CN1782119B - 给设备内部的构件上涂层的方法 - Google Patents

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Abstract

按现有技术是先拆下转子的各个零件亦即拆下一台设备的各个构件，然后逐个涂层。这样做非常费时。采用按本发明的方法，对转子(10)的许多要涂层的零件(120、130)一次性上涂层，为此转子(10)处于装配状态并带有全部要涂层的零件(120、130)，它们然后用涂层材料(13)涂层。

Description

给设备内部的构件上涂层的方法
技术领域
本发明涉及一种给设备内部的构件上涂层的方法。
背景技术
构件经常施加涂层，以获得某些功能，例如抗腐蚀、抗氧化和/或耐热(隔热)。在这里，涂层的构件也可以是旋转的构件，例如已知燃气轮机装置的压气机或透平机的叶片，它们有防腐蚀或热的保护层。在大型机械的情况下，转子由许多零件(例如有许多透平叶片的多个轮盘)组成，它们逐个或成组地涂层，所以直至所有的零件被涂层要持续长的时间。
JP 06099125A公开了一种涂层设备，其中底物在旋转时涂层。
JP 06219762A公开了一种涂层方法，其中圆形的切削刀具在旋转时涂层。
US 5897921公开了一种施加隔热层的方法。
US 6585569B2公开了一种清洗燃气轮机压气机的方法，其中将干冰引入燃气轮机内。
US 6180262公开了一种方法，其中，转子的许多拆下的透平叶片一次涂层。
发明内容
因此本发明的目的是要解决上面提出的问题。
上述目的通过这样一种给设备的至少一个构件上涂层的方法来实现，该设备包括至少一个流体机械，后者在内部有至少一个要涂层的构件，按照本发明，当所述至少一个要涂层的构件处于设备内部时，向设备内部引入涂层材料；以及，所述要涂层的构件是一个转子，该转子在涂层期间旋转，以便在内部给该构件涂层。
采用按本发明的方法显著缩短透平机的维修时间，因为例如在燃气轮机的情况下不必等待到透平机和透平机匣冷却，或不一定要实施强迫冷却，以及，因为不必拆除所有的输入管道和外部的机匣部分。同样，透平机不必重新组装和起动。其结果是导致明显缩短停车时间和与之相连系的透平机运行者的停用时间，以及免去重型机械必须提升机匣部分。
按照本发明的一优选扩展设计，所述要涂层的构件也可以是燃气轮机的燃烧室，尤其是至少一个热屏元件。为此，优选将所述涂层材料供入一个燃气轮机的压气机，以便使该涂层材料在燃烧室内部沉积。
按照本发明的另一扩展设计，所述要涂层的构件是透平机的一个带有工作叶片的转子，其中，该透平机还有同样被涂层的导向叶片。在这样的情况下，所述转子优选在其按规定运行期间涂层。
比较有利的是，所述涂层材料至少部分是气态，尤其全部是气态。当然，所述涂层材料也可以至少部分尤其全部是液态。此外，所述涂层材料也可至少部分尤其全部是粉末状的。
按照本发明的一有利设计，所述涂层材料含有一种粘结剂，它在设备尤其是转子运行前或运行期间被烧尽。所述涂层材料中优选含有金属卤化物。
比较有利的是，所述转子在涂层期间至少部分加热。所述涂层材料优选被加热。
所述转子可以是透平机的转子，尤其是汽轮机或燃气轮机或压气机的转子。所述涂层材料优选通过一燃烧室供给所述要涂层的构件。更加优选的是，所述涂层材料与燃料一起引入燃烧室内，在其中燃料被燃烧。
按照本发明的方法也可应用于对转子的涂层进行修复。
按照本发明的一扩展设计，所述用于涂层的涂层材料选择为可优选沉积在所述转子被损坏的区域上。
按照本发明的另一扩展设计，所述转子有多个前后排列的级，其中，每一级有许多被涂层的透平叶片。
按照本发明的方法也可用于给透平机的机匣上涂层。
上面所列出的按照本发明的这些有利的扩展设计可按有利的方式互相任意组合。
附图说明
下面借助附图所示实施方式对本发明予以详细说明，附图中：
图1示意表示按本发明的方法；
图2表示一个透平叶片；
图3表示一个燃烧室；
图4表示一台燃气轮机；以及
图5表示一台汽轮机。
具体实施方式
图1表示一种设备1，它有一个包括转子10的流体机械。转子10应在一个机匣4内部涂层。
图1示意表示如何实施按本发明的方法来为转子10涂层。转子10由许多零件7、120组成。在透平机100、300、303的转子103或压气机105的情况下，转子10、103有例如至少一个轮盘11、11′、133(图4)，在轮盘上沿圆周分布地安装许多径向定向的透平叶片120、354(图2、4、5)。转子10可以由多个分别有许多透平叶片120、354的轮盘11、11′组成。一个级125例如由一个轮盘11、133(图4)和透平机工作叶片120组成。
