CN109869233B - 用于涡轮发动机的高温制品 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种高温制品，例如用于燃烧器的点火器。所述点火器包括具有放电端的中心电极、围绕所述中心电极的绝缘体套管以及围绕所述绝缘体套管的管状电极壳。所述管状电极壳具有前端，该前端突伸至超出所述放电端。所述管状电极壳包括铁基合金。所述点火器进一步包括设置在所述前端的表面上的保护涂层，所述保护涂层包括氧化铝。本公开还提供一种包括所述点火器的涡轮发动机燃烧器。

Description

用于涡轮发动机的高温制品
技术领域
本公开的实施例大体上涉及用于涡轮发动机的制品。更确切地说，本公开的实施例涉及高温制品，例如用于所述涡轮发动机的燃烧器中的点火器。
背景技术
人们不断试图提高涡轮发动机的工作温度，以提高它们的效率。但是随着工作温度的升高，发动机部件的耐高温性必须相应地提高。现已实现通过制备高温合金例如镍基、铁基和钴基超合金来显著改善高温性能。此外，由超合金形成的部件必须配备某种形式的热保护层和/或环境保护层，以便在涡轮发动机的某些部分例如涡轮和燃烧器中呈现足够的使用寿命。常规解决方案可以是对所述部件进行隔热，以使其工作温度降至最低。出于此目的，可以在高温部件的裸露表面上形成耐氧化涂层和热障涂层(TBC)。
例如，点火器例如火花点火装置或火花塞通常在涡轮发动机中用于在含有可燃混合物(例如，燃料空气混合物)的燃烧器中为燃烧过程进行点火。点火是通过产生跨点火器的带相反电荷电极之间的间隙的火花来完成。如此产生的火花可以足以点燃燃烧器中存在的可燃混合物。初始点火之后，点火器还可以重复产生火花，这主要是作为安全措施。此外，当飞行器进入雨前暴风或可能干扰燃烧器中的稳态条件的其他情况下时，可以启动点火器。
通常，用在燃烧器中的这些点火器使用高温超合金，例如镍基合金(如上所讨论)作为电极材料。但是，点火器，特别是点火器尖端持续暴露于腐蚀性环境可能导致点火器尖端发生不期望的腐蚀和侵蚀，并且降低点火器和相关发动机的性能。此外，点火器中由于腐蚀性环境所引起的腐蚀和侵蚀可能在较高工作温度下进一步恶化，因为高温合金的耐氧化性随工作温度的升高而降低。
仍然需要使用替代材料来对制品，特别是长时间承受涡轮发动机的高温和腐蚀环境的点火器进行改进。
发明内容
在一个方面中，本说明书中提供一种制品。所述制品包括基体以及设置在所述基体的表面上的保护涂层，其中所述基体包括铁基合金。所述保护涂层包括氧化铝并且与所述基体的所述表面接触。
一个方面提供点火器。所述点火器包括中心电极、围绕所述中心电极的绝缘体套管以及围绕所述绝缘体套管的管状电极壳。所述管状电极壳具有突出超出所述放电端的前端。所述管状电极壳包括铁基合金。所述点火器进一步包括设置在所述前端的表面上的保护涂层，所述保护涂层包括氧化铝。另一方面涉及一种包括所述点火器的涡轮发动机燃烧器。
技术方案1.一种制品，包括：
基体，所述基体包括铁基合金；以及
设置在所述基体的表面上的保护涂层，其中所述保护涂层包括氧化铝，并且其中所述保护涂层与所述基体的所述表面接触。
技术方案2.根据技术方案1所述的制品，其中所述铁基合金包括铬、铝或其组合。
技术方案3.根据技术方案2所述的制品，其中所述铁基合金包括：
含量为约15％重量百分比到约27％重量百分比的铬，以及
含量为约4％重量百分比到约10％重量百分比的铝。
技术方案4.一种点火器，包括：
具有放电端的中心电极；
围绕所述中心电极的绝缘体套管；
