MX2014010444A - Barril de premezcla de inyector de combustible con revestimiento laser. - Google Patents

Abstract

Un inyector de combustible (12) para un motor de turbina de gas (10) puede incluir un cuerpo central (36) dispuesto sobre un eje longitud (50), y un barril de premezcla (26) colocado de manera radial hacia afuera desde el cuerpo central para definir una vía anular (16) entre el cuerpo central y el barril de premezcla; la vía anular puede extenderse desde un extremo ascendente que está configurado para acoplarse de manera fluida a un compresor (2) a un extremo descendente que está configurado para acoplarse de manera fluida a un combustor (14); el barril de premezcla puede incluir una primera porción (24) en el extremo ascendente y una segunda porción (22) en el extremo descendente; la primera porción puede incluir un material de acero inoxidable, y la segunda porción puede incluir un material de superaleación de níquel; la segunda porción puede acoplarse a la primera porción mediante un acoplamiento de revestimiento láser.

Description

BARRIL DE PREMEZCLA DE INYECTOR DE COMBUSTIBLE CON REVESTIMIENTO LASER CAMPO DE LA INVENCION La presente descripción se refiere por lo genera la un barril de premezcla de un inyector de combustible de turbina de gas, y métodos para hacer el barril de premezcla mediante un revestimiento láser.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN En un motor de turbina de gas común, uno o más inyectores dirigen un combustible a una cámara de combustión (llamada un combustor) para la combustión. El combustible se quema en el combustor que produce calor. En algunas aplicaciones, la temperatura en el combustor puede alcanzar tan alto como aproximadamente 982.22°C. Los componentes del inyector de combustible que están acoplados (o cerca del) al combustor están expuestos a estas temperaturas altas. Para minimizar el daño relacionado con la temperatura, tales componentes se hacen por lo general de aleaciones que tienen alta resistencia al arrastre y resistencia mecánica. Sin embargo, tales aleaciones son costosas y pueden aumentar el costo de estos componentes.

La Patente de E.U.A. No. 6,056,507 describe un ensamble de aspas de turbina de motor de turbina de gas con una punta de aspa de superaleación de níquel unida a un cuerpo de acero mediante soldadura fuerte. En la patente '507, el costo del ensamble se reduce al utilizar la superaleación sólo en regiones donde se necesitan.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN En un aspecto, se describe un inyector de combustible para un motor de turbina de gas. El inyector de combustible incluye un cuerpo central dispuesto sobre un eje longitudinal, y un barril de premezcla colocado de manera radial hacia afuera desde el cuerpo central para definir una vía anular entre el cuerpo central y el barril de premezcla. La vía anular puede extenderse desde un extremo ascendente que está configurado para acoplarse de manera fluida a un compresor a un extremo descendente que está configurado para acoplarse de manera fluida a un combustor. El barril de premezcla puede incluir una primera porción en el extremo ascendente y una segunda porción en el extremo descendente. La primera porción puede incluir un material de acero inoxidable, y la segunda porción puede incluir un material de superaleación de níquel; La segunda porción puede acoplarse a la primera porción mediante un acoplamiento de revestimiento láser.

En otro aspecto, se describe un método de fabricación de barril de premezcla de un inyector de combustible de turbina de gas. El método puede incluir el maquinado de una ranura anular en un componente tubular que se extiende a lo largo de un eje longitudinal y depositar un revestimiento en la ranura usando un revestimiento láser. El método también puede incluir el maquinado del componente tubular para una forma de barril de premezcla. El barril de premezcla puede incluir el revestimiento que se extiende como un tubo hueco a lo largo del eje longitudinal desde un extremo del componente tubular.

En otro aspecto, se describe un método de fabricación de barril de premezcla de un inyector de combustible de turbina de gas. El método puede incluir crear una ranura anular a lo largo de una longitud de un componente tubular, y depositar un revestimiento en la ranura usando un revestimiento láser. El método también puede incluir el maquinado del componente tubular revestido para formar el barril de premezcla. El maquinado puede incluir remover al menos una porción del componente tubular debajo del revestimiento depositado para exponer una superficie inferior del revestimiento.

