CN102741615A - 用于燃气涡轮衬套的碳化钨插件和方法 - Google Patents

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Abstract

一种系统和方法在燃气涡轮的燃烧系统中提供磨损减少。一种用于减少磨损的系统包括：至少一个基本H形块(202)，基本H形块(202)构造成将燃气涡轮燃烧器的过渡件(10)固定到支承件上；在金属基质中包括碳化钨的第一插件，金属基质选自包括钴和镍的组；以及钎焊材料，其用于在至少一个基本H形块(202)的内部磨损表面上的至少一个位置上将第一插件钎焊到至少一个基本H形块(202)上。

Description

用于燃气涡轮衬套的碳化钨插件和方法
技术领域
本文公开的实施例大体涉及磨损保护，并且更具体而言，涉及对燃气涡轮系统中的燃烧硬件添加插件。
背景
在燃气涡轮中使用燃烧器来将热的燃烧气体输送到涡轮的第一级。用于该系统中的各个燃烧器典型地包括具有一个或多个燃料喷嘴的燃料喷射系统和燃烧室。典型的燃烧室可包括燃烧衬套、连接到燃烧室和涡轮的第一级上且在它们之间延伸的过渡件，以及流动套管。在燃烧衬套和流动套管之间产生通道，通道允许压缩机排气的至少一部分被引入到燃烧衬套中，以与通过燃料喷嘴而喷射到系统中的燃料混合，以及用于冷却目的。另外，过渡件将热的燃烧气体引导和输送到涡轮的第一级，以进行功率发生和膨胀。
更具体而言，关于图1来描述燃烧器及其相关联的过渡件。用于在燃气涡轮中使用的燃烧器2具有燃烧室4，燃烧室4在燃烧衬套6的内部，燃烧衬套6在形状上可为圆柱形。燃料通过喷嘴(一个或多个)12而进入燃烧室4。燃烧衬套6被基本圆柱形的流动套管8包围。但是，在燃烧衬套6和圆柱形流动套管8之间存在径向间隙，该间隙用作用以将空气引入到燃烧室4中的空气流道，以使空气与通过燃料喷嘴12而输送的燃料混合。过渡件10使燃烧衬套6与涡轮的第一级(未显示)连接。更多关于用于在燃气涡轮中使用的燃烧器的信息可在名称为“Wear Reduction Kit for Gas Turbine Combustors(用于燃气涡轮燃烧器的磨损减少套件)”的美国专利No. 5749218中找到，该专利的整个背景通过引用而包括在本文中。
在运行期间，一些燃烧部件会受到例如硬件振动引起的磨损的影响。这个磨损会产生与停机时间和更换部件有关的维护和花费成本。用于减少燃气涡轮中的燃烧部件的磨损的一种方法是喷涂。例如，已经使用高速氧燃料(HVOF)涂覆来改进已被发现有磨损损伤的部件上的磨损特性。虽然改进了磨损特性，但是这些喷涂无法提供或成本有效地提供厚的涂层，而是典型地用于应用厚度为大约0.5 mm或更小的涂层。另外，以大约90o角来对期望的涂覆表面执行这些喷涂机制。对于涂覆而言合乎需要的一些部件几何结构(例如角和多种曲线)不允许实现所需倾斜(在涂覆喷嘴和部件表面之间)，这或者产生薄的涂层，或者可能完全不产生涂层。
因此，用于减少与燃气涡轮燃烧器相关联的部件的磨损和增加寿命以及降低成本的系统和方法是合乎需要的。
概述
根据示例性实施例，存在一种用于减少燃气涡轮的燃烧系统中的磨损的系统。该系统包括：至少一个基本H形块，基本H形块构造成将燃气涡轮燃烧器的过渡件固定到支承件上；在第一金属基质中包括第一碳化钨的第一插件，其中，第一金属基质选自包括钴和镍的组；以及在至少一个基本H形块和第一插件之间的第一钎焊材料。第一钎焊材料用于在至少一个基本H形块的内部磨损表面上的至少一个位置上将第一插件钎焊到至少一个基本H形块上，至少一个基本H形块的内表面包括第一表面，第一表面基本垂直于第二表面，第二表面基本垂直于第三表面，第三表面基本平行于第一表面，并且与第一表面具有基本相同的表面积。
根据另一个示例性实施例，存在一种用于减少燃气涡轮的燃烧系统中的磨损的方法。该方法包括：提供在金属基质中包括碳化钨的插件，其中，金属基质选自包括钴和镍的组；用插件覆盖至少一个基本H形块的至少一个已知的磨损区域；以及将插件钎焊到基本H形块上。至少一个基本H形块的至少一个已知的磨损区域位于至少一个基本H形块的内表面上，该内表面包括第一表面，第一表面基本垂直于第二表面，第二表面基本垂直于第三表面，第三表面基本平行于第一表面，并且与第一表面具有基本相同的表面积。