管状电极壳，所述管状电极壳围绕所述绝缘体套管并且具有前端，该前端突伸超出所述放电端，其中所述管状电极壳包括铁基合金；以及
设置在所述前端的表面上的保护涂层，所述保护涂层包括氧化铝。
技术方案5.根据技术方案4所述的点火器，其中所述铁基合金包括铬、铝或其组合。
技术方案6.根据技术方案5所述的点火器，其中所述铁基合金包括：
含量为约15％重量百分比到约27％重量百分比的铬，以及
含量为约4％重量百分比到约10％重量百分比的铝。
技术方案7.根据技术方案4所述的点火器，其中所述保护涂层与所述前端的所述表面接触。
技术方案8.根据技术方案4所述的点火器，其中所述前端突伸超出所述放电端小于10毫米。
技术方案9.根据技术方案4所述的点火器，其中所述前端进一步包括铱。
技术方案10.根据技术方案4所述的点火器，其中所述中心电极包括镍基合金、铁基合金、钴基合金或其组合。
技术方案11.根据技术方案4所述的点火器，进一步包括设置在所述管状电极壳的外表面上的耐磨涂层。
技术方案12.根据技术方案11所述的点火器，其中所述耐磨涂层包括氧化铝、碳化铬或其组合。
技术方案13.根据技术方案4所述的点火器，其中所述绝缘体套管包括电绝缘材料，所述电绝缘材料选自氧化铝、氧化铍、氮化硅或其组合。
技术方案14.一种包括技术方案4所述的点火器的涡轮发动机燃烧器。
参照以下详细描述可以更容易地理解本公开的这些和其他特征、实施例和优势。
附图说明
参照附图阅读以下具体实施方式将更好地理解本公开的这些和其他特征、方面及优势，其中附图中的相似字符表示相似部分，其中：
图1是根据本公开一个实施例的燃烧器的简化示意图；
图2是根据本公开一个实施例的点火器的示意图；
图3是根据本公开一个实施例的点火器的点火器尖端的简化截面图；以及
图4是根据本公开另一个实施例的点火器的点火器尖端的简化截面图。
具体实施方式
本公开包括高温制品，即用于涡轮发动机的高温环境中的制品的实施例。一些实施例提供一种用在涡轮发动机燃烧器中的改进的点火器。本说明书中所述的点火器在涡轮发动机燃烧器的高温环境中具有改进的稳定性。
在以下说明和权利要求书中，除非上下文以其他方式明确说明，否则单数形式“一个”、“一种”和“该”包括对象的复数形式。本说明书全文和权利要求书各处所用的近似语言可以适用于以能够在允许范围内改变但不更改相关对象的基本功能的方式修饰任何数量表示。因此，被一个或多个术语，例如“约”和“大体上”修饰的值并不限于所指出的精确值。在一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。
本说明书中所用的术语“高温”是指涡轮发动机的工作温度。在一些实施例中，涡轮发动机的工作温度高于1000摄氏度。在一些实施例中，所述工作温度在约1200摄氏度到2000摄氏度的范围内。本说明书中所用的术语“高温环境”是指涡轮发动机中的燃烧器的高温和腐蚀性环境。
本公开的一些实施例涉及一种制品，包括基体以及设置在所述基体的表面上的保护涂层，其中所述基体包括铁基合金，并且所述保护涂层包括氧化铝，其中所述保护涂层与所述基体的所述表面接触。在一些实施例中，所述保护涂层不含粘合涂层。在一些实施例中，所述保护涂层是氧化铝涂层。在一些实施例中，所述基体由铁基合金构成，并且氧化铝涂层设置成与所述基体的所述表面接触。
本说明书中所用的术语“超合金”适用于具有杰出高温强度和耐氧化性的合金。术语“合金”和“超合金”在本说明书中可互换使用。
本说明书中所用的术语“保护涂层”是指提供免于遭受高温环境损害的保护的涂层系统，即用作防止由例如高温水性环境例如蒸汽、各种腐蚀剂引起的环境和热侵蚀的屏障，即提供耐腐蚀性等。在一些实施例中，所述保护涂层包括热障涂层。
