Результат интеллектуальной деятельности: ПИЛОТНАЯ ГОРЕЛКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, КАМЕРА СГОРАНИЯ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Данное изобретение относится к пилотной горелке газотурбинного двигателя, при этом передняя поверхность пилотной горелки направлена к зоне сгорания газотурбинного двигателя.

Пилотные горелки используются в газотурбинных двигателях для зажигания смеси топлива и воздуха, в частности для зажигания жидкого топлива и/или газообразного топлива с воздухом в зоне сгорания, которая расположена после пилотной горелки, т.е. ниже по потоку. Топливо и воздух смешиваются друг с другом в зоне завихрения и зажигаются в зоне сгорания пилотной горелки для создания потока текучей среды высокой энергии для вращения турбинной части газотурбинного двигателя.

Современные конструкции горелки выполнены из аустенитной нержавеющей стали, которая имеет хорошую стойкость к образованию окалины при высоких температурах и которую можно использовать для непрерывной работы при высокой температуре. Аустенитная нержавеющая сталь является компромиссным материалом для сохранения невысокой стоимости пилотной горелки и обеспечения хорошей температурной стойкости.

Однако из-за чрезвычайно больших напряжений, вызываемых температурными градиентами во время работы двигателя, такое выполнение пилотной горелки, в частности передней поверхности пилотной горелки, приводит к появлению трещин и тем самым к уменьшению срока службы пилотной горелки.

Поэтому известно снабжение передней поверхности покрытием MCrAlY для уменьшения окисления и удерживания температуры металла в пилотной горелке внутри допустимых пределов для компонентов. MCrAlY является сокращением для соединения металла (М означает Ni, Со или Fe или их смеси), хрома (Cr), алюминия (Al) и иттрия (Y).

Однако такое покрытие передней поверхности пилотной горелки имеет некоторые недостатки. Такое покрытие иногда является не достаточно толстым для обеспечения хорошей защиты от высоких температур, в частности, в течение длительного времени.

Поэтому задачей данного изобретения является создание пилотной горелки для газотурбинного двигателя, которая является стойкой к высоким температурам, с целью обеспечения длительного срока службы пилотной горелки.

Задача изобретения решена с помощью пилотной горелки с признаками пункта 1 формулы изобретения, а также с помощью камеры сгорания и газотурбинного двигателя, содержащих такую горелку, в соответствии с другими независимыми пунктами формулы изобретения. Преимущества, признаки, подробности, аспекты и эффекты изобретения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения, описания и фигур.

Согласно изобретению, предлагается пилотная горелка газотурбинного двигателя, содержащая переднее тело с осевым прохождением вдоль центральной оси пилотной горелки, при этом центральная ось имеет осевое направление к зоне сгорания газотурбинного двигателя, и переднее тело содержит переднюю поверхность пилотной горелки, которая направлена к зоне сгорания. Пилотная горелка характеризуется тем, что материал, в частности не материал покрытия, нанесен методом напыления/осаждения на переднее тело с нарастанием в осевом направлении переднего тела и с образованием стойкой к высоким температурам передней поверхности пилотной горелки.

Вместо покрытия на поверхности пилотной горелки материал расположен в горячей части пилотной горелки, заменяя покрытие или поддерживая не обязательное другое покрытие, так что нагрев не может оказывать отрицательного воздействия на пилотную горелку. Это может быть достигнуто с использованием стойкого к высоким температурам материала для образования стойкого к высоким температурам тела внутри переднего тела, при этом осевое распространение на порядок больше толщины покрытия. Материал распространяется в радиальном направлении подобно покрытию для обеспечения стойкой к высоким температурам передней поверхности пилотной горелки, но также проходит в осевом направлении, так что обеспечивается необходимая толщина для защиты от нагревания остального тела пилотной горелки.

В предпочтительном варианте выполнения материал наносится для образования диска из стойкого к высоким температурам материала в выемке, глухом отверстии, в передней поверхности пилотной горелки.