根据另一个示例性实施例，存在一种耐磨的固体材料。该固体材料包括：衬底；包括或者具有碳化钨的钴基质或者具有碳化钨的镍基质的插件，碳化钨构成插件的10重量%到20重量%之间；以及在衬底和插件之间的钎焊材料，钎焊构造成将插件附连到衬底上。
根据又一个示例性实施例，存在一种用于减少燃气涡轮的燃烧系统中的磨损的系统。该系统包括至少一个基本H形块，基本H形块构造成将燃气涡轮燃烧器的过渡件固定到支承件上；以及构造成覆盖H形块的内表面上的磨损区域的插件。插件在金属基质中包括碳化钨和钎焊材料，金属基质选自包括钴和镍的组。至少一个基本H形块的内表面包括第一表面，第一表面基本垂直于第二表面，第二表面基本垂直于第三表面，第三表面基本平行于第一表面，并且与第一表面具有基本相同的表面积。
附图简述
附图示出了示例性实施例，其中：
图1  描绘了传统的燃烧器和过渡件；
图2  示出了根据示例性实施例的、附连到凸缘上的H形块；
图3  显示了根据示例性实施例的支承件和指状物；
图4  示出了根据示例性实施例的燃烧器衬套和燃烧器衬套止挡；
图5  显示了根据示例性实施例的燃烧器衬套止挡及其配合件；
图6  显示了根据示例性实施例的、具有插件的H形块；
图7  示出了根据示例性实施例的、具有插件的燃烧器衬套止挡；
图8  显示了根据示例性实施例的、具有覆盖磨损区域的带状物质的H形块；以及
图9  是示出了根据示例性实施例的、用于减少磨损的方法的流程图。
详细描述
示例性实施例的以下详细描述参照了附图。不同的图中的相同的参考标号标识相同的或类似的元件。另外，不必按比例制图。而且，以下详细描述不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求限定。
整个说明书对“一个实施例”或“实施例”的参照表示与实施例结合起来描述的特定的特征、结构或特性包括在公开的主题的至少一个实施例中。因而，在整个说明书的多种地方出现短语“在一个实施例中”或“在实施例中”未必指同一实施例。另外，特定的特征、结构或特性可按任何适当的方式结合在一个或多个实施例中。
如之前描述的那样，当燃气涡轮在使用中时，燃烧器的多种部件随着时间的过去可经历例如振动所导致的磨损。磨损位置的示例包括(但不限于)与构件燃烧衬套6和过渡件10相关联的、用于附连这两个构件的多种连接器、连接点和止挡(参见图1)，以及在燃烧衬套6和流动套管8之间的配合点。更具体而言，止挡可用来定位、固定和确保在燃烧衬套6的一端处在燃烧衬套6和流动套管8之间的期望的径向间隔。在燃烧衬套6的另一端处使用连接到指状物上的H形块来连接燃烧衬套6与过渡件10。H形块在本文中也称为“基本H形块”和“H形块”。另外，用于连接这些部件的方法和系统在本领域中大体是已知的，参见例如美国专利No. 5749218(其整个背景通过引用而结合在本文中)，而且因而仅描述连接点的概览来提供本文描述的示例性实施例的背景。
根据示例性实施例，可改良这些接触点的磨损特性，以使得它们的使用寿命延长。在论述这些示例性实施例之前，将描述图2-5，以提供关于在燃气涡轮燃烧系统中易于磨损的构件的背景。起初，如图2中看到的那样，过渡件10可具有带凸缘区段208，区段208具有开口210。在开口210内且附连到带凸缘区段208上的是H形块202。H形块202可以多种方式(诸如焊接)附连到带凸缘区段208上。虽然图2显示了仅单个H形块202和单个带凸缘区段208，但是可存在附连到过渡件10上的这些零件/区段中的两个。指状物204和206可滑动地接收在H形块202内，使得指状物元件的相对的表面可接合H形块202的交叉件212的相反的侧部。如图3中显示的那样，指状物204和206附连到结构部件214上，结构部件214附连到外壳(未显示)上，外壳保持燃烧器衬套6。在指状物204和206可摩擦或振动处、在H形块202的内表面上可发生磨损。在指状物204和206的、接触H形块的内表面的相向表面上也可发生磨损。