本说明书中所用的术语“粘合涂层”是指促进或改善上覆的热障涂层或环境障涂层(environmental barrier coating)与例如含有超合金的下层金属衬底之间的粘附性的任何粘合涂层。
在一些实施例中，提供一种用于涡轮发动机燃烧器的点火器。所述点火器可以用于在所述涡轮发动机燃烧器中产生火花。所述点火器包括具有放电端的中心电极、围绕所述中心电极的绝缘体套管以及围绕所述绝缘体套管的管状电极壳。也就是说，所述绝缘体套管设置在所述中心电极与所述管状电极壳之间。所述管状电极壳具有突伸至超出所述中心电极的所述放电端的前端。所述管状电极壳包括铁基合金。在一些实施例中，所述铁基合金包括铬、铝或其组合。所述点火器进一步包括设置在所述前端的表面上的保护涂层，所述保护涂层包括氧化铝。在一些实施例中，所述保护涂层与所述前端的所述表面接触。在某些实施例中，所述保护涂层是氧化铝涂层。
图1示出根据本公开一些实施例的例如可以包括在涡轮发动机中的燃烧器10的简化截面图。如图所示，所述燃烧器10可以包括燃烧室12，所述燃烧室由设置在壳体16内的燃烧器衬里14形成。如图所示，一个或多个喷嘴18径向布置以将燃料提供到燃烧室12中。燃烧室12通过过渡件24连接到涡轮入口26。具有导流孔(flow hole)29的冲击套管28可以围绕过渡件24，以限定位于所述冲击套管28与过渡件24之间的环形通道25。压缩的工作流体可以通过所述冲击套管28的导流孔29以流动通过环形通道25，从而向过渡件24和燃烧器衬里14提供对流冷却。如图1所示，燃烧器10可以进一步包括用于点燃燃烧室12内的燃料空气混合物的点火器30。所述点火器30定位成径向朝外，其中点火器尖端32通过设置在壳体16中的孔(bore)15和燃烧器衬里14突伸到燃烧室12中，以将火花投射到燃烧室12中。点火器30与壳体16之间可以设有密封件(图1中未示出)，以防止从中发生任何泄漏。
图2是点火器30的透视图。所述点火器30可以具有细长的、大体圆柱形的主体，所述主体具有不同直径的多个部分。如图所示，所述点火器30具有主体部分36和点火部分34，所述点火部分从主体部分36延伸并且包括点火器尖端32。所述点火部分34与主体部分36同轴并且具有比主体部分36小的直径。
图3示出点火部分34的截面图。所述点火部分34包括中心电极40、围绕所述中心电极40的绝缘体套管50以及围绕所述绝缘体套管50的管状电极壳60。也就是说，所述绝缘体套管50设置在所述中心电极40与所述管状电极壳60之间。所述中心电极40可以为棒状。所述中心电极40沿点火器30的轴线31延伸并且具有放电端42。所述绝缘体套管50以同心方式围绕中心电极40，并且管状电极壳60以同心方式围绕所述绝缘体套管50。
参照图2和图3，所述管状电极壳60和绝缘体套管50沿轴线31延伸超出点火部分34到达主体部分36中在所述主体部分36中具有更大直径处。所述中心电极40可以不延伸超出点火器30的点火部分34。与所述中心电极40的放电端42相对的一端44可以以串联方式连接到在点火器30的主体部分36中延伸的支撑杆/销46。
