CN102080601B - 燃气涡轮发动机的引燃器、燃烧室和燃气涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃气涡轮发动机的引燃器(1)、燃烧室和燃气涡轮发动机，该引燃器包括前主体(8)，该前主体具有沿所述引燃器(1)的中心轴线(6)的轴向扩展部，所述中心轴线(6)具有朝向所述燃气涡轮发动机的燃烧区域(3)的轴向方向，所述前主体(8)包括指向所述燃烧区域(3)的引燃器面(2)。材料(9)沿轴向方向被逐渐沉积在所述前主体(8)中，从而沿所述前主体(6)的轴向方向形成抗高温主体并且形成所述引燃器面(2)的抗高温面。

Description

燃气涡轮发动机的引燃器、燃烧室和燃气涡轮发动机

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机的引燃器，其具有指向燃气涡轮发动机的燃烧区域的引燃器面。

背景技术

引燃器被用于燃气涡轮发动机中以便点燃燃烧区域中的燃料/空气混合物，具体而言以便点燃燃烧区域中的液体燃料和/或气体燃料与空气的混合物，该混合物被引导到引燃器之后，即在下游。燃料和空气在涡流区域中被混合在一起并且在引燃器的燃烧区域中被点燃从而产生高能流体流来推动燃气涡轮发动机的涡轮段。

引燃器的现有设计是由奥氏体不锈钢制成的，其在高温下具有良好的抗胀缩能力并且可以被用于连续的高温工作。奥氏体不锈钢是保持引燃器成本较低并且提供良好的抗温能力的折中材料。

不过由于发动机工作期间温度梯度所导致的过度应力，这种设计的引燃器，具体而言引燃器面，易破裂并且因而减少引燃器寿命。

因此，公知的是，提供带有MCrAlY涂层的引燃器面，从而减少氧化侵蚀并且将引燃器内的金属温度保持在部件寿命的允许范围内。MCrAlY是金属(“M”代表Ni、Co或Fe基或者其混合物)、铬(“Cr”)、铝(“Al”)和钇(“Y”)的组成物的首字母缩写。

不过引燃器面上的涂层具有一些缺点。涂层的厚度通常不足以提供良好的保护以抵抗高温，特别是长时间的保护。

发明内容

因此，本发明的目标在于提供一种用于燃气涡轮发动机的抗高温的引燃器，其目的在于使得引燃器具有长的使用寿命。

本发明的该目标通过具有根据权利要求1的特征的引燃器以及根据其他独立权利要求的包括这样的引燃器的燃烧室和燃气涡轮发动机来实现。从从属权利要求、说明书和附图中可以得到本发明的优点、特征、细节、方面和效果。

根据本发明，提供燃气涡轮发动机的引燃器，其包括前主体，该前主体具有沿引燃器的中心轴线的轴向扩展部(axialexpansion)，该中心轴线具有朝向燃气涡轮发动机的燃烧区域的轴向方向，并且所述前主体包括指向该燃烧区域的引燃器面。引燃器的特征在于，材料，具体地是非涂层材料，沿轴向方向被逐渐沉积在前主体中，以便沿前主体的轴向方向形成抗高温主体并且形成引燃器面的抗高温面。

代替引燃器表面上的涂层，材料被置于引燃器的热段，以代替涂层或支撑其他任选涂层，以便热量不会影响引燃器。这可以通过使用抗高温材料来形成前主体内的抗高温主体来实现，且该前主体的轴向扩展幅度大于涂层的厚度。材料像涂层一样沿径向方向扩展来提供抗高温引燃器面不过也沿轴向方向延伸，以便提供必要的厚度从而对引燃器的剩余主体提供热保护。

在优选实施例中，材料被沉积以便在引燃器面的凹槽(盲孔)内构建抗高温材料盘。

在本发明中，引燃器面是引燃器中指向引燃器的燃烧区域或指向将燃料和空气混合在一起的涡流区域的端部。为了提供坚固的保持，材料被沉积到引燃器面内的特定凹槽内。这样具有多个优点。首先，引燃器的尺寸不会增加。此外，凹槽且因此盘可以具有足够的厚度以便对引燃器提供长期保护。凹槽的厚度可以根据工作场地而改变。在引燃器面的凹槽内存在抗高温材料盘会减少热气向大气的泄漏，这再次提高了引燃器的安全性。此外，提高了引燃器的可修复性。一旦盘的部件寿命已经结束，则可以去除盘，例如将其机加工除掉，并且新材料可以被施加到引燃器面内的凹槽。因此，可以通过在引燃器面的凹槽内沉积抗高温材料来增加引燃器的部件寿命。