В смысле изобретения, передняя поверхность пилотной горелки является концевой частью пилотной горелки, которая направлена к зоне сгорания пилотной горелки или к зоне завихрения для смешивания вместе топлива и воздуха. Для обеспечения прочного удерживания материал нанесен в специальную выемку в передней поверхности пилотной горелки. Это имеет несколько преимуществ. Во-первых, не увеличиваются размеры пилотной горелки. Кроме того, выемка и тем самым диск могут иметь достаточную толщину для обеспечения длительной защиты пилотной горелки. Толщина выемки может изменяться в соответствии с областью применения. Наличие диска из стойкого к высоким температурам материала в выемке передней поверхности пилотной горелки уменьшает возникновение утечек горячего газа в атмосферу, что дополнительно улучшает защиту пилотной горелки. Кроме того, улучшается возможность ремонта пилотной горелки. По истечении срока службы диска его можно удалять, например, с помощью машинной обработки, и можно наносить новый материал в выемку в передней поверхности пилотной горелки. Поэтому срок службы пилотной горелки можно увеличивать посредством нанесения методом осаждения/напыления стойкого к высоким температурам материала в выемку передней поверхности пилотной горелки.

Предпочтительно, диск расположен с заполнением формы выемки передней поверхности пилотной горелки.

Стойкий к высоким температурам материал является в смысле изобретения материалом, который выдерживает высокие тепловые напряжения, в частности, в диапазоне температур 850-1500°C (Цельсия). Поэтому, согласно одной очень подходящей модификации изобретения, материал диска передней поверхности пилотной горелки является стойким к температурам свыше 1000°C, в частности к температурам до 1500°C или больше. Предпочтительной является пилотная горелка, в которой стойкий к высоким температурам материал диска является стойким к высоким температурам металлом или стойким к высоким температурам металлическим сплавом, в частности, содержащим алюминий и/или никель.

Имея нанесенный методом осаждения/напыления диск в передней поверхности пилотной горелки, основное тело пилотной горелки может быть выполнено из аустенитной нержавеющей стали. Стоимость такой пилотной горелки можно удерживать низкой, поскольку необходимо лишь ограниченное количество специального стойкого к высоким температурам материала для заполнения выемки. Остальное тело пилотной горелки может состоять из другого, менее дорогого материала.

Кроме того, предпочтительной является пилотная горелка, в которой диск из стойкого к высоким температурам металла нанесен методом осаждения/напыления, в частности, нанесен с помощью лазера, в выемку передней поверхности пилотной горелки. Это означает, что диск может быть выполнен с помощью способа лазерного нанесения. Нанесение с помощью лазера или нанесение с помощью импульсного лазера является технологией нанесения тонкой пленки, при которой луч импульсного лазера высокой мощности фокусируют внутри вакуумной камеры для соударения с мишенью желаемого состава. За счет этого материал испаряется с мишени и наносится в виде диска в выемку передней поверхности пилотной горелки. Материал можно наносить несколькими слоями для заполнения выемки. Такой диск или такая передняя поверхность пилотной горелки является очень стойкой к нагреванию.

Преимуществом нанесения материала напылением в выемку является прочное удерживание диска внутри выемки после затвердевания материала. Нанесенный с помощью лазера диск имеет в противоположность простому покрытию очень прочное удерживание внутри выемки. Кроме того, диск лучше защищен, поскольку нанесение выполняется в выемку, а не на плоскую переднюю поверхность пилотной горелки, как при простом покрытии.

В другом весьма предпочтительном варианте выполнения стойкий к высоким температурам диск нанесен в выемку посредством горячего распыления металла или холодного распыления металла. Металл для образования диска можно наносить посредством горячего распыления металла или с использованием холодного распыления металла, что имеет преимущество образования слоя с напряжением сжатия или диска в выемке передней поверхности пилотной горелки, что помогает выдерживать тепловые напряжения в основном теле пилотной горелки. Металл, который напыляется в выемку передней поверхности пилотной горелки, затвердевает после некоторого времени и образует пластину, диск, с толщиной выемки. Вся выемка заполняется стойким к высоким температурам материалом, в частности стойким к высоким температурам металлом.