如图3所示，所述管状电极壳60具有前端62。所述前端62突伸超出中心电极40的放电端42。所述前端62和放电端42限定间隙55。所述前端62可以伸至超出放电端42小于10毫米的距离。在一些实施例中，所述距离可以最高达8毫米。在一些实施例中，所述距离可以在从约1毫米到约7毫米的范围内。所述管状电极壳60的前端62具有外周部分64，所述外周部分具有增大的壁厚。前端62的增大的壁厚可以覆盖绝缘体套管50的端部52。在一些实施例中，所述外周部分64的壁厚大于管状电极壳60的其余部分的壁厚的两倍。所述管状电极壳60可以具有在约1毫米到约5毫米范围内的壁厚，具体取决于具体应用。在一些实施例中，所述管状电极壳60的壁厚在约3毫米到约3.5毫米的范围内。在这些实施例中，前端62的外周部分64可以具有在约3毫米到约8毫米范围内的壁厚。
再次参照图2和图3，管状电极壳60可以电接地，并且中心电极40可以连接到能量源(图中未示出)，使得可以在点火器30的操作期间传送电荷以产生跨所述间隙55的火花。
所述点火器30的点火部分34的部件，即中心电极40、管状电极壳60和绝缘体套管50包括能够承受燃烧室12(图1)的热负荷的材料。所述中心电极40和管状电极壳60这两者均可以由导电材料构成。所述绝缘体套管50可以包括电绝缘材料，所述电绝缘材料设置用于使中心电极40与管状电极壳60电绝缘。适当的电绝缘材料包括但不限于氧化铝、氧化铍、氮化硅或其组合。在一些其他实施例中，所述绝缘体套管50可以包括半导体材料，例如碳化硅。
所述导电材料可以包括能够承受高温的金属或者金属的合金，所述金属或者金属的合金选自：镍、铁、钴、钛、金、铂、铱、铑、钯及其组合。其他合金元素可以包括铬、锰、铜、铝、锆、钨以及稀土元素，包括钇、铪、镧或铈。导电材料的适当示例包括但不限于高温合金，例如镍基合金、钴基合金、铁基合金或其组合。这些合金还可以包括超合金。
在一些实施例中，所述管状电极壳60包括铁基合金。所述铁基合金可以是超合金。除了铁之外，所述铁基合金可以进一步包括铬、铝或其组合。在某些实施例中，所述管状电极壳60由包括铬和铝的铁基合金构成。在一些实施例中，铁基合金中每种组分的按重量计含量如下：约15％到约27％的铬、约4％到约10％的铝，其余大体上为铁。在一些实施例中，所述铁基合金包括约18％重量百分比到约24％重量百分比的铬、约4％重量百分比到约6％重量百分比的铝以及约65％重量百分比到约75％重量百分比的铁。所述合金的适当示例是可购自山特维克(Sandvik)公司的Kanthal APMTM。其他示例包括但不限于
Figure BDA0001891270150000081
14(可购自山特维克(Sandvik)公司)。
在一些实施例中，所述中心电极40包括镍、铁、铱或钌的金属或金属合金。在一些实施例中，所述中心电极40由铱或钌构成。在一些实施例中，所述中心电极40由镍基超合金构成。示例包括因科镍合金(
Figure BDA0001891270150000082
合金)和哈斯特合金(
Figure BDA0001891270150000083
合金)。在某些实施例中，所述中心电极壳40由铁基合金构成(如上所述)。其他示例包括但不限于Kanthal APMTM和
Figure BDA0001891270150000084
14(可购自山特维克(Sandvik)公司)。出于经济目的，所述支撑杆/销46可以由与中心电极40不同的导电材料构成。在一些实施例中，所述支撑杆/销46包括金属或金属合金。示例包括镍基合金，例如科伐镍基合金
Figure BDA0001891270150000085
在一些实施例中，所述中心电极40和管状电极壳60这两者均可以由Kanthal APMTM构成。