转子10、103还装在其机匣4、138(图4)内以及可以绕一根可旋转的轴线16、102(图2)旋转。机匣4、138例如是透平100、300、301或压气机105的外壳，转子10、103在其中运行。
按本发明当转子10、103仍处于组装状态施加涂层材料13。
在涂层期间转子10还可以绕旋转轴线16、102旋转。
涂层材料13可以是气态的，如由PVD(物理汽相沉积)或CVD(化学汽相淀积)设备已知的那样，以及涂层材料13沉积在要涂层的零件7、120的表面上。
同样，涂层材料13可以按尤其精细地分布在空气中的液态的形式施加在零件7上。
例如也可以施加一种含粘结剂和粉末颗粒的泥釉(Schlicker)，它们构成最终的涂层。在这种情况下当涂层材料13被施加后还可以使载体物质蒸发掉或可将粘结剂烧掉。例如通过进一步提高温度使粉末颗粒互相烧结，从而形成牢固的涂层。温度的提高可通过用火焰烧构件7、120造成，或例如使热燃气或水蒸气通过空心的透平叶片120，从而导致加热要涂层的构件7。
转子10的涂层也可以在转子运行期间实施。在这里“运行”的意思是转子10按规定使用。也就是说，压气机的转子压缩空气，在透平的转子内气体(水蒸气、热燃气)膨胀和做功。若提到转子“旋转”，那这并不一定意味着转子处于运行之中。在这里，转子10例如是燃气轮机100的例如压气机105的部分，其中，在要压缩的空气中添加涂层材料作为添加剂。
同样，转子10也可以是燃气轮机100的转子103，其中，在运行时当燃气轮机100功率降低或增大时向热燃气添加涂层材料13，以便为转子的工作叶片120和/或导向叶片130涂层。
此外，燃气的温度在运行时可有意识地针对具体的涂层过程适应所需要的热力学边界条件，为此或多或少燃烧燃料，或供给透平机来自压气机的压缩程度较低的空气，或调整水蒸气的温度。
涂层材料13可以含有金属卤化物(AlF3、AlCl3、CrF、…)，它以气态或作为粉末颗粒的形式存在。
同样，可以将粉末状颗粒13(例如陶瓷、硬质合金)施加在要涂层的构件7、120上，当颗粒应置入其中的表面或表层足够软时(例如通过加热)，粉末状颗粒13便埋入转子10、103表面附近的区域内。例如应提高构件7、120的耐腐性时例如是较粗大的颗粒。涂层材料13可例如是金属的(MCrAlX)或似玻璃的(压气机叶片)。
按本发明的涂层方法还可以应用于修理损坏的压气机105或透平100、300、303的叶片。在这种情况下材料可选择为它优选地沉积在损坏的地方。
若转子10是燃气轮机100的转子103，则涂层材料13可例如与燃料一起引入燃烧室110，以及通过燃料的燃烧可以加热涂层材料13，从而例如类似于等离子喷镀将涂层材料13沉积在构件7、120上。
同样，可以为压气机例如燃气轮机100的压气机105的叶片涂层。
在压气机内压缩空气时析出水，水可以与空气中含有的其他元素化合形成一种电解质，它可以在压气机叶片上导致腐蚀和侵蚀。为防止这种腐蚀和侵蚀，压气机叶片可加上涂层。这样一种涂层例如由一个底层和一个面层组成。作为底层尤其考虑一种包括由磷酸铬化合物组成的无机粘结剂和例如含有球状的铝颗粒。在EP 0142418B1或在EP 0905279A1中公开了此类涂层，这些专利文件中涂层的成分和涂层的结构是本公开的一部分。作为面层可例如考虑采用水基的含有惰性填充料和颜料沉积的磷酸铬化合物。
同理，可采用同一种方法进行燃气轮机100或压气机105的内部涂层。燃气轮机100由导向叶片130和有工作叶片120的转子103组成。涂层材料13如上所述加入燃气轮机100内，在这里，涂层材料13既在转子103上也在导向叶片130上沉积。转子103和工作叶片120在这种情况下也可以旋转。
同样，可以为机匣部分4、138和叶片120、130涂层，或只为机匣4、138涂层。为实现这一点通过有控制地调整机匣4、138和叶片120、130有不同的温度。空心工作叶片120和空心导向叶片130有在其空腔内单独的介质供给装置，所以可以加热工作叶片120，而导向叶片130不加热或反之。直至提高到规定的温度才意味着是涂层在一基质(叶片)上恰当的生长条件或允许涂层在基质上生长，从而使涂层不会从过冷的基层上剥落。
同样，燃烧室110也是设备1亦即燃气轮机100的一个应涂层的构件。在这里，涂层材料也从外部供入燃烧室110内。可以与在透平机中的一样，这同样在运行期间进行。其中，涂层材料可以通过燃烧器107供入，它然后沉积在适当“调温”的热屏元件155上。
