаться существенным снижением (т.е. α = 90% α). Опять же, в отношении сплава AMS 4777, снижение на 90% будет означать, что вес неметаллических компонентов, составит от 0-0,85% от общего веса. Конечно, полное снижение (то есть α = 0) достигается с использованием варианта осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 7 представлена блок-схема последовательности операций способа 900 пайки твердым припоем детали топливной форсунки 310 в газотурбинном агрегате 100. Последующее обсуждение идет со ссылкой на пайку твердым припоем первого компонента трубы горелки 330 ко второму компоненту трубы горелки 330. Тем не менее, варианты осуществления способа 900 также могут применяться к другим компонентам топливной форсунки 310, а также к деталям газотурбинного агрегата 100 помимо топливных форсунок 310, что очевидно для специалиста в отрасли техники, к которой относится данное изобретение.
На этапе 905, материал 800 для пайки твердым припоем наносится на боковые стенки 326, 351 компонентов, подлежащих пайке твердым припоем. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения боковые стенки 326, 351 очищаются химически или механически перед нанесением материала 800 для пайки твердым припоем. Как показано на фиг. 3, материал 800 для пайки твердым припоем наносится как минимум на одну боковую стенку 351 узла завихрителя 350 и боковую стенку 326 продольного участка 325.
Способ нанесения не имеет особых ограничений и включает нанесение материала 800 для пайки твердым припоем в виде стержней, полос, порошка, пасты, эмульсии, проволоки, рамки из припоя, фольги, ленты или любой другой способ нанесения, что очевидно для специалиста в отрасли техники, к которой относится данное изобретение. После нанесения материала 800 для пайки твердым припоем на боковые стенки 326, 351, боковые стенки 326, 351 закрепляются в непосредственной близости друг от друга.
После нанесения на этапе 910 материала 800 для пайки твердым припоем на боковые стенки 326, 351, материал 800 для пайки твердым припоем и боковые стенки 326, 351 нагревают до первой температуры, которая выше температуры ликвидуса материала 800 для пайки твердым припоем. Например, при использовании материала AMS 4777 для пайки твердым припоем первая температура составляет от 1935ºF до 1965ºF, что значительно выше температуры ликвидуса AMS 4777 (1830ºF). Кроме того, в некоторых вариантах осуществления первая температура может составлять 1950ºF.
Нагрев материала 800 для пайки твердым припоем осуществляется в паяльном горне или паяльной печи. Тем не менее, нагрев материала 800 для пайки твердым припоем может осуществляться любыми другими способами нагрева, что очевидно для специалиста в отрасли техники, к которой относится данное изобретение. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения нагрев материала 800 для пайки твердым припоем может осуществляться в условиях частичного или полного вакуума.
Нагрев материала 800 для пайки твердым припоем может осуществляться с контролируемой скоростью в течение определенного периода времени, чтобы предотвратить образование трещин, изгибов или коробления паяных компонентов из-за тепловой инерции. Для специалиста в отрасли техники, к которой относится данное изобретение, очевидно, что если компонент нагревается слишком быстро, то части компонента нагреваются неравномерно, вызывая образование трещин, изгибы или коробление компонента. Например, в некоторых вариантах осуществления, нагрев материала 800 для пайки твердым припоем может осуществляться со скоростью 30ºF/мин. В других вариантах осуществления, нагрев материала 800 для пайки твердым припоем может осуществляться со скоростью 40ºF/мин. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения нагрев материала 800 для пайки твердым припоем может осуществляться в 2 или несколько этапов. Например, материал 800 для пайки твердым припоем может нагреваться до температуры (например, 1750ºF) около и ниже температуры солидуса материала 800 для пайки твердым припоем со скоростью 30ºF/мин, а затем выдерживаться при температуре около и ниже температуры солидуса в течение определенного периода времени (например, 5 минут), а затем нагреваться до первой температуры (например, 1950ºF) со скоростью 40º F/мин.
После нагрева на этапе 915 материала 800 для пайки твердым припоем до первой температуры, материал 800 для пайки твердым припоем выдерживается при первой температуре в течение первого периода времени, достаточного для разжижения материала для пайки твердым припоем и пропитывания им боковых стенок 336, 351. В некоторых вариантах осуществления, первый период времени на этапе 915 составляет, по меньшей мере, 10 минут. Например, в некоторых вариантах осуществления, материал 800 для пайки твердым припоем выдерживается при температуре от 1935ºF до 1965ºF в течение, по меньшей мере, 10 минут. В других вариантах, материал 800 для пайки твердым припоем выдерживается при 1950ºF в течение, по меньшей мере, 12 минут.