En incluso otro aspecto, se describe un barril de premezcla para un inyector de combustible de un motor de turbina de gas. El barril de premezcla puede incluir un cuerpo sustancialmente tubular que se extiende a lo largo de un eje longitudinal desde un primer extremo hacia un segundo extremo. El cuerpo tubular puede incluir una primera porción hecha de un primer material cerca del primer extremo, y una segunda porción hecha de un segundo material cerca del segundo extremo. La primera porción puede tener un primer diámetro interior y un primer diámetro exterior, y la segunda porción puede tener un segundo diámetro interior y un segundo diámetro exterior, La segunda porción puede acoplarse a la primera porción mediante un acoplamiento de revestimiento láser.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La figura 1 es la ilustración de una vista en corte de un motor de turbina ejemplar descrito La figura 2 es una ilustración en sección transversal de una porción de un inyector de combustible ejemplar del motor de turbina de la figura 1 ; La figura 3 es un diagrama de flujo que ilustra un método para hacer un barril de premezcla del inyector de combustible de la figura 1 ; y Las figuras 4A a 4D son ilustraciones esquemáticas que ilustran los pasos en el método de la figura 3.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La figura 1 ilustra un motor de turbina de gas ejemplar 10 que puede utilizarse en cualquier aplicación. El motor de turbina 10 puede incluir una sección de compresor 2, una sección de combustor 4, una sección de turbina 6 y una sección de escape 8. La sección de combustor 4 incluye uno o más inyectores de combustible 12 que mezclan un combustible con aire comprimido, y dirigen la mezcla de combustible-aire a un combustor 14 para la combustión. La combustión de la mezcla de combustible-aire produce gases de combustión a una presión y temperaturas elevadas. Estos gases de combustión se dirigen a la sección de turbina 6 que extrae la energía de estos gases de combustión y dirige los gases de escape agotados a la atmósfera a través de la sección de escape 8. La combustión de la mezcla de combustible-aire en el combustor 14 calienta las paredes del combustor 14 y los componentes que se acoplan al mismo.

La figura 2 ilustra una vista en sección transversal de una porción de un inyector de combustible ejemplar 12 acoplado al combustor 14 del motor de turbina 10. El inyector de combustible 12 incluye un barril de premezcla 26 que tiene un extremo descendente (o una porción frontal 22) acoplado al combustor 14. En general, el barril de premezcla 26 puede tener cualquier forma y configuración. El algunas modalidades, el barril de premezcla 26 puede ser generalmente cilindrica y tiene una configuración sustancialmente tubular que se extiende a lo largo de un eje longitudinal 50. La porción frontal 22 del barril de premezcla 26 puede acoplarse al combustor 14 mediante cualquier método conocido. En algunas modalidades, la porción frontal 22 pueden acoplarse al combustor 14 de tal manera que el movimiento relativo entre el barril de premezcla 26 y la pared del combustor se permite (por ejemplo, acomodar los cambios dimensionales debido a la expansión térmico). También se contempla que, en algunas modalidades, la porción frontal 22 pueden conectarse directamente a una pared del combustor 14.