供给用于燃烧室或透平机涂层的涂层材料的另一种可能性是，将涂层材料在压气机出口处涂加到燃气轮机100内部的流动介质中。
图2用透视图表示一种涡轮机的工作叶片120或导向叶片130，它沿纵轴线121延伸。
该涡轮机可以是飞机的燃气轮机或发电用的动力装置、汽轮机或压气机。
叶片120、130沿纵轴线121彼此相继地有固定区400、与之相邻的叶片平台403以及叶身406。作为导向叶片130，叶片130可以在其叶片顶部415有另一个平台(未表示)。
固定区400构成叶根183，它用于将叶片120、130固定在轴或轮盘上(未表示)。叶根183可以例如设计为倒“T”形。也可以不同地设计为枞树形或燕尾形叶根。叶片120、130有流入边或前缘409和流出边或后缘412，它们用于一种在叶身406上流过的介质。
传统的叶片120、130在叶片120、130的所有区域400、403、406内例如采用实心的金属材料，尤其是超级高温合金。例如由EP 1204776B1、EP1306454、EP 1319729A1、WO 99/67435或WO 00/44949已知这种超级高温合金；这些文件是本申请公开内容的一部分。叶片120、130在这里可以通过铸造方法，也可以借助定向凝固、通过锻造方法、通过铣削方法或这些方法的组合制造。
有单晶结构的工件用作一些机器的构件，这些机器在运行中遭受高机械、热和/或化学负荷。这些单晶工件的制造例如通过熔融金属的定向凝固实现。在这里涉及铸造方法，按此方法液态的金属合金定向凝固为单晶结构，亦即单晶工件。在这种情况下树枝状的晶体沿热流方向定向，并构成或一种柱状结晶的晶粒结构(沿工件全长延伸的柱，亦即晶粒，以及在这里按习惯用语称为定向凝固)，或一种单晶结构，亦即整个工件由单一晶体组成。按此方法，人们必须避免转变为球状(多晶体)凝固，因为通过不定向生长必然构成横向和纵向晶界，它们使定向凝固或单晶构件良好的特性消失。若一般论及定向凝固的组织，则既指单晶体，它们没有晶界或最多有小角度晶界，也指柱状晶体结构，它们也许有沿纵向延伸的晶界，但没有横向的晶界。对于所述的这两种晶体结构人们也称之为定向凝固组织(directionally solidified structures)。由US-PS 6024792和EP 0892090A1已知这些方法；这些文件也是本申请公开内容的一部分。
同样，叶片120、130可以有防腐蚀或氧化的涂层(MCrAlX；其中，M是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)元素组中至少一种，X是一种活性元素以及代表钇(Y)和/或硅(Si)和/或至少一种稀土元素或铪(Hf))。由EP 0486489B1、EP0786017B1、EP 0412397B1或EP 1306454A1已知这些合金，它们也应是本申请公开内容的一部分。
在MCrAlX上面还可以存在一个隔热层以及例如由ZrO2、Y2O4-ZrO2组成，也就是说，它没有、部分或完全通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁稳定化。采用恰当的涂层方法，例如热电子束蒸镀(EB-PVD)，在隔热层内造成柱状晶粒。
再加工(整修)的意思是，构件120、130在其使用后必要时必须除去保护层(例如通过喷砂)。然后进行去除腐蚀和/或氧化层或产物。有可能还要通过钎焊或熔焊修理构件120、130内的裂纹。然后进行构件120、130的重新涂层以及重新使用构件120、130。
叶片120、130可以设计为空心或实心的。若叶片120、130应当冷却，则它是空心的以及必要时还有气膜冷却孔418(用虚线表示)。
图3表示燃气轮机的燃烧室110。燃烧室110例如设计为所谓的环形燃烧室，其中，许多绕旋转轴线102沿周向排列的燃烧器107通入一公共的燃烧室腔内。为此，燃烧室110在其总体上设计为环形结构，它围绕旋转轴线102定位。
为达到比较高的效率，燃烧室110针对比较高的工质M的温度约为1000℃至1600℃设计。为了即使在这些对于材料不利的运行参数下仍能有比较长的使用寿命，燃烧室壁153在其面朝工质M的那一侧加上用热屏元件155构成的内衬。
每个热屏元件155在工质一侧配备有特别耐热的护层或用耐高温材料制造。这可以是实心陶瓷块或有MCrAlX和/或陶瓷涂层的合金。燃烧室壁及其涂层的材料可类似于透平叶片。