图4显示了具有附连的燃烧器衬套止挡402的燃烧器衬套6。许多燃烧器衬套止挡402可附连到燃烧器衬套6上，以如期望的那样定位燃烧器衬套。图5显示了燃烧器衬套止挡402和外凸式配合件404。外凸式配合件附连到流动套管8的内部。在这两个零件配合处也是其中在燃烧器2的运行期间可发生磨损的位置。另外，H形块202、燃烧器衬套止挡402和它们的相应的配合件可由钴基超合金制成，例如，L-605或Hynes 25。
当在运行中时，燃烧器2中的多种磨损构件中的一些可具有较短的寿命，这会导致高于期望频率的检查和更换。根据示例性实施例，在金属基质(例如钴或镍)中应用碳化钨可提高多种磨损构件的耐磨性，从而降低检查和更换燃气涡轮燃烧器2中的多种磨损构件的频率。
金属基质中的碳化钨形成为期望的形状，以通过例如产生硬度高的磨损表面来增加部件的可用寿命。例如，或者钴或者镍中的合适的量的碳化钨仍然允许部件在燃烧器的高温下运行时具有期望的强度和其它材料属性。可通过烧结工艺来形成金属基质中的碳化钨，其在本文中也称为“碳化钨插件”或“插件”。碳化钨插件开始为嵌在金属基质中的碳化钨粉末。将粉末置于模具中，以使插件如期望的那样成形。对粉末施加压力，例如1000巴，并且然后，在模具中的时候，加压粉末在炉中在大约1200oC下经历烧结。在烧结之后，插件可通过多种工艺(例如，针对形状、大小和表面抛光进行研磨)进一步改良，以实现期望的形状(如果需要的话)。然后可通过对碳化钨插件和部件使用合适的钎焊材料(例如，熔点低的钎焊合金，诸如银质钎焊粉末)，通过钎焊工艺来将插件附连到部件上的期望位置(例如磨损表面)上。根据其它示例性实施例，插件可以机械的方式连结到基部件上，例如，插件可栓接到部件上。
根据另一个示例性实施例，可通过在金属基质中使用碳化钨来制作经历磨损的整个零件。在这种情况下，对针对部件而成形(其与针对插件而成形相反)的模具填充处于钴或镍基质中的碳化钨粉末，并且使其经历烧结工艺。然后，如果需要的话，在被置于燃烧器系统中之前，可对部件进行处理，以符合期望的部件形状。所形成的部件可包括(但不限于)H形块202、燃烧衬套止挡402、外凸式配合件404和指状物202和204中的任一个。
根据示例性实施例，金属基质中的碳化钨的范围可在大约10重量%至20重量%之间。关于待用于金属基质中的碳化钨的量的考量包括(但不限于)脆性、展延性和硬度。另外，在另一个示例性实施例中，金属基质中的碳化钨的量为大约12重量%。
根据上面描述的示例性实施例，可使用模具来使插件成形，或者可使用多个模具来使多个可能不同的插件成形。如期望的那样，这些插件可为单个零件或多个零件的组合。另外，与在传统上已经使用的喷涂的厚度(例如，小于1 mm但典型地小于0.5 mm)相比，烧结在金属基质中的碳化钨允许产生较厚的插件，例如，1 mm或更厚。根据另一个示例性实施例，插件的厚度在2 mm 至4 mm的范围中。而且，可产生多种形状和几何结构的插件，以覆盖厚度均匀的插件中的表面，例如，H形块202的内部角。H形块202常常为大约5.08 cm长和大约2.54 cm宽的大小。
根据示例性实施例，如图6中显示的那样，插件可附连在H形块202的已知磨损区域上。与H形块202相关联的磨损表面是H形块202和插件(一个或多个)602之间的界面604。这个磨损是由H形块202和指状物204、206(在图2和3中显示)之间的接触和移动导致的。各个插件602可作为或者单个大致U形零件或者例如作为三个单独的零件(每个表面一个)来布置。磨损表面是H形块202的内表面，并且可被描述成第一表面606, 第一表面606基本垂直于第二表面608，第二表面608基本垂直于第三表面610，第三表面610基本平行于第一表面606，并且与第一表面606具有基本相同的表面积。类似的插件可置于指状物204和206的磨损表面上。
根据另一个示例性实施例，如图7中显示的那样，插件可附连在燃烧器衬套止挡402的已知的磨损区域上。各个插件702可作为或者单个基本U形零件或者例如作为三个单独的零件(每个表面一个)来布置。磨损表面是衬套止挡402的内表面，并且可被描述成第一表面704，第一表面704基本垂直于第二表面706，第二表面706基本垂直于第三表面708，第三表面708基本平行于第一表面704，并且与第一表面704具有基本相同的表面积。类似的插件可附连到外凸式配合件404的配合磨损表面上。