Горячее напыление металла является процессом напыления расплавленного металла в выемку для образования диска достаточной толщины. Это достигается посредством расплавления чистых металлов или сплавов в пламени или в электрической дуге. Затем расплавленный металл подвергается воздействию струи сжатого воздуха, что приводит к созданию мелких капелек металла и направлению их к выемке. Конечным результатом является образование сплошного металлического диска в выемке. Толщина диска определяется количеством нанесенных слоев. Способом горячего напыления предпочтительно наносится алюминий или цинк на материал, в частности сталь, пилотной горелки. Это является предпочтительным, в частности, вследствие стойкости к высоким температурам этих материалов.

Все способы напыления металлов, такие как дуговое напыление или пламенное напыление, включают направление мелких расплавленных частиц в выемку, где они прилипают и образуют сплошной диск. Для создания расплавленных частиц требуется источник тепла, распыляемый материал и способ распыления и направления частиц. После контакта частицы расплющиваются в выемке, затвердевают и механически соединяются - сначала на возможно шершавом дне выемки, а затем друг на друге по мере увеличения толщины диска.

Холодное напыление включает инжектирование микроскопических порошковых частиц металла или других твердых веществ в сверхзвуковую струю быстро расширяющегося газа и выстреливание их в выемку передней поверхности пилотной горелки. При соударении этих частиц с дном выемки, они прилипают и образуют диск.

Холодное напыление называется также напылением при комнатной температуре. Обычные горячие или тепловые процессы напыления требуют предварительного нагревания распыляемого материала, так что частицы находятся в полурасплавленном состоянии, когда они достигают дна выемки в передней поверхности пилотной горелки. Это позволяет им разбрызгиваться по поверхности выемки. Однако когда частицы охлаждаются, то они слегка сжимаются, создавая местные напряжения или трещины на внутренней поверхности, которые могут впоследствии приводить к дефектам. В противоположность этому, холодно напыляемые материалы обычно остаются примерно на комнатной температуре или вблизи нее до соударения и проникновения в подложку со скоростью примерно 500-1500 м/с, так что образуется тесная связь без нежелательных химических превращений и напряжений, связанных с обычными способами. В отличие от термически напыляемых материалов, холодно напыляемые материалы испытывают небольшое или не испытывают вовсе вызывающего дефекты окисления во время полета и имеют необыкновенно высокие плотности и теплопроводности после изготовления. Дополнительно к этому, можно достигать с помощью способа холодного напыления скоростей нанесения, сравнимых с обычными способами термического напыления. Легкие газы, такие как азот и гелий, являются предпочтительными за счет их низкого молекулярного веса. Это означает, что звуковая скорость является возможно высокой. Холодное напыление имеет то преимущество, что его можно выполнять при атмосферном давлении. Другие процессы требуют пониженного давления, такого как вакуум, для достижения аналогичного качества покрытия.

В идеальном случае порошки должны быть возможно более тонкими, при этом нижний предел задается тем, что когда этот сверхзвуковой газовый поток ударяется в поверхность выемки, то на поверхности образуется ударная волна. Частицы в диапазоне 5-15 микрон (микрометров) являются оптимальными, хотя некоторые материалы обеспечивают все еще хорошие результаты при размере частиц до 30 мкм и больше. Недостатком частиц меньше 5 мкм является то, что они следуют потоку газа и тормозятся вблизи дна выемки.

Можно напылять различные материалы в выемку для образования диска. Например, диски из оксида алюминия и/или никеля являются очень устойчивыми к высоким температурам и имеют экстремально низкое поглощение тепла. Кроме того, эти материалы являются стойкими к температурному шоку и хорошо защищены от коррозии.