基于燃烧室110内部这种高的温度，还可以为热屏元件115或为它们的固定元件设置冷却系统。
图4作为范例表示燃气轮机100的局部纵剖面。燃气轮机100内部有一个绕旋转轴线102旋转支承的转子103，它亦称为透平机转子。沿转子103彼此相继的是一个进气机匣104、一个压气机(压缩机)105、一个包括多个同轴排列的燃烧器107的例如花托状燃烧室110，尤其环形燃烧室106、一个透平机108和排气机匣109。环形燃烧室106与例如环形的热燃气通道111连通。在那里例如四个串联的透平级112构成透平机108。每个透平级112例如由两个叶片环构成。沿工质113的流动方向看，在热燃气通道111内，在导向叶排115后跟随着一个由工作叶片120构成的叶排125。
在这里导向叶片130固定在定子143的内机匣138上，而一个排125的工作叶片120例如借助透平机轮盘133安装在转子103上。在转子103上连接一发电机或一工作机械(未表示)。
在燃气轮机100运行时，压气机105通过进气机匣104吸入并压缩空气135。在压气机105透平机一侧的端部处制备的压缩空气导向燃烧器107并在那里与燃料混合。此混合物然后在燃烧室110内燃烧形成工质113。工质113从那里出发沿热燃气通道111流过导向叶片130和工作叶片120。工质113在工作叶片120上传输冲量地膨胀，所以工作叶片120驱动转子103，以及转子103驱动与其连接的工作机械。
遭遇热工质113的构件在燃气轮机100运行期间受热负荷。沿工质113流动方向看的第一透平级112的导向叶片130和工作叶片120，除了覆盖着环形燃烧室106的热屏元件外它们的热负荷最大。为了能承受住在那里存在的温度，它们可以借助冷却剂冷却。同样这些构件的基质也可以有定向结构，也就是说，它们是单晶的(SX结构)或只有纵向的晶粒(DS结构)。作为构件的材料，尤其透平叶片120、130和燃烧室110构件的材料，例如采用铁基、镍基或钴基的超级高温合金。
例如由EP 1204776B1、EP 1306454、EP 1319729A1、WO 99/67435或WO 00/44949已知这种超级高温合金；这些文件是本申请公开内容的一部分。
同样，叶片120、130可以有防腐蚀的涂层(MCrAlX；其中，M是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)元素组中至少一种，X是一种活性元素以及代表钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素或铪)。由EP 0486489B1、EP 0786017B1、EP0412397B1或EP 1306454A1已知这些合金，它们也应是本申请公开内容的一部分。
在MCrAlX上面还可以存在一个隔热层以及例如由ZrO2、Y2O4-ZrO2组成，也就是说，它没有、部分或完全通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁稳定化。采用恰当的涂层方法，例如热电子束蒸镀(EB-PVD)，在隔热层内造成柱状晶粒。
导向叶片130有一个面朝透平机108内机匣138的导叶叶根(图中未表示)以及一个与导叶片根对置的导叶端部。导叶端部面朝转子103以及固定在定子143的固定环140上。
图5作为范例表示汽轮机300、303，包括一根沿旋转轴线306延伸的透平轴309。
汽轮机有一个汽轮机高压部分300和一个汽轮机中压部分303，它们各有一个内汽缸312和一个围绕它的外汽缸315。汽轮机高压部分300例如设计为圆筒形结构。中压部分303设计为双流道的。汽轮机中压部分303同样可以设计为单向流的。沿旋转轴线306在汽轮机高压部分300与中压部分303之间设一个轴承318，透平轴309在轴承318内有一个支承区321。透平轴309还支承在汽轮机高压部分300旁的另一个轴承324上。在此轴承324的区域内，汽轮机高压部分300有一轴密封装置345。透平轴309通过另外两个轴密封装置345相对于汽轮机中压部分303的外汽缸315密封。在高压进汽区348与排汽区351之间，透平轴309在汽轮机高压部分300内有高压工作叶片组354、357。有所属的没有详细表示的工作叶片的高压工作叶片组354、357成为第一叶片区360。汽轮机中压部分303有中央进汽区333。配属于进汽区333，透平轴309有径向对称的轴封，亦即盖板，它一方面将汽流分成汽轮机中压部分303的两个流程，以及另一方面防止热蒸汽与透平轴309直接接触。透平轴309在汽轮机中压部分303内有第二个包括中压工作叶片354、342的叶片区366。通过第二叶片区366流动的热蒸汽从流出接管369流出汽轮机中压部分303，流向一个按流动技术连接在下游的未表示的汽轮机低压部分。

