CN101566343A - 用于防止产品上的烃类热降解沉积物的表面处理 - Google Patents

Abstract

一种防止燃气涡轮机部件(16，100)的表面上的热烃降解沉积物的方法，该方法包括，提供包含配置用于接触烃类流体的表面(120)的涡轮机部件(16，100)，其中，基体包括具有足以产生关于油的标称接触角(140)的标称液体润湿性的材料；在基体上设置多个特征(160)以形成防沉积表面结构，其中多个特征具有选择成使得该表面具有足以产生关于油的大于标称接触角的有效接触角的有效润湿性的大小、形状和取向；以及该特征包括宽度尺寸(a)(220)和间距尺寸(b)(240)，其中该特征防止烃类流体渗入表面结构，由此降低热烃沉积物对表面的粘附。

Description

用于防止产品上的烃类热降解沉积物的表面处理

技术领域

[0001]总的来说，本公开涉及与烃类流体接触的表面上所形成的沉积物，更具体来说，涉及结合了设计成抑制焦炭、煤烟和油沉积物形成的结构(texture)的表面。本公开还涉及包括这类表面的产品以及用于制作这类产品和表面的方法。

背景技术

[0002]本文所使用的烃类流体一般定义为烃类液体、烃类气体或者它们的混合物。本文所使用的“烃类流体降解产物”包括从烃形成的产物、例如从石蜡到烃中的环烷烃、芳香烃和多环分子的热变换产生的某些聚合物以及从燃料、如碳的实际分解产生的产物。

[0003]由于高温通常与不合需要的等级的烃类流体沉积物形成关联，所以本文的主题通常称作热不稳定性或者在燃料的情况下称作燃料不稳定性。当加热流体和/或表面时，使包括润滑油、液压油、易燃燃料等的烃类流体流动可在容器壁的表面以及它们接触的其它部分形成煤烟、焦炭和油沉积物。例如，“结焦(coking)”包括使液态燃料凝固成碳沉积物，它趋向于在与液态燃料接触的加热表面上形成。这种沉积所影响的过程和系统的示例可包括石油化工过程、机床、汽车发动机、飞机燃气涡轮发动机、船用和工业用发动机等，其中来自烃类流体、燃料和油的表面沉积物是一个主要问题。沉积物可污染热交换器、堵塞燃料喷射器以及润滑油配给喷嘴、堵塞控制阀并且导致与烃类流体、燃料和油关联的许多其它类型的操作和控制装置的问题。此外，这种沉积可降低燃料流速、增加燃料管道工作压力以及降低喷射和/或燃烧系统或者整个过程、系统或发动机的性能。

[0004]在一个示例中，固态沉积物和釉子(varnishing)出现在燃料供应系统的液态燃料润湿的内部和外部表面。除了燃料喷射器之外，包括暴露于燃料和高温空气或者高环境温度的歧管、计量阀、配给阀和空气净化/止回阀(air purge/check valve)在内的其它燃料润湿部件可遭遇结焦和碳形成。结焦的条件是燃料成分、溶解氧浓度、表面粗糙度、表面成分，以及许多其它影响烃类燃料中的结焦速率的变量的函数。当前作法是将燃料润湿表面温度限制到300华氏度(°F)或者更低，以便使碳形成为最小。这在典型燃气涡轮环境中是很难的，其中对于较低压力比/性能机器的压缩机排放温度超过700°F，并且对于更高性能的系统超过1000°F。

[0005]当固态碳微粒和煤烟在燃烧系统部件上结块时，发生第二种类型的碳形成，其可扩展到液体燃料式和燃气燃烧系统。往往称作‘渣块’的这类碳沉积物损害燃烧器中的空气和燃料分配，增加排放、部件金属温度，以及使燃烧器出口温度分布偏斜、降低下游部件的使用寿命。当这些大“渣块”通过振动、气流或差热生长来驱除并且在下游涡轮机中分解时，这类固态碳沉积物还可导致旋转涡轮叶片的腐蚀，从而影响性能和使用寿命。由于大规模碳沉积物与叶片之间的碰撞会以极高的相对速度(每秒数百甚至数千英尺)发生，并且碳在这种形式下非常硬，所以叶片表面的腐蚀是一个持久性问题。

[0006]液体燃料式机翼上和航改发动机(on-wing andaeroderivate engine)的一个具体问题区域是防溅挡板。对于这些类型的发电机，焦炭可在防溅挡板上积聚，并且焦炭最终会剥落并且损坏燃烧器部件的阻挡涂层。这类问题对于发动机的可操作性具有严重影响。与当前燃气涡轮发动机中的结焦有关的另一个区域是通向燃烧器的燃料管道。如果燃料管道温度在某个温度窗口之内，则焦炭可在燃料管道内部形成，从而增加所需的泵压和/或限制到发动机的燃料流速。