Форма выемки может быть различной. Выемка может иметь, например, прямоугольную, овальную или треугольную форму при рассматривании с направления из зоны сгорания. Предпочтительно, форма выемки в передней поверхности пилотной горелки может иметь круговую форму. Передняя поверхность пилотной горелки обычно имеет круговую форму. Диск круговой формы в имеющей круговую форму выемке может покрывать почти всю переднюю поверхность пилотной горелки. Предпочтительно, выемка является возможно большой, так что почти вся передняя поверхность пилотной горелки защищена стойким к высоким температурам диском.

В одном очень предпочтительном варианте выполнения пилотной горелки поперечное сечение выемки уменьшается в направлении зоны сгорания газотурбинного двигателя. Это означает, что диск абсолютно фиксирован в выемке после затвердевания напыляемого материала. Диск фиксирован с геометрическим замыканием внутри выемки. В основном диск имеет в этом случае форму усеченного конуса.

Могут быть предпочтительными другие формы, например выемка может быть полостью по существу в форме цилиндра, или конуса, при этом основанием конуса является передняя поверхность пилотной горелки, в частности вогнутого конуса. Кроме того, выемка может быть полусферой или усеченным конусом, при этом последний имеет уменьшающееся в направлении передней поверхности пилотной горелки поперечное сечение. Наносимый материал образует по существу обратное тело, поскольку оно вмещается в выемку.

Выемка может иметь край круговой формы на передней поверхности пилотной горелки. В радиальном направлении внутрь этого края наносится материал с образованием стойкого к высоким температурам переднего тела. Нанесенный материал может заканчиваться точно в той же плоскости, что и окружающая, радиально наружная, передняя поверхность пилотной горелки. Для получения идеально плоской поверхности может быть нанесено дополнительное покрытие на всю переднюю поверхность. В качестве альтернативного решения, наносимый материал может также «перетекать» через край и покрывать всю переднюю поверхность.

Выше было приведено описание варианта выполнения, в котором твердое переднее тело имеет выемку, в которую наносится материал. В качестве альтернативного решения, все переднее тело может быть выполнено посредством нанесения материала. Материал можно напылять слой за слоем для добавления материала к сердечнику тела пилотной горелки, так что с помощью нанесения в конечном итоге создается переднее тело. Это является особенно предпочтительным, если химический состав может изменяться во время распыления или нанесения материала, или если смешиваются два различных материала и наносятся совместно на поверхность и при этом изменяется концентрация наносимого материала. Таким образом, можно получать изменяющуюся шкалу между двумя материалами или между двумя химическими составами.

В частности, состав наносимого материала может изменяться, в частности постепенно, в радиальном направлении перпендикулярно центральной оси, так что более высокая концентрация стойкого к высоким температурам материала получается вблизи центральной оси. Дополнительно к этому или в качестве альтернативного решения, состав наносимого материала может изменяться, в частности, постепенно, в осевом направлении, так что более высокая концентрация стойкого к высоким температурам материала получается вблизи передней поверхности пилотной горелки.

Тем самым можно иметь более высокую концентрацию стойкого к высоким температурам материала в зоне, которая нуждается в лучшей защите от нагревания, в то время как в зоне, более удаленной в радиальном направлении или более далекой от зоны сгорания, переднее тело может иметь более высокую концентрацию менее стойкого к высоким температурам материала. Предпочтительно, это может приводить к образованию внутри переднего тела зон, в которых нанесенный материал одинаковой концентрации или одинакового состава образует, по существу конус, в частности вогнутый конус, или полусферу, или усеченный конус.

Под зоной одинаковой концентрации понимается трехмерная зона, в которой имеется одинаковая концентрация двух нанесенных материалов. Под зоной одинакового состава понимается трехмерная зона, в которой имеется одинаковый химический состав нанесенных материалов.