После выдержки на этапе 920 материала 800 для пайки твердым припоем при первой температуре, материал 800 для пайки твердым припоем охлаждают до второй температуры, которая ниже температуры солидуса материала 800 для пайки твердым припоем. Например, при использовании материала AMS 4777 для пайки твердым припоем вторая температура составляет от 1735ºF до 1765ºF, что ниже температуры солидуса сплава AMS 4777 (1780ºF). Кроме того, в некоторых вариантах осуществления вторая температура может составлять 1750ºF. В некоторых вариантах осуществления вторая температура может представлять собой температуру около и ниже температуры солидуса, используемую в процессе двухэтапного способа нагрева, описано выше со ссылкой на этап 910.
Охлаждение материала 800 для пайки твердым припоем осуществляется в паяльном горне или паяльной печи. Тем не менее, охлаждение материала 800 для пайки твердым припоем может осуществляться любыми другими способами нагрева, что очевидно для специалиста в отрасли техники, к которой относится данное изобретение. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения охлаждение материала 800 для пайки твердым припоем может осуществляться в условиях частичного или полного вакуума.
Охлаждение материала 800 для пайки твердым припоем может осуществляться с контролируемой скоростью в течение второго периода времени, достаточного для предотвращения образования трещин, изгибов или коробления паяных компонентов из-за тепловой инерции. Для специалиста в отрасли техники, к которой относится данное изобретение, очевидно, что если компонент охлаждается слишком быстро, то части компонента охлаждаются неравномерно, вызывая образование трещин, изгибы или коробление компонента. Например, в некоторых вариантах осуществления, охлаждение материала 800 для пайки твердым припоем может осуществляться со скоростью 30ºF/мин в течение, по меньшей мере, 5 минут. В других вариантах, охлаждение материала 800 для пайки твердым припоем может осуществляться с другими скоростями, например, 40ºF/мин., или с любой другой скоростью, что очевидно для специалиста в отрасли техники, к которой относится данное изобретение. В некоторых вариантах осуществления, охлаждение материала 800 для пайки твердым припоем может осуществляться в 2 или несколько этапов.
После охлаждения на этапе 925 материала 800 для пайки твердым припоем до второй температуры, материал 800 для пайки твердым припоем выдерживается при второй температуре в течение третьего периода времени, достаточного для диффузии части неметаллических компонентов от срединной области паяного соединения. В некоторых вариантах осуществления, третий период времени на этапе 925 составляет, по меньшей мере, 30 минут. Например, в некоторых вариантах осуществления, материал 800 для пайки твердым припоем выдерживается при температуре от 1735ºF до 1765ºF в течение, по меньшей мере, 30 минут. В других вариантах, материал 800 для пайки твердым припоем выдерживается при 1750ºF в течение, по меньшей мере, 60 минут.
После выдержки на этапе 930 материала 800 для пайки твердым припоем при второй температуре, материал 800 для пайки твердым припоем нагревают до третьей температуры, которая выше температуры ликвидуса материала 800 для пайки твердым припоем и ниже первой температуры. Например, при использовании материала AMS 4777 для пайки твердым припоем вторая температура составляет от 1910ºF до 1940ºF, что выше температуры ликвидуса сплава AMS 4777 (1830ºF) и ниже первой температуры, составляющей от 1935ºF до 1965ºF. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления третья температура может составлять 1925ºF.
Нагрев материала 800 для пайки твердым припоем осуществляется в паяльном горне или паяльной печи. Тем не менее, нагрев материала 800 для пайки твердым припоем может осуществляться любыми другими способами нагрева, что очевидно для специалиста в отрасли техники, к которой относится данное изобретение. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения нагрев материала 800 для пайки твердым припоем может осуществляться в условиях частичного или полного вакуума.
Нагрев материала 800 для пайки твердым припоем может осуществляться с контролируемой скоростью в течение четвертого периода времени, достаточного для предотвращения образования трещин, изгибов или коробления паяных компонентов из-за тепловой инерции. Для специалиста в отрасли техники, к которой относится данное изобретение, очевидно, что если компонент нагревается слишком быстро, то части компонента нагреваются неравномерно, вызывая образование трещин, изгибы или коробление компонента. Например, в некоторых вариантах осуществления, нагрев материала 800 для пайки твердым припоем может осуществляться со скоростью 30ºF/мин в течение, по меньшей мере, 5 минут. В других вариантах, нагрев материала 800 для пайки твердым припоем может осуществляться с другими скоростями, например, 40ºF/мин., или с любой другой скоростью, что очевидно для специалиста в отрасли техники, к которой относится данное изобретение. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения нагрев материала 800 для пайки твердым припоем может осуществляться в 2 или несколько этапов.
После нагрева на этапе 935 материала 800 для пайки твердым припоем до третьей температуры, материал 800 для пайки твердым припоем выдерживается при третьей температуре в течение пятого периода времени, достаточного для освобождения срединной области паяного соединения от неметаллических компонентов. В некоторых вариантах осуществления, пятый период времени на этапе 935 составляет, по меньшей мере, 10 минут. Например, в некоторых вариантах осуществления, материал 800 для пайки твердым припоем выдерживается при температуре от 1910ºF до 1940ºF в течение, по меньшей мере, 30 минут. В других вариантах, материал 800 для пайки твердым припоем выдерживается при 1925ºF в течение, по меньшей мере, 60 минут.