有利地，盘被成形地置于(placedform-shaped)引燃器面的凹槽内。

在本发明中，抗高温材料是能够抵抗高的热应力的材料，具体指850℃-1500℃(摄氏度)的温度范围内的应力。因此，根据本发明的非常适当的改进，引燃器面的盘的材料是抵抗高于1000℃温度的抗高温材料，具体地抵抗高达1500℃或更高温度。优选地是引燃器，从而盘的材料是抗高温金属或者抗高温金属合金，具体地包括铝和/或镍。

在引燃器面内具有沉积盘的情况下，引燃器的主要主体可以由奥氏体不锈钢构成。这种引燃器的成本可以保持较低，因为仅需要有限量的特定抗高温材料来填充凹槽。剩余的引燃器主体可以由不同的更便宜的材料构成。

此外，引燃器是优选地，从而抗高温金属盘被沉积到，具体地被激光沉积到，引燃器面的凹槽内。这意味着可以通过激光沉积方法来制造盘。激光沉积或脉冲激光沉积是薄膜沉积技术，其中高功率脉冲激光束被聚焦到真空腔内来冲击所需成分的靶。从而，材料从靶蒸发并且作为盘沉积在引燃器面的凹槽内。可以以多层的方式施加材料从而填充凹槽。这样的盘或这样的引燃器面是非常耐热的。在凹槽内沉积材料的优点在于，在材料硬化之后能够将盘牢固地保持在凹槽内。与简单涂层不同，激光沉积的盘能够非常牢固的保持在凹槽内。此外，由于在凹槽内的沉积，所以与在平面引燃器面的表面上的简单涂层相比，盘被更好地保护。

在其他非常优选的实施例中，抗高温盘通过热金属喷涂或冷金属喷涂的方式被沉积到凹槽内。可以通过热金属喷涂或使用冷金属喷涂来沉积用于构建盘的金属，其中喷涂具有如下优点，即在引燃器面的凹槽内构建压应力层或盘从而有助于抵抗引燃器的主要主体上的热应力。不久之后，被喷涂到引燃器面内的凹槽内的金属会硬化并且形成具有凹槽厚度的板，即所述盘。整个凹槽均填充有抗高温材料，具体而言是抗高温金属。

热金属喷涂是将熔融金属喷涂到凹槽内以形成具有足够厚度的盘的过程。这通过以火焰或电弧来熔化纯金属或合金金属的方式来实现。之后，熔融金属被压缩空气吹动，该压缩空气具有产生微小金属液滴以及朝向凹槽喷射这些液滴的组合效果。最终结果是产生了凹槽内的固体金属盘。盘的厚度由所施加的层数来决定。有利的是，铝或锌通过热金属喷涂方式被沉积于引燃器的材料，具体是钢。这是特别有利的，因为这些材料具有抗高温性能。

所有金属喷涂方法，例如电弧喷涂或火焰喷涂，均涉及将小的熔融颗粒喷射到凹槽内，在此它们黏着并形成连续的盘。为了产生熔融颗粒，需要热源、喷涂材料和雾化/喷射方法。在接触时，颗粒冲击到凹槽内、凝固并机械结合。首先是接触在凹槽可能粗糙的底部上，并且之后随着盘厚度的增加而彼此接触。

冷喷涂涉及使得金属或其他固体的微观粉末状颗粒注射到快速膨胀气体的超声喷射流中并且将它们射到引燃器面的凹槽内。当这些颗粒撞击凹槽的底部时它们黏住并形成盘。

冷喷涂也被称为室温喷涂。常规的热或热能喷涂过程需要预热被喷涂材料，以便当颗粒到达引燃器内的凹槽的底面时所述颗粒处于半熔融状态。这允许它们在凹槽的表面飞溅。不过当颗粒冷却时，它们稍微收缩，从而在界面处产生残余应力或裂纹，这会在之后导致缺陷。通过对比，冷喷涂的材料通常在碰撞之前保持在室温或室温附近，以近似500-1500m/s的速度快速猛击到基体中，从而形成紧密的键而没有与常规工艺相关的不理想的化学改变和应力。不同于热喷涂材料，冷喷涂材料在飞射期间几乎不具有导致缺陷的氧化并且一旦被制备则具有显著的大密度和传导性。此外，冷喷涂方法可以实现与传统热喷涂工艺相当的沉积率。例如氮和氦的轻气体是优选的，因为它们具有小的分子量。这意味着它们的声速是尽可能大的。冷喷涂具有如下优点，即可以在大气压下进行。其他工艺需要例如真空的低压以便实现类似品质的涂层。