Преимуществами такой пилотной горелки является улучшенный срок службы пилотной горелки, уменьшение возникновения утечки горячего газа в атмосферу и поэтому улучшение безопасности и улучшенная возможность ремонта пилотной горелки. Когда нанесенный методом осаждения/напыления материал достигает конца своего срока службы, диск можно удалять с помощью машинной обработки и снова наносить новый материал в выемку или на тело пилотной горелки. Основное тело горелки все еще способно работать, когда нанесенный материал больше не способен безупречно защищать основное тело. Нанесение нового материала позволяет повторно использовать тело пилотной горелки, за счет чего увеличивается срок службы пилотной горелки. Кроме того, больше не требуется соскребание с тела пилотной горелки за счет нанесения материала напылением/осаждением в выемку передней поверхности пилотной горелки.

Хотя выше приведено описание изобретения применительно к пилотной горелке, способ нанесения материала на тело пилотной горелки также приводит к созданию пилотной горелки, согласно изобретению.

Ниже приводится более подробное описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

фиг. 1 - продольный разрез первого варианта выполнения пилотной горелки с диском, согласно изобретению, нанесенным в переднее тело пилотной горелки;

фиг. 2 - пилотная горелка с диском, согласно изобретению, нанесенным в переднее тело пилотной горелки, согласно фиг. 1, на виде со стороны зоны сгорания;

фиг. 3 - продольный разрез второго варианта выполнения пилотной горелки с диском, согласно изобретению, нанесенным в переднее тело пилотной горелки;

фиг. 4 - продольный разрез третьего варианта выполнения пилотной горелки с постепенным изменением материалов, нанесенных в переднее тело пилотной горелки.

На фиг. 1 схематично показан продольный разрез первого варианта выполнения пилотной горелки 1 с нанесенным напылением/осаждением диском 5 в переднем теле 8 пилотной горелки, заканчивающимся у передней поверхности 2 пилотной горелки. Диск 5 защищает пилотную горелку 1 от нагрева в зоне 3 сгорания, являясь стойким к высоким температурам телом. Вследствие чувствительности передней поверхности 2 пилотной горелки к чрезмерному нагреву во время работы двигателя и опасности возникновения трещин, окисления и утечки горячего воздуха в атмосферу, диск 5 нанесен в по существу цилиндрическую выемку 4 в передней поверхности 2 пилотной горелки. Диск 5 содержит стойкий к высоким температурам металл, который имеет более высокую температурную стойкость, чем материал пилотной горелки 1 и передней поверхности 2 пилотной горелки, соответственно. Для снижения стоимости пилотная горелка 1 может быть выполнена из аустенитной нержавеющей стали, которая имеет хорошую стойкость к образованию окалины при высоких температурах, и которую можно использовать для непрерывной работы при высоких температурах в диапазоне 850-1000°C. Она является компромиссным материалом для снижения стоимости пилотной горелки 1 и обеспечения некоторой стойкости к температуре. Лишь диск 5 может быть выполнен из стойкого к высоким температурам материала, который можно использовать для постоянной работы при высоких температурах в диапазоне 1000-1500°C, предпочтительно 1000-2000°C.

Край 10 выемки 4, причем край 10 задает соединение между первым материалом горелки 1 и нанесенным материалом 9, в этом варианте выполнения пилотной горелки 1 имеет круговую форму, за счет чего боковые стенки 4а выемки 4 проходят параллельно продольной оси 6, т.е. оси симметрии большинства частей пилотной горелки 1, называемой также центральной осью, пилотной горелки 6. Выемка 4 выполнена, в основном, в форме цилиндрического глухого отверстия. Предпочтительно, диск 5 в виде цилиндра с небольшой высотой по сравнению с его радиусом выполнен из наносимого материала 9, нанесенного в выемку 4 посредством горячего напыления металла или холодного напыления металла. Металл может быть нанесен с помощью горячего напыления металла или с использованием холодного напыления металла, которое имеет преимущество образования слоя с напряжением сжатия в передней поверхности 2 пилотной горелки, за счет чего повышается стойкость к тепловым напряжениям пилотной горелки. Одним из преимуществ диска из стойкого к высоким температурам материала внутри выемки 4 передней поверхности 2 пилотной горелки является защита с помощью его пилотной горелки 1 от чрезмерного нагревания и улучшения тем самым срока службы пилотной горелки 1. Кроме того, диск 5 в выемке 4 передней поверхности 2 пилотной горелки уменьшает возникновение утечки горячего газа в атмосферу и повышает надежность. Специальный вариант выполнения передней поверхности 2 пилотной горелки повышает также ремонтопригодность пилотной горелки 1. При достижении конца срока службы диска 5, нанесенный диск, т.е. остаток нанесенного материала, можно удалять с помощью машинной обработки, и можно снова наносить новый диск посредством нанесения материала в выемку 4. Поэтому не требуется скобление тела пилотной горелки 1.