[0007]如上所述，减轻燃料管道和涡轮发动机的其它接触表面的焦炭和其它沉积物的积聚的一种方法是使温度足够低，以便防止焦炭沉积反应发生。但是，这类涡轮发动机被迫工作在低于最佳温度，因此可能是低效的。备选地，将冷却设备添加到燃烧系统，以便使表面温度保持较低而没有牺牲最佳点火温度。但是，设备增加涡轮发动机设计的成本和复杂度。另一种方法是用有时称作焦炭阻挡涂层(CBC)的催化剂或涂料来涂敷表面，其中涂层在化学上设计成抑制热沉积物结合到表面上。特殊涂层同样增加涡轮发动机的设计的成本和附加过程步骤。此外，一些当前涂层不适合燃烧系统中可能出现的每一种类型的热沉积。处理热沉积的又一种方法是采用添加剂来对烃类燃料改性。但是，燃料必须在使用之前预先处理，或者已经混合了添加剂的特殊燃料必须溢价购买。

[0008]没有借助于对烃类流体的改性、没有采用特殊过程以及没有安装特殊设备而抑制热沉积物的形成的金属产品的表面、特别是防结焦表面对于当前液体燃料式涡轮机和其它相似设备可能是合乎需要的。

发明内容

[0009]本文所公开的是具有配置成防止热沉积物的形成的表面的方法。

[0010]在一个实施例中，防止燃气涡轮机部件的表面的热烃降解沉积物的方法包括，提供其中包含配置用于接触烃类流体的表面的涡轮机部件，其中，基体包括具有足以产生关于油的标称接触角的标称液体润湿性的材料，在基体上设置多个特征以形成防沉积表面结构(surface texture)，其中多个特征具有选择成使得该表面具有足以产生关于油的大于标称接触角的有效接触角的有效润湿性的大小、形状和取向，并且该特征包括宽度尺寸(a)和间距尺寸(b)，其中该特征防止烃类流体渗入表面结构，由此降低热烃沉积物对表面的粘附。

[0011]在另一个实施例中，防止燃气涡轮机部件的表面的焦炭沉积物的方法包括，提供其中包含配置用于接触烃类流体的表面的涡轮机部件，其中，基体包括具有足以产生关于油的标称接触角的标称液体润湿性的材料，在基体上设置多个特征以形成防结焦表面结构，其中多个特征具有选择成使得该表面具有足以产生关于油的大于标称接触角的有效接触角的有效润湿性的大小、形状和取向，并且该特征包括宽度尺寸(a)和间距尺寸(b)，其中该特征防止烃类流体渗入表面结构，由此降低焦炭沉积物对表面的粘附。

[0012]燃气涡轮发动机的燃烧器可包括配置成包含喷入燃烧器的烃类流体的燃烧室以及设置在燃烧室最接近烃类流体喷射的一端并且具有配置成与烃类流体接触的表面的防溅挡板，其中，防溅挡板包括具有足以产生关于油的标称接触角的标称液体润湿性的材料；在防溅挡板表面上设置多个特征以形成防结焦(anti-coking)表面结构，其中多个特征具有选择成使得该表面具有足以产生关于油的大于标称接触角的有效接触角的有效润湿性的大小、形状和取向；以及该特征包括宽度尺寸(a)和间距尺寸(b)，其中这些尺寸防止烃类流体渗入表面结构，由此降低焦炭沉积物对表面的粘附，并且b/a之比小于大约2，h/a之比小于大约5。

[0013]通过以下附图和详细描述来说明上述及其它特征。

附图说明

[0014]现在参照附图，图中相似元素相似地编号：

[0015]图1是燃气涡轮发动机的截面示意图；

[0016]图2是与图1的燃气涡轮发动机配合使用的燃烧器的截面示意图；

[0017]图3是地面重型或工业燃气涡轮发动机的截面示意图；

[0018]图4是与图3的燃气涡轮发动机配合使用的燃烧器的截面示意图；

[0019]图5是呈现结构的产品的表面的一个示范实施例的截面示意图；

[0020]图6是设置在标称平坦表面上的流体的截面示意图；

[0021]图7以图形方式示出用于去除以不同速度撞击的微滴的表面上的柱型特征(post-type feature)的设计参数；

[0022]图8以图形方式示出作为表面特征的微孔(例如孔洞)而不是小柱(post)的设计参数；

[0023]图9以图形方式提供拉普拉斯压力(P_L)和毛细管压力(P_C)之间的对于小柱特征(post feature)的间距的进一步比较；以及

[0024]图10和图11以图形方式分别示出可用于小柱特征和微孔特征的焦炭沉积粘附的表面的面积分数。

具体实施方式

[0025]本公开涉及抗例如焦炭、煤烟、碳微粒等的热沉积物的积聚的表面。如本文所述，疏油性表面结构的使用可通过防止油较严重地润湿表面来抑制这类沉积物的积聚。所公开的结构可促进油滴的脱落，并且防止油达到所需结焦温度。适当结构的使用还防止焦炭核粘在表面上，由此防止进一步的焦炭层的形成。如本文所述的表面结构的变化形式配置成抑制油滴渗入表面结构，由此降低焦炭沉积物对表面的粘附。术语“疏油性表面”一般用于表示分子或表面防油的物理性质。本文所使用的术语“疏油性表面”和“疏油性表面结构”更具体地用于表示排斥烃类燃料并且防止由此而来的热降解沉积物的形成的任何表面。虽然本发明没有针对或者限制于任何特定的烃基液态燃料，但是，表面可适合的典型燃料以及保护产品的基体不受其影响的典型燃料可包括易燃烃类气体、如天然气以及包括在室温下一般是液态的其烃类和蒸馏产物的烃类或蒸馏燃料。燃料可以是烃的混合物、这类蒸馏产物的混合物、烃和蒸馏产物的混合物、汽油、1号或2号柴油、例如Jet-A燃料等喷气发动机燃料、燃油或者本领域众所周知的上述燃料与添加剂混合的任一种。烃基液态燃料可表示常规用于反应发动机(reaction motor)的液态燃料，包括但不限于工业用的燃气轮机、用于内燃机或往复式内燃机的发动机，包括但不限于汽车和货车发动机、喷气推进飞机、任何其它燃气涡轮发动机等。