理想地，粉末应该具有尽可能细的材料且其下端被限定成当这种超声气流冲击凹槽表面时在表面上形成冲击波。5-15微米范围内的颗粒是优选的，不过一些高达30微米或更大的材料仍呈现良好结果。小于5微米的颗粒的问题在于，它们将跟随气流并且在凹槽底面附近减速。

可以在凹槽内喷涂不同材料来构建盘。例如由氧化铝材料和/或镍制成的盘非常抗高温并且具有极小的热吸收。此外，这些材料抗热冲击并且呈现良好的抗腐蚀性能。

凹槽的形状可以不同。例如，从燃烧区域的方向观察，凹槽可以具有矩形、椭圆形或三角形。优选地，引燃器面内的凹槽的形状可以是圆形。引燃器面可以通常具有圆形形状。在圆形凹槽内的圆形盘可以几乎覆盖整个引燃器面。有利地，凹槽尽可能大，以便引燃器的几乎整个前面由抗高温盘保护。

在引燃器的非常优选的实施例中，凹槽的横截面沿朝向燃气涡轮发动机的燃烧区域的方向减小。这意味着在喷涂金属硬化后盘被绝对地固定在凹槽内。盘被成形地固定于凹槽内。基本上，之后盘具有截头圆锥形形式。

其他形式可以是有利的，例如凹槽可以是实质上圆柱形或圆锥形(圆锥的基底是引燃器面)具体是凹圆锥形式的腔。除此之外，凹槽可以是半球形或截头圆锥形，后者具有沿朝向引燃器面的轴向方向减小的横截面。沉积的材料将实质上形成相反的主体，因为其匹配到凹槽内。

凹槽可以在引燃器面处具有圆形边缘。在该边缘的径向内部沉积材料以便构建抗高温前主体。沉积物可以优选地结束于与引燃器面的周围(径向外部)前面表面相同的平面内。为了获得非常平坦的表面，可以仍然施加附加涂层到整个前面。可替换地，沉积物也可以“溢出”边缘并且覆盖整个前面。

先前描述的实施例中，固体前主体可以具有凹槽，材料沉积在凹槽中。可替换地，可以通过沉积材料来构建整个前主体本身。材料可以被逐层喷涂从而向核心引燃器主体添加材料，以便最终通过沉积产生前主体。如果在材料喷涂或沉积期间化学成分可能改变或者如果两种不同材料被混合并且通常施加于表面并且所施加材料的浓度变化，则上述方法是特别有利的。这样，两种材料或两种化学成分之间的比例可以是逐渐增减的。

特别地，沿垂直于中心轴线的径向方向可以改变(具体地逐渐改变)沉积材料的成分，例如在中心轴线附近沉积更大浓度的抗热材料。附加地或可替换地，可以沿轴向方向改变(具体地逐渐改变)沉积材料的成分，例如在引燃器面附近沉积更大浓度的抗热材料。

这样，可以在需要更好的抗热保护的区域内具有更大浓度的抗热材料，而在从燃烧区域进一步径向向外或进一步远离燃烧区域的区域内，前主体可以包含更高浓度的较不抗热的材料。有利地，这可以导致在前主体内的区域中，平衡浓度或平衡成分的沉积材料将实质上形成圆锥体，具体是凹圆锥体，或者半球体，或者截头圆锥体。

在“平衡浓度”的情况下，限定了两种沉积材料之间存在相同浓度的三维区域。在“平衡成分”的情况下，限定了沉积材料具有相同化学成分的三维区域。

这种引燃器的优点在于提高了引燃器的部件寿命，减少了热气向大气的泄漏并因此提高了安全性，以及增加了引燃器的可修复性。当沉积材料已经到达其使用寿命周期的最后时，可以机加工去除盘并且新材料可以被再次施加到引燃器的凹槽中或施加到引燃器的主体。当沉积材料不再能够良好地保护主要主体时引燃器的主要主体仍是可工作的。施加新材料允许重新使用引燃器主体，从而增加引燃器的使用寿命。此外，通过将材料沉积到引燃器面的凹槽内可以不再需要对引燃器主体进行刮除。