El inyector de combustible 12 puede incluir un cuerpo central 36 localizado de manera radial hacia adentro del barril de premezcla 26 para definir un conducto anular 16 entre los mismos. El barril de premezcla 26 puede dirigir la mezcla de combustible-aire al combustor 14 a través del conducto anular 16. La mezcla de combustible-aire puede dirigirse hacia el barril de premezcla 26 a través de un generador de vórtices 34 colocado de manera ascendente del barril de premezcla 26. En algunas modalidades, un extremo ascendente (o una porción posterior 24) del barril de premezcla 26 puede conectarse al generador de vórtices de aire 34 usando el punto de soldadura fuerte 32. El generador de vórtices de aire 34 puede incluir un anillo con una pluralidad de álabes conectados al mismo. Los álabes pueden configurarse para inducir un componente giratorio de velocidad a la mezcla de combustible-aire que pasa a través de los mismos. En algunas modalidades, el generador de vórtices de aire 34 puede incluir salidas de combustible (orificios, boquillas, rayos, etc.) que inyectan el combustible (cualquier líquido o combustible gaseoso) hacia una corriente de aire comprimido que pasa a través de los álabes para crear una mezcla de combustible-aire arremolinada. En algunas aplicaciones, el cuerpo central 36 puede alojar un ensamble piloto configurado para dirigir una corriente separada de combustible y aire al combustor 14. La mezcla de combustible-aire que entra al combustor 14 a través del conducto anular 16 y la corriente de combustible que entra al combustor 14 a través del cuerpo central 36 se inflama y quema en el combustor 14.

La combustión en el combustor 14 calienta la porción frontal 22 del barril de premezcla 26. En algunas modalidades, el barril de premezcla 26 se puede expandir en respuesta al calentamiento y rasparse contra la pared del combustor. Este raspado puede incluir desgaste mecánico sobre la superficie exterior de la porción frontal 22. Para soportar las temperaturas altas en el combustor 14 y el desgaste mecánico, la porción frontal 22 puede hacerse a partir de material capaz de soportar estas condiciones ambientales. En algunas modalidades, una aleación tal como, por ejemplo, una superaleación de níquel, puede seleccionarse para la porción frontal 22. En algunas modalidades la superaleación de níquel puede incluir Alloy-X (Alloy-230, Alloy-1 18, etc.). La porción posterior 24 del barril de premezcla 26, que está en contacto con la mezcla de combustible-aire relativamente más fría, puede ser más fría que y someterse a condiciones menos adversas que la porción frontal 22. Por lo tanto, la porción posterior 24 puede hacerse de un material diferente, tal como acero inoxidable (por ejemplo, AMS, 5653, ASTM, A-479, etc.) Para la resistencia aumentada del barril de premezcla 26 (y por lo tanto, la confiabilidad aumentada del inyector de combustible 12), la porción frontal 22 del barril de premezcla 26 puede ser de revestido láser, aumentado en la porción posterior 24.

La porción frontal 22 puede tener una longitud 222 y un espesor 322. La longitud 222 y el espesor 322 pueden depender de la aplicación (por ejemplo, las condiciones de operación y el tamaño del motor de turbina de gas 10). En general, la longitud 222 de la porción frontal 22 puede variar de aproximadamente 0.5-2.5 pulgadas (12.7-63.5 mm), y el espesor 322 puede variar de aproximadamente 0.15-0.5 pulgadas (3.81-12.7 mm). En algunas modalidades, la longitud 222 puede variar de aproximadamente 0.75-1.5 pulgadas (19.05-38.1 mm), y el espesor 322 puede variar aproximadamente 0.2-0.5 pulgadas (5.08-12.7 mm). En esta especificación, el término "aproximadamente" se utiliza para indicar una variación de 10% de un valor. Por ejemplo, una longitud de aproximadamente 5.08 milímetros, indica una longitud entre 0.18-0.22 pulgadas (4.57-5.59 mm).

El revestimiento láser de la porción frontal 22 en la porción posterior 24 crea un barril de premezcla 26 en el que la porción frontal 22 se acopla a la porción posterior 24 mediante el acoplamiento de revestimiento láser. En tal un acoplamiento, la porción frontal 22 puede acoplarse a la porción posterior 24 sin un material adhesivo (u otro material de interfaz) entre ellas. El revestimiento láser de la porción frontal 22 sobre la porción posterior 24 incluye sólo calentamiento localizado en la interfaz 28; por lo tanto, la dilución de los materiales (de la porción frontal y posterior 22, 24) y la formación de aleaciones en la interfaz 28 serán mínimas. El revestimiento láser de la porción frontal 22 sobre la porción posterior 24 (es decir, acoplamiento de revestimiento láser) se caracteriza por una interfaz 28 donde las propiedades del material cambian de manera relativamente abrupta en la interfaz 28. Por ejemplo, las mediciones de dureza a lo largo de una línea horizontal en la interfaz 28 indicarán un cambio relativamente fuerte en la dureza en la interfaz 28.