本文描述的示例性实施例可对燃烧部件提供提高的耐磨性，而没有与喷涂工艺相关联的几何结构限制。使用烧结碳化物，插件可在多种配合表面上具有大于1500 HV(维氏角锥硬度值)的硬度，这会降低磨损现象所引起的材料损耗。关于插件的多种材料属性，硬度主要由碳化物的存在而被驱动，而插件的氧化保护和附着性由金属基质提供。可改变基质的化学组分来改良插件的延展性。根据示例性实施例，插件的硬度值可在1000维氏硬度到1800维氏硬度的范围中，或者在一些情况下甚至更高。断裂韧度或延展性的范围可为KIC 5至KIC 30。根据另一个示例性实施例，硬度可为大约1250维氏硬度，而KIC 为大约20。
使用熔点低的钎焊合金710(例如，银质钎焊粉末)允许钎焊合金710穿透到插件结构中，这在钎焊合金710在基体材料402中扩散时会在基体材料402和插件702之间产生有最小(或没有)孔隙度和良好的粘附性的冶金连结。另外，根据示例性实施例，这些插件可应用于燃气涡轮或其它装置中的其它平的或弯曲的表面上，只要插件和待保护的部件的基体材料之间的热膨胀系数失配在可接受的设计极限内，例如，所实现的粘附性越高，就可允许有越高的失配。例如，基体金属的热膨胀系数(CTE)为大约14℃-1，而碳化钨的CTE为大约6℃-1，但是，热循环试验已经显示，粘附性在400℃至500℃下得到保持，根据示例性实施例，这是可接受的。
根据示例性实施例，在一个应用中，可用对应的不同的钎焊材料来将不同组分的插件应用于同一部件，例如H形块。在另一个应用中，第一插件材料和第一钎焊材料可用于H形块上，并且不同于第一插件材料的第二插件材料和不同于第一钎焊材料的第二钎焊材料可用于燃烧器衬套止挡上。
根据另一个示例性实施例，可利用混合到碳化钨粉末中的钎焊粉末来形成插件。然后这个组合粉末暴露于压力，以用压紧的方式产生带状物质，即，组合粉末是柔性的，但又具有足够的完整性，以在应用于磨损表面时粘在一起。然后将这个带状物质应用于期望的磨损表面，并且对带状物质进行热处理。在热处理期间，组合粉末中的钎焊粉末扩散到基体金属中，以使带状物质熔合到基体金属。同时，碳化钨粉末烧结。因而，根据这个示例性实施例，同时执行钎焊的步骤和烧结步骤。在图8中显示覆盖H形块202的磨损区段804的带状物质802的示例。根据备选示例性实施例，可以低的浓度对混合的钎焊粉末和碳化钨粉末添加聚合物，以提高带状物质的柔性。另外，浓度低的聚合物中的易挥发的有机化合物大体在热处理工艺期间烧尽。
利用上面描述的根据示例性实施例的示例性系统，在图9的流程图中显示了用于减少磨损的方法。一种用于减少燃气涡轮的燃烧系统中的磨损的方法包括：步骤902，提供在金属基质中包括碳化钨的插件，其中金属基质选自包括钴和镍的组；步骤904，用插件覆盖至少一个基本H形块的至少一个已知的磨损区域，其中，至少一个基本H形块的至少一个已知的磨损区域位于至少一个基本H形块的内表面上，内表面包括第一表面，第一表面基本垂直于第二表面，第二表面基本垂直于第三表面，第三表面基本平行于第一表面，并且与第一表面具有基本相同的表面积；以及步骤906，将插件钎焊到基本H形块上。
虽然已经在上面描述的一些示例性实施例中描述了使用碳化钨来改进与燃气涡轮的部件相关联的磨损性能，但是由于其属性的原因，金属基质(例如，钴或镍)中的碳化钨可用于其它应用中。例如，使用金属基质中的碳化钨，可在烧结工艺期间如期望的那样产生多种形状、大小和厚度的零件，以潜在地用于对于可受益于金属基质中的碳化钨的属性的其它高温应用中。
上面描述的示例性实施例无论如何意图为说明性的，而非意图限制本发明。因而本发明能够在详细实现中有许多变型，本领域技术人员可从包含在本文中的描述中得出这些变型。所有这样的变型和改良均认为是在所附权利要求限定的本发明的范围和精神内。用于本申请的描述中的元件、动作或指令不应理解为对本发明是关键或必不可少的，除非明确地描述了这种情况。而且，如本文所用，冠词“一个”意图包括一个或多个项目。