虽然本发明被描述为对引燃器的限定，不过也可以限定将材料沉积到引燃器主体从而获得所要求保护的引燃器的方法。

附图说明

在下面，将参考附图再次具体描述本发明，其中：

图1示出了通过引燃器的第一实施例的纵向截面，其中本发明的盘被沉积在引燃器前主体内，

图2示意性地示出了根据图1的从燃烧区域的方向观察的引燃器的视图，其中本发明的盘被沉积在引燃器前主体内，

图3示出了通过引燃器的第二实施例的纵向截面，其中本发明的盘被沉积在引燃器前主体内，

图4示出了通过引燃器的第三实施例的纵向截面，其中被沉积在引燃器前主体内的材料具有梯度变化。

具体实施方式

图1示意性示出了通过引燃器1的第一实施例的纵向截面，其具有在引燃器的前主体8内的沉积盘5，其结束于引燃器面2。盘5保护引燃器1以抵抗燃烧区域3内的热，其是抗高温主体。由于在发动机工作期间引燃器面2会承受过量热并且具有裂纹、氧化和向大气泄漏热空气的危险，所以盘5被沉积在引燃器面2内的实质上圆柱形凹槽4内。盘5包括抗高温金属，该金属分别比引燃器1和引燃器面2的材料更加抗高温。为了保持成本较低，引燃器1可以由奥氏体不锈钢制得，其在高温下呈现良好的抗胀缩能力并且可以用于850℃-1000℃范围内的连续高温工作。这是一种保持引燃器1的成本较低且提供一些抗高温能力的折中材料。仅盘5可以由抗高温材料制成，其可以用于1000℃-1500℃范围内，优选在1000℃-2000℃范围内的连续高温工作。

凹槽4的边缘10，即限定了引燃器1的第一材料和沉积材料9之间的连接的边缘10，在引燃器1的这个实施例中是圆形的，从而凹槽4的侧壁4a平行于引燃器1的纵轴线6延伸，即引燃器1的大部分的对称轴线，也被看作是引燃器1的中心轴线。凹槽4基本是圆柱形盲孔的形式。有利地是，通过热金属喷涂或冷金属喷涂将沉积材料9沉积到凹槽4内来构建盘5，该盘5是相比其半径具有小的高度的圆柱体。可以通过热金属喷涂或使用冷金属喷涂来沉积金属，其优点在于在引燃器面2内构建了压应力层，从而有助于抵抗引燃器的热应力。在引燃器面2的凹槽4内的抗高温材料盘的一个优点在于，其保护引燃器1以抵抗过量热且因而提高了引燃器1的耐久性。此外，引燃器面2的凹槽4内的盘5减少了热气向大气的泄漏并且提高了安全性。引燃器面2的特定实施例也增加了引燃器1的可修复性。一旦已经到达盘5的使用寿命的最后，则可以机加工去除沉积盘，即去除剩余的沉积材料，并且通过将材料沉积到凹槽4内可以再次施加另一个盘5。因此，不需要对引燃器1主体进行刮除。

图2示出了根据图1的从下方观察的引燃器1的实施例的示意图，其具有在引燃器面2内的本发明的盘5。换言之，图2示出了从燃烧区域3的方向观察的引燃器1。盘5被设置在引燃器面2的中心。可看见圆形边缘10，其被示作图中的最中心的圆。盘5被成形为圆形，不过也可以按任意其他形式成形。引燃器1具有一对孔洞7来例如将引燃器1固定到主要燃料供给入口。

图3示出了通过引燃器1的第二实施例的示意性纵向截面，其具有在引燃器面2内的不同形式的凹槽4。与图1所示引燃器1的唯一不同在于引燃器面2内的凹槽4的形式。与图1所示凹槽4不同，这个实施例的凹槽具有倾斜侧壁4a，从而凹槽4的横截面沿朝向燃气涡轮发动机的燃烧区域3的方向减小。在凹槽4内的实质上盘5形式的沉积材料9具有非常牢固的保持。

图4示出了通过引燃器1的第二实施例的示意性纵向截面，不过没有使用凹槽，而是通过沉积至少两种不同材料从而构造引燃器1的前主体8。可以存在如下区域，即其中仅较不抗热的第一材料被沉积在例如背离燃烧区域3的区域，即第一区域11内。可以存在如下区域，即其中只有改进抗热的第二材料被沉积在例如靠近引燃器面2的区域，即第二区域12内。根据本发明，第二区域12被看作是抗高温主体。除此之外，可以存在如下区域，即其中第一材料和第二材料均沉积在第三区域13，其中沉积材料9可以是两种材料的混合物。