[0026]本文所公开的疏油表面可与适合于接触或包含热烃基液态燃料的任何部件配合使用，例如在可在烃中形成降解产物的温度加热的液烃喷气发动机燃料或柴油燃料。这类产品或部件的示例可包括但不限于用于传输液态燃料的导管、热交换器、锅炉(boiler)、熔炉(furnace)、燃料贮藏罐、燃料喷射器表面、喷嘴、燃烧器衬筒(lining)等。本公开设法将‘防粘’表面条件应用于燃料喷射器附近炭黑可积聚的表面，使得大规模沉积物不太可能形成，并且如果形成的话将以更小的相对大小脱落，从而引起热气通道部件的较少腐蚀。

[0027]一般参照附图以及具体参照图1，大家会理解，说明是用于描述本文所公开的表面和产品的一个特定实施例，而不是要局限于此。图1是示范燃气涡轮发动机的示意截面图。本文将参照液态燃气涡轮机的燃烧器系统中的疏油性表面处理的使用。但是，大家要理解，本文所公开的表面处理可有利地用于其中在金属表面发生例如焦炭、煤烟、碳等的来自烃类燃料的热沉积物、由此降低这类系统的性能和使用寿命的任何系统或过程。

[0028]对于燃气涡轮发动机，防结焦表面可极大地改进燃烧系统中的工作性能，以及防止从被焦炭沉积物阻塞的燃料管道到发动机的燃料流速的限制。此外，涡轮发动机中的疏油性有结构的表面可消除对于燃烧系统中的燃料添加剂或主动冷却部件的需要。作为一个具体示例，具有疏油性有结构的表面的防溅挡板可抑制其上的焦炭积聚。通过减轻防溅挡板上的焦炭形成，极大地降低焦炭沉积物剥落并且损坏附近阻挡涂层表面的可能性，因此增加涡轮机的可使用寿命。

[0029]图1示出包括风扇组件12、高压压缩机14和燃烧器16的燃气涡轮发动机10的一个示范实施例。发动机10还包括高压涡轮机18、低压涡轮机20和增压器22。风扇组件12包括从转子盘26向外径向延伸的风扇叶片24的阵列。发动机10具有入口侧28和排放侧30。

[0030]在工作中，空气流经风扇组件12，以及将压缩空气提供给高压压缩机14。将高压缩空气输送给燃烧器16。来自燃烧器16的气流驱动涡轮机18和20，以及涡轮机驱动风扇组件12。

[0031]图2是燃气涡轮发动机10中使用的燃烧器16的截面图。燃烧器16可包括环状外衬筒40、环状内衬筒42以及分别在外衬筒40与内衬筒42之间延伸的圆顶式端部44。外衬筒40和内衬筒42定义燃烧室46。

[0032]燃烧室46一般是环形，并且可设置在衬筒40与42之间。外衬筒40和内衬筒42从燃烧器圆顶式端部44延伸到设置在下游的涡轮机喷嘴56。在示范实施例中，外衬筒40和内衬筒42各包括多个板58，各包括一系列台阶60，其中每个板形成燃烧器衬筒40和42的独立部分。燃烧器圆顶式端部44可包括以环状配置设置的环状圆顶组件70。燃烧器圆顶组件70配置成向燃烧器16的上游端72提供结构支承，以及圆顶组件70包括圆顶板或双孔板(spectacle plate)74和防溅挡板外扩锥形组件(flashplate-flare cone assembly)76。防溅挡板外扩锥形组件76是整体的，并且包括防溅挡板部分77。

[0033]可经由与燃料源(未示出)连接并且延伸穿过燃烧器圆顶式端部44的燃料喷射器80向燃烧器16提供燃料。更具体来说，燃料喷射器80延伸穿过圆顶组件70，并且在相对于燃烧器中心对称纵轴线82大致上同轴方向(未示出)排放燃料。燃烧器16还可包括从燃料喷射器80延伸到下游的燃烧器16的燃料点火器84。燃烧器16还包括环状空气涡旋式喷嘴90，它具有关于中心对称纵轴线82的大致上对称延伸的环状出口。