Claims (18)

1.一种给设备(1、100、300、303)的至少一个构件(10、110、120、130、155)上涂层的方法，该设备包括至少一个流体机械，该流体机械在内部有至少一个要涂层的构件(10、110、120、130、155)，其特征为：当所述至少一个要涂层的构件(10、110、120、130、155)处于所述设备(1、100、300、303)内部时，向设备(1、100、100、300、303)内部引入涂层材料(13)；以及，所述至少一个要涂层的构件是一个转子(10、103)、燃气轮机(100)的燃烧室(110)或至少一个热屏元件(155)，当所述要涂层的构件是一个转子(10、103)时，该转子在涂层期间旋转，以便在内部给该构件(10、110、120、130、155)涂层。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征为：将所述涂层材料(13)供入一个燃气轮机(100)的压气机，以便使该涂层材料在燃烧室(110)内部沉积。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为：所述转子是透平机(100)的一个带有工作叶片(120)的转子(10、103)，其中，该透平机还有同样被涂层的导向叶片(130)。
4.按照权利要求3所述的方法，其特征为：所述转子(10、103)在其按规定运行期间涂层。
5.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为：所述涂层材料(13)至少部分是气态。
6.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为：所述涂层材料(13)至少部分是液态。
7.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为：所述涂层材料(13)至少部分是粉末状的。
8.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为：所述涂层材料(13)含有一种粘结剂，它在设备(1、100、300、303)运行前或运行期间被烧尽。
9.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为：所述涂层材料(13)含有金属卤化物。
10.按照权利要求3所述的方法，其特征为：所述转子(10、103)在涂层期间至少部分加热。
11.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为：所述涂层材料(13)被加热。
12.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为：所述转子(10、103)是汽轮机(300、303)或燃气轮机(100)或燃气轮机的压气机(105)的转子。
13.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为：所述涂层材料(13)通过一燃烧室(110)供给所述要涂层的转子和热屏元件。
14.按照权利要求13所述的方法，其特征为：所述涂层材料(13)与燃料一起引入燃烧室(110)内，在其中燃料被燃烧。
15.按照权利要求3所述的方法，其特征为：该方法应用于转子(10、103)的涂层修理。
16.按照权利要求15所述的方法，其特征为：所述用于涂层的涂层材料(13)选择为沉积在所述转子(10、103)被损坏的区域上。
17.按照权利要求1所述的方法，其特征为：所述转子(10、103)有多个前后排列的级(125)，其中，每一级(125)有许多被涂层的透平叶片(120)。
18.按照权利要求3所述的方法，其特征为：所述转子(10、103)有多个前后排列的级(125)，其中，每一级(125)有许多被涂层的透平叶片(120)。
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