После выдержки на этапе 940 материала 800 для пайки твердым припоем при первой температуре, материал 800 для пайки твердым припоем охлаждают до четвертой температуры, которая выше температуры солидуса и ниже температуры ликвидуса материала 800 для пайки твердым припоем. Например, при использовании материала AMS 4777 для пайки твердым припоем четвертая температура составляет от 1785ºF до 1815ºF. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления четвертая температура может составлять 1800ºF.
Охлаждение материала 800 для пайки твердым припоем осуществляется в паяльном горне или паяльной печи. Тем не менее, охлаждение материала 800 для пайки твердым припоем может осуществляться любыми другими способами нагрева, что очевидно для специалиста в отрасли техники, к которой относится данное изобретение. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения охлаждение материала 800 для пайки твердым припоем может осуществляться в условиях частичного или полного вакуума.
Охлаждение материала 800 для пайки твердым припоем может осуществляться с контролируемой скоростью в течение шестого периода времени, достаточного для предотвращения образования трещин, изгибов или коробления паяных компонентов из-за тепловой инерции. Для специалиста в отрасли техники, к которой относится данное изобретение, очевидно, что если компонент охлаждается слишком быстро, то части компонента охлаждаются неравномерно, вызывая образование трещин, изгибы или коробление компонента. Например, в некоторых вариантах осуществления, охлаждение материала 800 для пайки твердым припоем может осуществляться со скоростью 30ºF/мин в течение, по меньшей мере, 3 минут. В других вариантах, охлаждение материала 800 для пайки твердым припоем может осуществляться с другими скоростями, например, 40ºF/мин., или с любой другой скоростью, что очевидно для специалиста в отрасли техники, к которой относится данное изобретение. В некоторых вариантах осуществления, охлаждение материала 800 для пайки твердым припоем может осуществляться в 2 или несколько этапов.
После охлаждения на этапе 945 материала 800 для пайки твердым припоем до четвертой температуры, материал 800 для пайки твердым припоем закаливают, чтобы охладить материал 800 для пайки твердым припоем до температуры, которая ниже интервала температур плавления материала 800 для пайки твердым припоем. В некоторых вариантах осуществления, закалка материала 800 для пайки твердым припоем может представлять собой закалку аргоном. Для специалиста в отрасли техники, к которой относится данное изобретение, очевидны другие способы закалки. В некоторых вариантах осуществления закалка осуществляется до тех пор, пока температура материала 800 для пайки твердым припоем не опустится ниже 200ºF.
За счет пайки твердым припоем компонентов топливной форсунки способом, согласно варианту осуществления настоящего изобретения, можно получить слой твердого припоя со срединной областью 805 по существу свободной от неметаллических компонентов 810, 815, 820, например, как показано на фиг. 6. Благодаря срединной области 805 свободной от неметаллических компонентов 810, 815, 820 предотвращается образование срединной матрицы эвтектического сплава с получением более пластичного паяного соединения. Более пластичное паяное соединение менее восприимчиво к образованию трещин из-за механических нагрузок и/или вибрации и дольше не разрушается, что требует ремонта или замены.
Существующие методы пайки твердым припоем были неспособны постоянно получать срединную область 805, по существу, свободной от неметаллических компонентов 810, 815, 820 из-за недостаточной диффузии неметаллических компонентов в пределах материала 800 для пайки твердым припоем. Если срединная область 805, по существу, свободна от неметаллических компонентов 810, 815, 820, то слой материала 800 для пайки твердым припоем имеет лучшую пластичность и менее восприимчив к образованию трещин. Кроме того, точка плавления материала 800 для пайки твердым припоем слоя может быть значительно поднята, потому что неметаллические компоненты, которые понижают температуру плавления, диффундированы из срединной области, а другие части компонента могут быть паяны в последующем процессе пайке процесс без риска повторного плавления слоя материала 800 для пайки твердым припоем.
Предшествующее детальное описание носит лишь иллюстративный характер и не предназначен для ограничения объема изобретения или сферы применения и использования изобретения. Описанные варианты осуществления не ограничены в использовании в сочетании с определенным типом газотурбинного агрегата. Следовательно, хотя настоящее изобретение для удобства объяснения изображает и описывает конкретную топливную форсунку, следует понимать, что топливная форсунка в соответствии с данным изобретением может быть реализована в различных других конфигурациях, может быть использована с различными другими типами газотурбинных агрегатов и может быть использована в других типах машин. Кроме того, отсутствует какое-либо намерение иметь связь с какой-либо теорией, представленной в предпосылках изобретения или подробном описании. Следует понимать, что рисунки имеют увеличенные размеры для лучшей иллюстрации показываемых позиций и не являются ограничением, если не указано иное.