[0034]防溅挡板部分77配置成防止燃烧器16中产生的热燃烧气体以及来自喷射器80的燃料喷雾回溅并撞击到燃烧器圆顶板上。因此，防溅挡板本身可易于受到来自其表面上的烃类燃料的降解的热沉积的影响，因为防溅挡板的功能是引导烃类燃料和含碳气体的流远离其它部件。在一些情况下，当这些焦炭和油沉积物继续积聚时，它们可在工作期间剥落并且撞击燃烧器16的其它表面。这些事件可导致燃烧器中的损坏和降低的工作性能。通过提供与加热的烃类燃料接触的防溅挡板和/或其它部件提供疏油性表面结构，可减轻或者完全降低部件表面上的热降解沉积物的形成。在一些实施例中，具有由表面特征(下面更详细地进行描述)组成的结构的防结焦表面可设置在整个防溅挡板表面之上。但是，在某些情况下，防结焦表面结构仅在表面的特定部分才是必要或者合乎需要的。

[0035]现在来看本文所述的疏油性表面将是合乎需要的另一个应用，具有罐式环状燃烧系统(can-annular combustion system)410的地面工业燃气涡轮400如图3所示。图4是图3所示的燃烧系统410的放大截面图。各燃烧器410包括大致上圆筒燃烧器壳体412。燃烧器壳体的后部或近端被端部封盖组件(cover assembly)414封闭，端部封盖组件414包括用于向燃烧器馈送烃类燃料、空气和水的供给管、歧管和关联的阀。端部封盖组件414收容以围绕燃烧器的纵轴线以环形阵列设置的多个(例如三至六个)“外部”燃料喷嘴组件416(为了便利和清晰起见，图4中仅示出一个)以及一个中心喷嘴。

[0036]在燃烧器壳体410中，相对其大致上同心地安装了大致上圆筒导流套筒418，它在其前端与双壁式过渡导管422的外壁420连接。流动衬套418在其后端通过径向法兰424与燃烧器壳体412接合，在这里燃烧器壳体412的前段和后段接合。

[0037]在导流套筒418中，存在同心设置的燃烧器衬筒430，它在其前端与过渡导管422的内壁连接。燃烧器衬筒430由燃烧器衬筒帽组件(cap assembly)以及由燃烧器壳体412中的多个支柱和安装部件(没有详细示出)支承。

[0038]与飞机涡轮发动机中的燃烧系统的防溅挡板相似，燃料喷嘴416的表面和燃烧器衬筒430是地面涡轮燃烧系统的易于焦炭和碳沉积的区域。烃类液态燃料和燃烧烃类气体可直接接触，甚至涂敷喷嘴和燃烧器衬筒表面。除了剥落并且引起内表面损坏之外，喷嘴上的热沉积物聚积还可限制烃类燃料到燃烧器本身的流速。这可具有增加所需泵压和/或限制到发动机的燃料流速的影响。因此，燃料喷嘴和燃烧器衬筒表面是可获益于用于排斥烃基液态燃料的疏油性表面的燃烧器部件。

[0039]本文所使用的“接触角”或“静态接触角”是在液体/基体界面所测量的在参考液体的静止液滴与微滴被设置在上面的水平表面之间形成的角。接触角用作表面的润湿性的量度。如果液体完全铺开在表面并且形成膜，则接触角为0度。随着接触角增加，润湿性降低。为了便于论述，对此所述的疏油性表面处理现在一般称作“防结焦表面”。“防结焦表面”用于描述具有大致上降低的油湿倾向的表面。防结焦表面还促进油滴比当前涡轮机表面更容易脱落。如本文所述的有结构的防结焦表面抑制油层渗入表面结构，由此引起焦炭沉积物对表面的粘附方面的明显降低。防结焦表面的特征在于与没有所公开处理的表面相比降低的热沉积物聚积。

[0040]图2的燃烧器16的防溅挡板77和内表面作为对于飞机和航空涡轮燃烧系统中的防结焦表面是理想的产品的一个示例。类似地，图4的燃料喷嘴416和燃烧器衬筒430作为对于地面涡轮燃烧系统中的防结焦表面是理想的产品的示例。但是要理解，这些防结焦表面在烃基液态燃料与加热表面接触的任何燃烧系统中会是有用的。在加热的烃类流体接触表面(即易结焦表面)的区域、如防溅挡板中的表面处理可提供防结焦、防煤烟沉积等的表面性质。

[0041]现在参照图5，示出根据本文公开的一个示范实施例的产品的易结焦表面的示意截面图。产品100包括表面120。本文所使用的术语“表面”表示产品100中与产品100周围的烃类流体直接接触的那个部分。表面可包括基体、特征或者设置在基体之上的表面改性层，取决于产品的具体配置。表面120具有低液体润湿性。表面120的液体润湿性的一种普通接受的量度是在表面120与参考液体的微滴150的表面的切线130之间形成的在表面120与微滴150之间的接触点处的静态接触角140的值。接触角140的高值指明表面120上的参考液体的低润湿性。参考液体可以是任何感兴趣的液体。如对于上述系统和过程所使用的，参考液体可以是包含至少一种烃的液体。在一个特定实施例中，参考液体是油。油的示例可以非限制性地包括石油基产品，例如原油及其蒸馏产物、如煤油、汽油，1号或2号柴油燃料，喷气发动机燃料、如Jet-A、石蜡等。本文所使用的术语“防油”将理解为表示油产生与油的至少大约30度的静态接触角的表面。由于润湿性部分地取决于参考液体的表面张力，所以给定表面对于不同液体可具有不同的润湿性(因此形成不同的接触角)。