На фиг. 2 схематично показан на виде снизу вариант выполнения пилотной горелки 1 с диском 5, согласно изобретению, в передней поверхности 2 пилотной горелки, согласно фиг. 1. Другими словами на фиг. 2 показана пилотная горелка 1 на виде со стороны зоны 3 сгорания. Диск 5 расположен в центре передней поверхности 2 пилотной горелки. Виден круговой край 10 как самый центральный круг на фигуре. Диск 5 имеет круговую форму, однако может иметь также любую другую форму. Пилотная горелка 1 имеет несколько сверленых отверстий 7 для крепления пилотной горелки 1, например, на основном входе подачи топлива.

На фиг. 3 схематично показан продольный разрез второго варианта выполнения пилотной горелки 1 с имеющей другую форму выемкой 4 в передней поверхности 2 пилотной горелки. Единственное отличие от пилотной горелки 1, показанной на фиг. 1, заключается в форме выемки 4 в передней поверхности 2 пилотной горелки. В противоположность выемке 4, показанной на фиг. 1, выемка в этом варианте выполнения имеет наклонные боковые стенки 4а, за счет чего поперечное сечение выемки 4 уменьшается в направлении к зоне 3 сгорания газотурбинного двигателя.

Нанесенный материал 9 по существу в форме диска 5 очень прочно удерживается в выемке 4.

На фиг. 4 схематично показан продольный разрез третьего варианта выполнения пилотной горелки 1 без использования выемки, но с образованием переднего тела 8 пилотной горелки 1 посредством нанесения, по меньшей мере, двух различных материалов. Могут иметься зоны, в которых нанесен лишь первый, менее стойкий к нагреву материал, например, в первой зоне 11, противоположной зоне 3 сгорания. Могут иметься зоны, в которых нанесен лишь второй, более стойкий к нагреву материал, например, во второй зоне 12, близкой к передней поверхности 2 пилотной горелки. Вторая зона 12 представляет стойкое к высоким температурам тело, согласно изобретению. Кроме того, могут иметься зоны, в которых нанесены как первый материал, так и второй материал, т.е. нанесенный материал 9 может быть смесью обоих материалов, в третьей зоне 13.

В соответствии с вариантом выполнения, показанным на фиг. 4, концентрация обоих материалов постепенно изменяется на основе радиального и осевого положения нанесения. Предпочтительно, это приводит к полусферическому или коническому распределению материалов, как показано штриховыми линиями на фигуре.

С помощью этого варианта выполнения можно создавать единое гомогенное сплошное переднее тело 8. Постепенное изменение концентрации или состава двух материалов позволяет точно создавать зоны с точной величиной теплостойкости, необходимой для этой зоны. На основании этого принципа можно просто достигать того, что вся передняя поверхность 2 пилотной горелки состоит из очень стойкого к нагреву материала без нанесения покрытия.

Для всех вариантов выполнения следует отметить, что нанесение материала, согласно изобретению, не является операцией нанесения покрытия. Наносится металлический порошок, например напыляется. Эффективная глубина нанесенного таким образом материала больше глубины чисто покрытия. Используются также другие материалы, в частности не MCrAlY, который широко используется для покрытий.