根据图4的实施例，两种材料之间的浓度将根据径向和轴向沉积位置而逐渐变化。有利地，这将导致如图中虚线所示的材料的半球形或圆锥形分布。

在此实施例中，可以构建一个均质固体的前主体8。逐渐改变两种材料之间的浓度或成分允许精确地产生具有根据该区域所需的精确抗热“量”的区域。使用这种原理，可以容易地实现整个引燃器面2由非常抗热的材料构成而不需施加涂层。对于所有实施例，已经指出根据本发明沉积材料不是涂层操作。例如通过喷涂来施加金属粉末。沉积材料的有效宽度大于纯涂层的宽度。而且，可以使用不同材料，特别是不同于广泛用于涂层的MCrAlY的材料。

Claims (17)

1.一种燃气涡轮发动机的引燃器（1），包括前主体（8），该前主体具有沿所述引燃器（1）的中心轴线（6）的轴向扩展部，所述中心轴线（6）具有朝向所述燃气涡轮发动机的燃烧区域（3）的轴向方向，所述前主体（8）包括指向所述燃烧区域（3）的引燃器面（2），

其中，材料（9）沿轴向方向被逐渐沉积在所述前主体（8）内，从而沿所述前主体（6）的轴向方向形成抗高温主体并且形成所述引燃器面（2）的抗高温面，

其特征在于所沉积的材料（9）是抗高温金属或金属合金，其温度抗性能抵抗超过1000℃的温度。

2.根据权利要求1所述的引燃器（1），特征在于，所沉积的材料（9）的温度抗性能抵抗高达1500℃或更高的温度。

3.根据权利要求1所述的引燃器（1），特征在于

所述前主体（8）包括凹槽（4），所述材料（9）被沉积在该凹槽中以形成所述抗高温主体和所述抗高温面。

4.根据权利要求1所述的引燃器（1），特征在于

所沉积的材料（9）的成分沿垂直于所述中心轴线（6）的径向方向逐渐变化，使得更大浓度的抗热材料被沉积在所述中心轴线附近，并且/或者所沉积的材料（9）沿轴向方向逐渐变化，使得更大浓度的抗热材料被沉积在所述引燃器面（2）附近。

5.根据权利要求4所述的引燃器（1），特征在于所沉积的材料（9）的化学成分根据径向沉积位置和/或轴向沉积位置而逐渐变化。

6.根据权利要求4或5所述的引燃器（1），特征在于所述前主体（8）内所沉积的材料（9）具有平衡浓度或平衡成分的区域将实质上形成圆柱盘（5），或圆锥体，或半球体，或截头圆锥体。

7.根据权利要求6所述的引燃器（1），特征在于，所沉积的材料（9）将实质上形成凹圆锥体。

8.根据权利要求1-5中一项权利要求所述的引燃器（1），特征在于，凹槽（4）能够被形成为围绕所述中心轴线（6）实质上对称，所述凹槽（4）具有沿所述中心轴线（6）朝向所述燃烧区域（3）的方向的轴向方向以及开始于所述中心轴线（6）并处于与所述中心轴线（6）垂直的平面内的径向方向。

9.根据权利要求3所述的引燃器（1），特征在于所述凹槽（4）包括圆形边缘（10）。

10.根据权利要求3或9所述的引燃器（1），特征在于，所述凹槽（4）是实质上圆柱或圆锥形式或半球或截头圆锥形式的腔，以及/或者所沉积的材料（9）将实质上形成圆柱盘（5），或圆锥体，或半球体，或截头圆锥体。

11.根据权利要求10所述的引燃器（1），特征在于，所述凹槽（4）是实质上凹圆锥形式的腔，所沉积的材料（9）将实质上形成凹圆锥体。

12.根据权利要求1-5中一项权利要求所述的引燃器（1），特征在于所沉积的材料（9）是被激光沉积的。

13.根据权利要求1-5中一项权利要求所述的引燃器（1），特征在于所沉积的材料（9）通过热金属喷涂或冷金属喷涂的方式被沉积。

14.根据权利要求1-5中一项权利要求所述的引燃器（1），特征在于所沉积的材料（9）被沉积为多层材料。

15.根据权利要求14所述的引燃器（1），特征在于在所述多层所沉积的材料（9）的相邻两层之间，所沉积的材料（9）的化学成分不同。

16.一种包括根据权利要求1-5中一项权利要求所述的引燃器（1）的燃气涡轮发动机的燃烧室。

17.一种包括至少一个引燃器（1）的燃气涡轮发动机，所述引燃器（1）根据权利要求1-5中的一项权利要求来构造。