[0042]表面120包括具有足以产生关于油的至少大约30度的标称接触角的标称液体润湿性的材料。为了理解本发明，“标称接触角”340(图6)表示在参考液体360的液滴位于基本上由该材料组成的平坦平滑(＜1nm表面粗糙度)表面320上处所测量的静态接触角340。这个标称接触角340是材料的“标称润湿性”的测量。在一个实施例中，关于油的标称接触角至少大约为30度，具体至少大约为70度，更具体至少大约为100度，甚至更具体至少大约为120度。

[0043]表面120(图5)包括从由陶瓷和金属间化合物组成的组中选取的至少一种材料。适当的陶瓷材料包括无机氧化物、碳化物、氮化物、硼化物及其组合。这类陶瓷材料的非限制性示例包括氮化铝、氮化硼、氮化铬、碳化硅、二氧化硅、氧化锡、二氧化钛、碳氮化钛、氮化钛、氧氮化钛、二硫化锑(SbS₂)、氧化锆、二氧化铪、氮化锆及其组合。在某些实施例中，表面包括金属间化合物。适当的金属间化合物材料的示例包括但不限于铝化镍、铝化钛及其组合。根据产品的预期接触角、所使用的制造技术和最终使用应用来选择材料。

[0044]表面120还包括结构，其中包含多个特征160。通过提供具有特定结构的包含较高标称润湿性的材料的表面120，(下面进行详细描述)，所得有结构的表面可具有比制成表面的材料固有的明显更低的润湿性。具体来说，表面120具有足以产生比标称接触角更大的有效接触角的参考液体的有效润湿性(即有结构的表面的润湿性)。在一个实施例中，有效接触角比标称接触角要大至少大约5度，特别地比标称接触角要大至少大约10度，更特别地比标称接触角要大至少大约20度，甚至更特别地比标称接触角要大至少大约30度。有效接触角部分地取决于特征形状、尺寸和间距，下面详细描述。

[0045]如上所述，表面120具有包含多个特征160的结构。多个特征160可具有任何形状，包括凹陷部、突出部、纳米多孔固体、凹痕等中的至少一种。特征可包括凸块、锥体、杆、柱、线、沟道、大致球形特征、大致圆筒特征、金字塔特征、棱柱形结构、它们的组合，等等。大量特征形状适合用作特征160。在一些实施例中，如图5所示，多个特征160的至少一个子集在产品的表面120之上突出。在一些实施例中，多个特征160的至少一个子集是设置在表面120中的多个孔洞(例如微孔)170。在一些实施例中，特征160的至少一个子集具有从由立方体、直角棱柱、锥体、圆柱、金字塔形、梯形棱柱和半球或其它球形部分组成的组中选取的形状。无论特征是突出部160还是孔洞170，这些形状都是适合的。

[0046]特征160的大小(图5)可通过许多方式来具有特征。特征160包括高度尺寸(h)，它表示表面120之上突出特征的高度或者在孔洞170的情况下孔洞延伸到表面120中的深度。特征160还包括宽度尺寸(a)220。宽度尺寸的准确性质将取决于特征的形状，但是限定为在特征自然接触位于产品表面的液滴的点处的特征的宽度。特征160的高度和宽度参数对于在表面120所观测到的润湿行为具有极大影响。

[0047]特征取向是表面润湿性的工程方面的另一个设计考虑因素。特征取向的一个重要方面是特征的间距。参照图3，在一些实施例中，特征160以表征为间距尺寸(b)240的间隔开的关系来设置。间距尺寸240定义为两个最接近相邻特征的边缘之间的距离。还可考虑取向的其它方面，例如顶部250(或者孔洞的底部260)与表面120偏离平行的程度或者特征160与关于表面120的垂直取向偏离的程度。

[0048]在一些实施例中，多个特征160对于h、a和/或b(“有序阵列”)全部具有大致上相同的相应值，但这不是普遍要求。例如，多个特征160可以是呈现大小、形状和/或取向的随机分布的特征的集合。此外，在某些实施例中，多个特征的特征在于h、a、b或者它们的任何组合中的多模态分布(例如双模态或三模态分布)。这类分布可有利地在遇到一系列液滴大小的环境中提供降低的润湿性。因此，通过考虑这些参数的分布性质最佳地执行h、a和b对润湿性的影响的估计。特征在任何参数方面可改变，并且应当适合于创建防止液滴渗透表面特征、由此引起焦炭沉积物与有结构的表面之间降低的接触的表面。因此大家会理解，本文中在多个特征而不是各个特征的上下文中描述参数a、b、h等的情况下，那些参数要被理解为表示作为总体的多个特征的中值。

[0049]除了液滴与表面之间的低水平的摩擦和其它接触力之外，例如防结焦表面等低润湿性表面的许多应用例如对于油还要求相当高的接触角，以促进焦炭沉积聚积。特征的形状、尺寸和间距连同表面的材料成分都影响表面的润湿性。因此，能够选择特征尺寸和间距，使得对于油的有效接触角是最佳的，以便减轻表面的热沉积物(例如结焦)的形成。因此，所设计和制造的表面对于油具有所选润湿性，以便实现防结焦特性。