本书面描述使用公开的主题的示例来使本领域任何技术人员能够实践公开的主题，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本主题的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。这样的其它示例意图处于权利要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于减少燃气涡轮的燃烧系统中的磨损的系统，所述系统包括：
构造成将燃气涡轮燃烧器的过渡件固定到支承件上的至少一个基本H形块；
第一插件，其在第一金属基质中包括第一碳化钨，其中，所述第一金属基质选自包括钴和镍的组；以及
在所述至少一个基本H形块和所述第一插件之间的第一钎焊材料，所述第一钎焊材料构造成在所述至少一个基本H形块的内部磨损表面上的至少一个位置上将所述第一插件钎焊到所述至少一个基本H形块上，
其中，所述至少一个基本H形块的所述内表面包括第一表面，所述第一表面基本垂直于第二表面，所述第二表面基本垂直于第三表面，所述第三表面基本平行于所述第一表面，并且与所述第一表面具有基本相同的表面积。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括：
构造成附连到所述燃气涡轮的燃烧器衬套上的至少一个燃烧器衬套止挡；
第二插件，其在第二金属基质中包括第二碳化钨，其中，所述第二金属基质选自包括钴和镍的组；以及
在所述至少一个燃烧器衬套止挡和所述第二插件之间的第二钎焊材料，所述第二钎焊材料构造成在所述至少一个燃烧器衬套止挡的基本U形磨损表面上的至少一个位置上将所述第二插件钎焊到所述至少一个燃烧器衬套止挡上。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一金属基质或所述第二金属基质或两者中的所述第一碳化钨或所述第二碳化钨或两者的组分在10重量%至20重量%的范围中。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，所述第一插件具有大于或等于1.0 mm的厚度。
5.一种用于减少燃气涡轮的燃烧系统中的磨损的方法，所述方法包括：
提供在金属基质中包括碳化钨的插件，其中，所述金属基质选自包括钴和镍的组；
用所述插件覆盖至少一个基本H形块的至少一个已知的磨损区域，其中，所述至少一个基本H形块的所述至少一个已知的磨损区域位于所述至少一个基本H形块的内表面上，并且包括第一表面，所述第一表面基本垂直于第二表面，所述第二表面基本垂直于第三表面，所述第三表面基本平行于所述第一表面，并且与所述第一表面具有基本相同的表面积；以及
将所述插件钎焊到所述基本H形块上。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述金属基质中的所述碳化钨的组分在10重量%至20重量%的范围中。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
用所述插件覆盖燃烧器衬套止挡的至少一个已知的磨损区域；以及
将所述插件钎焊到所述燃烧器衬套止挡上。
8.根据权利要求5至7中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
通过在模具中的烧结工艺将所述金属基质中的所述碳化钨形成到所述插件中。
9.一种耐磨的固体材料，所述固体材料包括：
衬底；
包括或者具有碳化钨的钴基质或者具有碳化钨的镍基质的插件，其中，所述碳化钨构成所述插件的10重量%到20重量%之间；以及
钎焊材料，其在所述衬底和所述插件之间，并且构造成将所述插件附连到所述衬底上。
10.一种用于减少燃气涡轮的燃烧系统中的磨损的系统，所述系统包括：
构造成将燃气涡轮燃烧器的过渡件固定到支承件上的至少一个基本H形块；以及
构造成覆盖所述至少一个基本H形块的内表面上的磨损区域的插件，所述插件在金属基质中包括碳化钨和钎焊材料的混合物，其中，所述金属基质选自包括钴和镍的组，
其中，所述至少一个基本H形块的所述内表面包括第一表面，所述第一表面基本垂直于第二表面，所述第二表面基本垂直于第三表面，所述第三表面基本平行于所述第一表面，并且与所述第一表面具有基本相同的表面积。
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