在一些实施例中，如图3所示，保护涂层68设置在点火器30的前端62的外周部分64的外表面66(暴露于图1所示燃烧室12的高温环境下)上。在一些实施例中，所述保护涂层68包括热障涂层。在一些实施例中，所述保护涂层68不含粘合涂层。在某些实施例中，所述保护涂层68包括氧化铝。在某些实施例中，所述保护涂层68与所述外周部分64的所述外表面66接触。也就是说，包括氧化铝的保护涂层68直接设置在外表面66上。在某些实施例中，所述保护涂层68是氧化铝涂层。
通常，用在涡轮发动机的高温环境中的制品由高温合金构成，并且在所述制品的外表面上涂覆有保护涂层。所述保护涂层通常包括通常涂覆在粘合涂层之上的热障涂层，例如钇稳定氧化锆(yttria stabilized zirconia，YSZ)涂层。也就是说，首先将粘合涂层涂覆在所述制品的外表面上，然后将YSZ涂层设置在所述粘合涂层上。所述粘合涂层有助于热障涂层与基底合金粘附在一起。
但是本公开提供一种能够在不使用粘合涂层的情况下涂覆到由铁基合金构成的制品上的保护涂层。在不受任何理论约束的前提下，可以认为在包括含铝铁基合金(例如，Kanthal APMTM)的制品表面上使用氧化铝(作为保护涂层)与天然形成于此表面上的氧化铝是相容的。本公开的发明人已经注意到，氧化铝保护涂层可以在不使用粘合涂层的情况下涂覆在制品的表面上，例如由Kanthal APMTM合金构成的点火器的尖端部分上，并且所述制品在燃烧器的高温环境下呈现更高的稳定性。
在一些实施例中，不直接暴露于燃烧器10的高温环境下的管状电极壳60的外表面61涂覆有耐磨涂层70，如图4所示。所述耐磨涂层70可以包括与管状电极壳60的铁基合金相容的耐磨材料。在一些实施例中，所述耐磨材料包括氧化铝、碳化铬或其组合。
在一些实施例中，点火器尖端32进一步包括铱。铱可以以粉末、薄片、小珠、金属丝等形式嵌入前端62中。与具有不含铱的前端的点火器相比，将铱用在前端处可以有助于通过降低产生火花期间的侵蚀速率来延长点火器的寿命。
尽管本说明书中仅图示和描述本公开的某些特征，但所属领域中的技术人员将得出许多修改和改变。因此，应理解，随附权利要求书意图涵盖在本发明真实精神范围内的所有修改和改变。

Claims (10)

1.一种点火器，包括：
具有放电端的中心电极；
围绕所述中心电极的绝缘体套管；
管状电极壳，所述管状电极壳围绕所述绝缘体套管并且具有终止于前端的外周侧，所述前端突伸超出所述放电端以在所述放电端和所述前端之间形成火花隙，其中所述管状电极壳包括铁基合金；以及
设置在所述管状电极壳的所述前端的外表面上的保护涂层，所述保护涂层包括氧化铝；以及
耐磨涂层，所述耐磨涂层设置在所述管状电极壳的所述外周侧的外表面上。
2.根据权利要求1所述的点火器，其中所述铁基合金包括铬、铝或其组合。
3.根据权利要求2所述的点火器，其中所述铁基合金包括：
含量为约15％重量百分比到约27％重量百分比的铬，以及
含量为约4％重量百分比到约10％重量百分比的铝。
4.根据权利要求1所述的点火器，其中所述保护涂层与所述前端的所述表面接触。
5.根据权利要求1所述的点火器，其中所述前端突伸超出所述放电端小于10毫米。
6.根据权利要求1所述的点火器，其中所述前端进一步包括铱。
7.根据权利要求1所述的点火器，其中所述中心电极包括镍基合金、铁基合金、钴基合金或其组合。
8.根据权利要求1所述的点火器，其中所述耐磨涂层包括氧化铝、碳化铬或其组合。
9.根据权利要求1所述的点火器，其中所述绝缘体套管包括电绝缘材料，所述电绝缘材料选自氧化铝、氧化铍、氮化硅或其组合。
10.一种包括权利要求1所述的点火器的涡轮发动机燃烧器。
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