[0050]有结构的表面的耐湿性由于结构产生的正毛细管压力而产生。该压力帮助抑制微滴渗透表面的结构(例如特征)。对于包括具有尺寸宽度‘a’、间距‘b’和高度‘h’的方形柱特征的阵列的表面结构，毛细管压力可按下式推导：

$P_C=\left(\frac{-4\cos {\mathrm{\θ}}_0}{{(1+b/a)}^2-1}\right)\frac{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{LV}}}{a}$ 等式1

式中：P_C＝毛细管压力，

γ_LV＝液体的表面张力。

[0051]对于包括具有尺寸半径‘a’、微孔之间的间距‘b’和高度‘h’的孔洞特征的阵列的表面结构，毛细管压力由下式给出：

$P_C=-\frac{2{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{LV}}\cos {\mathrm{\θ}}_o}{a}$ 等式2

[0052]当静止微滴位于包括特征的表面时，上述毛细管压力抑制所谓的拉普拉斯压力(P_L＝2γ_LV/R，其中R是微滴半径)。如果液滴正以速度V碰撞表面，则与表面关联的毛细管压力必须抑制伯努利压力(P_B～ρV²/2)。因此，对于静止液滴，表面结构必须设计成使得P_C＞P_L，以及对于移动液滴，表面结构必须设计成使得P_C＞P_B。

[0053]图7以图形方式示出用以去除以不同速度撞击的微滴的表面上的柱型特征的设计参数。附图示出以不同微滴速度的柱大小(即宽度‘a’)与柱的相对间距(即间距对宽度比b/a)之间的关系。曲线下方的区域提供适合于去除以给定速度的液滴的设计参数的范围。图8以图形方式示出作为表面特征的微孔(例如孔洞)而不是小柱的设计参数。附图示出微孔半径(‘a’)与微滴速度之间的关系。曲线下方的区域提供适合于去除以给定速度的液滴的设计参数。

[0054]图9以图形方式提供拉普拉斯压力(P_L)和毛细管压力(P_C)之间的进一步比较。对于1微升(μL)水滴的毛细管和拉普拉斯压力(以帕(Pa)为单位测量)的相关性以相对柱特征表面间距(即，柱间距对宽度比b/a)的函数来计算。短划线表示宽度(a)为15微米的柱特征。在相对间距比(b/a)为6(即b＝90微米)时，实线表示的P_L超过P_C。虚线表示宽度(a)为3微米的柱特征。在图9中可看到，在相当的间距对宽度比处，当使用3微米宽的小柱时，P_C始终超过P_L。因此，这些图说明，对于要耐湿的表面，适当的防结焦特征大小应当具有小于大约15微米的宽度‘a’以及小于大约6的相对间距(b/a)。

[0055]为了进一步限定防结焦表面特征的适当参数，应当计算焦炭沉积物可能粘附的表面的有效面积分数的考虑值。有效面积由下式提供：

小柱的面积分数＝1/(1+b/a)²等式3

微孔的面积分数＝1-π/4(1+b/a)²等式4

[0056]等式表明，具有更稀疏的小柱(即更大的间距对宽度比)减小焦炭沉积物的有效接触面积，因此降低粘附和积聚的机会。图10和图11以图形方式分别示出可对于柱特征和微孔特征的焦炭沉积物粘附的表面的面积分数。

[0057]通过与根据应用环境适当选择材料相结合来适当地选择b/a、h和a，表面结构可设计成使得表面的烃类流体的液滴将呈现与易于脱落行为结合的防结焦性质。因此，特征包括高度尺寸(h)、宽度尺寸(a)和间距尺寸(b)，使得比率b/a小于大约6，以及比率h/a小于大约10。

[0058]对于表面上方突出的特征、如小柱(图10)，参数a通常小于大约25微米。在一些实施例中，a小于大约10微米。在其它实施例中，a小于大约5微米。在又一些实施例中，a小于大约1微米。在某些实施例中，b/a的范围是从大约0.1至大约6。在其它某些实施例中，b/a的范围是从大约0.5至大约4。在又一些实施例中，b/a的范围是从大约0.5至大约2。在某些实施例中，h/a小于大约10。在其它某些实施例中，h/a小于大约5。在又一些实施例中，h/a小于大约1。

[0059]同样，如图11所示，对于表面下方突出的特征、如微孔，参数a通常小于大约25微米。在一些实施例中，a小于大约10微米。在其它实施例中，a小于大约5微米。在又一些实施例中，a小于大约1微米。在某些实施例中，b/a的范围是从大约0.1至大约6。在其它某些实施例中，b/a的范围是从大约0.5至大约4。在又一些实施例中，b/a的范围是从大约0.5至大约2。在某些实施例中，h/a小于大约10。在其它某些实施例中，h/a小于大约5。在又一些实施例中，h/a小于大约1。

[0060]组成结构的多个特征160(图5)不需要限制到表面120或者紧靠表面120的区域。在一些实施例中，产品100还包括设置在表面120之下的块体部分(bulk portion)110，并且多个特征160延伸到块体部分110中。将特征160分布于遍布产品100、包括分布在表面120上以及在块体部分110中，允许在表面的顶层受腐蚀时重新生成表面120。

[0061]在某些实施例中，表面包括表面能量改性层(未示出)。在某些情况下，表面能量改性层包括设置在基体之上的涂层。基体可包括金属、合金、陶瓷或者它们的任何组合中的至少一个。基体可采取膜、片或者块体形状的形式。基体可代表最终形式的产品100，例如成品件、近终形状或者以后制作到产品100中的初步加工成品。表面120可以是基体的整体部分。例如，可通过将结构直接复制到基体上，或者通过将结构压印到基体上，或者通过本领域已知的将预定表面结构形成或赋予到基体表面的任何其它这种方法，来形成表面120。备选地，表面120可包括通过本领域已知的任何数量的技术设置或沉积到基体上的层。

[0062]涂层包括从由疏油性硬涂层、氟化材料、合成材料以及它们的各种组合组成的组中选取的至少一种材料。适当的疏油性硬涂层的示例包括但不限于类金刚石碳(DLC)-包括氟化DLC、氧化钽、碳化钛、氮化钛、氮化铬、氮化硼、碳化铬、碳化钼、碳氮化钛、氮化硼、氮化锆、无电镀镍、二氧化硅、二氧化钛和铝化镍。本文所使用的“疏油性硬涂层”表示一类涂层，它们具有超过对于金属所观测到的硬度，并且呈现足以产生对于油滴的至少大约30度的标称静态接触角的耐湿性。作为一个非限制性示例，氟化DLC涂层呈现显著耐油湿性。例如氮化物、硼化物、碳化物和氧化物等的其它硬涂层也可用于此目的。这些硬涂层以及例如化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)等的用于涂敷它们的方法是本领域已知的，并且在苛刻环境中特别有用。备选地，可通过将分子、原子或离子种类扩散到或注入表面以便形成与表面改性层之下的材料相比具有改变的表面性质的材料层，来形成表面改性层。在一个实施例中，表面改性层包括离子注入材料、如离子注入金属。

[0063]具有对油的可控润湿性的产品对于具有热沉积问题、如结焦倾向的许多应用具有吸引力。本文所公开的实施例的可能应用的示例包括例如机翼上和航改燃气涡轮发动机等的发动机中的燃烧系统、商业锅炉、熔炉等。其它示范产品包括但不限于，用于将加热烃类燃料输送到发动机燃烧系统的管道和管道系统。应用的性质将确定将要设置到产品上的特征的程度。结焦导致其上形成沉积物的表面的降级，并且可导致燃烧系统降低的性能。本文所公开的产品的防结焦性质将提高性能并且增加具有结焦和其它热沉积相关问题倾向的当前系统的使用寿命。

[0064]本发明的另一个方面包括使产品的表面呈现防结焦的方法。该方法包括：提供包括易结焦基体的产品；在基体上设置多个特征以便形成表面，使得减小表面的结焦。基体包括具有足以产生关于油的标称接触角的标称液体润湿性的材料。特征具有大小、形状和取向，它们选择成使得表面具有足以产生关于油的大于标称接触角的有效接触角的有效润湿性。特征包括高度尺寸(h)、宽度尺寸(a)、间距尺寸(b)，使得比率b/a小于大约2，以及比率h/a小于大约10。表面具有关于油的大于大约30度的有效接触角。

[0065]特征设置在基体上，以便形成表面。特征可通过本领域已知的任何形成结构方法设置到基体上。一些适当方法的示例包括光刻、软光刻、压印、成型、蚀刻、模板生长、膜沉积、激光钻孔、喷砂处理、热喷涂、电化学蚀刻等。特征可包括与基体相同的材料或者另一种材料。基体和特征材料以及特征大小和间距的准确选择部分地取决于表面的预期润湿性，如上所述。表面通常具有关于油的大于大约30度的有效接触角。在一些实施例中，表面通常具有关于油的大于大约50度的有效接触角。在其它实施例中，表面通常具有关于油的大于大约100度的有效接触角。

[0066]上述实施例提供优于用于减轻燃气涡轮发动机部件表面的热沉积物的现有方法的明显优点。例如，包括上述表面的涡轮机部件提供优于遭受热沉积的当前部件的增加的使用寿命和工作性能。本文所公开的防结焦表面可有利地抑制热沉积物的形成、特别是结焦，而没有借助于改性烃类流体、没有采用特殊过程以及没有安装特殊设备，对于当前液态燃料涡轮机和其它相似设备可能是合乎需要的。

[0067]以下示例用于说明本发明的实施例所提供的特征和优点，而不是要将本发明局限于此。

[0068]本文所公开的范围是包含性以及可组合的(例如，“高达大约25wt％的范围，或者更具体为大约5wt％至大约20wt％”的范围包含端点以及“大约5wt％至大约25wt％”的范围的所有中间值等)。“组合”包含混和物(blend)、混合物(mixture)、合金、反应产物等。此外，本文中的术语“第一”、“第二”等不是表示任何顺序、量或重要性，而是用于区分一个元件与另一个元件，以及本文中的术语“一个”(“一种”)不是表示量的限制，而是表示存在引用项的至少一个(一种)。与数量结合使用的修饰语“大约”包含所述值，并且具有上下文所规定的含义(例如包括与特定数量的测量关联的误差程度)。本文所使用的复数形式意在包括它修饰的项的单数和复数，由此包括那个项的一个(种)或多个(种)(例如，着色剂包括一个(种)或多个(种)着色剂)。说明书中提到“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等表示结合该实施例所述的具体元件(例如特征、结构和/或特性)包含在本文所述的至少一个实施例中，并且可以或者可以不存在于其它实施例中。另外要理解，所述元件在各种实施例中可通过任何适当方式进行组合。

虽然已经参照优选实施例描述了本发明，但是大家会理解，可进行各种变更，以及等效方案可代替其中的元素，而没有背离本发明的范围。另外，可对本发明的理论进行多种修改以适合具体情况或材料，而没有背离其实质范围。因此，我们认为本发明并不局限于作为考虑用于执行本发明的最佳模式而公开的特定实施例，本发明将包括落入所附权利要求书的范围之内的所有实施例。

10    燃气涡轮发动机

12    风扇组件

14    高压压缩机

16    燃烧器

18    高压涡轮机

20    低压涡轮机

22    增压器

24    风扇叶片

26    转子盘

28    入口侧

30    排放侧

40    环状外衬筒

42    环状内衬筒

44    圆顶式端部

46    燃烧室

56    涡轮机喷嘴

58    面板

60    台阶

70    环状圆顶部件

72    上游端

74    双孔板

76    防溅挡板外扩锥形部件

77    防溅挡板部分

80    燃料喷射器

82    对称轴线

84    燃料点火器

100   产品

110   块体部分

120   表面

130   切线

140   静态接触角

150   微滴

160   特征

170   孔洞

200   高度尺寸h

220   宽度尺寸a

240   间距尺寸b

250   特征顶部

260   孔洞底部

320   表面

340   接触角

360   参考液体

400   工业燃气涡轮发动机

410   罐式环状燃烧系统

412   燃烧器壳体

414   封盖部件

416    燃料喷嘴部件

418    导流套筒

420    外壁

422    过渡导管

424    径向法兰

430    燃烧器衬筒

Claims (10)

1.一种防止燃气涡轮机部件(16，100)的表面上的热烃降解沉积物的方法，所述方法包括：

提供包括配置成用于接触烃类流体的表面(120)的所述涡轮机部件(16，100)，其中基体包括具有足以产生关于油的标称接触角(140)的标称液体润湿性的材料；

在所述基体上设置多个特征(160)，以形成防沉积表面结构，其中所述多个特征具有大小、形状和取向，其选择成使得所述表面具有足以产生关于油的大于所述标称接触角的有效接触角的有效润湿性；以及

所述特征包括宽度尺寸(a)(220)和间距尺寸(b)(240)，其中所述特征防止所述烃类流体渗入所述表面结构，并且由此降低所述热烃沉积物对所述表面的粘附。

2.一种防止燃气涡轮机部件(16，100)的表面(120)上的焦炭沉积物的方法，所述方法包括：

提供包括配置成用于接触烃类流体的表面的所述涡轮机部件(16，100)，其中基体包括具有足以产生关于油的标称接触角(140)的标称液体润湿性的材料；

在所述基体上设置多个特征(160)，以形成防结焦表面结构，其中所述多个特征具有大小、形状和取向，其选择成使得所述表面具有足以产生关于油的大于所述标称接触角的有效接触角的有效润湿性；以及

所述特征包括宽度尺寸(a)(220)和间距尺寸(b)(240)，其中所述特征防止所述烃类流体渗入所述表面结构，由此降低所述焦炭沉积物对所述表面的粘附。

3.如权利要求1-2中任一项所述的方法，其中，所述多个特征(160)配置成使得对于所述烃类流体的微滴(150)，毛细管压力大于拉普拉斯压力。

4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述多个特征(160)配置成使得毛细管压力大于与碰撞所述表面(120)的所述烃类流体的微滴(150)关联的伯努利压力。

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述多个特征(160)的至少一子集在所述燃气涡轮机部件(16，100)的表面之上突出。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述突出的特征(160)的所述子集包括多个柱，以及其中a小于大约25微米，比率b/a在大约0.1与大约6之间，并且高度尺寸h(200)与所述宽度尺寸a(220)之比小于大约10。

7.如权利要求5所述的方法，其中，所述突出的特征(160)的所述子集包括多个柱，以及其中a小于大约5微米，并且比率b/a在大约0.5与大约4之间。

8.如权利要求5所述的方法，其中，所述突出的特征(160)的所述子集包括多个柱，以及其中a小于大约1微米，并且比率b/a在大约0.5与大约2之间。

9.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其中，所述多个特征(160)的至少一子集是设置在所述表面(120)上的多个孔洞(170)。

10.如权利要求9所述的方法，其中，a小于大约25微米，比率b/a小于大约6，以及高度尺寸h(200)与所述宽度尺寸a(220)之比小于大约10。

Images