Debe observarse que aunque un barril de premezcla 26 de un inyector de combustible de motor de turbina de gas 12 se describe en la presente, sólo es ejemplar. En general, una porción frontal 22 de un material puede ser revestida con láser en una porción posterior 24 de un material diferente, y utilizada como un componente en cualquier aplicación. Por ejemplo, en una aplicación donde una porción frontal 22 de un soporte se somete a desgaste aumentado en comparación con su porción posterior 24, una porción frontal 22 de un material resistente al desgaste puede ser revestimiento láser en una porción posterior 24 de un material diferente en el soporte.

Un método ejemplar de láser que reviste la porción frontal 22 en la porción posterior 24 se describe en la siguiente sección.

Aplicabilidad industrial El barril de premezcla de revestimiento láser descrito puede aplicarse a cualquier inyector de combustible para aumentar la resistencia a la temperatura del barril de premezcla sin aumenta su costo. Ya que un material resistente al calor se reviste con láser al barril de premezcla, la resistencia y confiabilidad del barril de premezcla pueden ser altas. A continuación, se describe un método ejemplar láser que reviste una porción frontal resistente al calor en una porción posterior de acero inoxidable s.

La figura 3 es un diagrama de flujo que ilustra un método ejemplar 100 de láser que reviste la porción frontal 22 en la porción posterior 24 del barril de premezcla 26. Las figuras 4A a 4D son ilustraciones esquemáticas que ilustran, en una manera paso por paso, la formación del barril de premezcla de revestimiento láser 26 mediante el método ejemplar 100. Se selecciona un tubo 214 hecho del material de la porción posterior 24 (paso 110) y si se requiere, se maquina a un tamaño deseado. Como se describe anteriormente con referencia a la porción posterior 24, se selecciona un tubo 214 hecho de cualquier material de acero inoxidable. Una ranura 204 se maquina cerca de un extremo del tubo 214 para formar una tapa aislante 126 (paso 120). Cualquier procedimiento de maquinado conocido en la técnica puede utilizarse para formar la tapa aislante 126. Por ejemplo, en algunas modalidades, el tubo 214 puede girarse sobre su eje longitudinal 50 en un torno y el material de una región seleccionada del tubo 214 puede removerse usando una herramienta de maquinado adecuada. La ranura 204 puede tener cualquier forma y tamaño deseado. Por ejemplo, en algunas modalidades, la ranura 204 puede incluir una pared lateral inclinada 228. Después del maquinado (es decir, el paso 120), el tubo 214 puede incluir una base 206 de un espesor reducido en la raíz de la ranura 204. La tapa aislante 126 se gira, y un revestimiento 212 del material de la porción frontal 22 puede revestirse con láser en la ranura 204 (paso 130). Por ejemplo, si un barril de premezcla 26 con un acero inoxidable (AMS 5659), la porción posterior 24 y una porción frontal 22 de Alloy-230 se desea, un tubo 214 de acero inoxidable (AMS 5659) se maquina para formar una tapa aislante 126 con una ranura 204 y un revestimiento 212 de Alloy-230 se reviste con láser en la ranura 204.

El revestimiento láser es un procedimiento en el que un producto base de material de revestimiento (en la forma de cable, polvo, etc.) se aplica a la ranura 204. Y, un rayo láser concentrado se utiliza para fundir el producto base aplicado y una capa delgada de material en la base de la ranura 204 para formar un revestimiento 2 2 que se une de manera metalúrgica a la base de la ranura 204. Dado que la tapa aislante 126 se gira durante el revestimiento láser, el revestimiento 212 se forma de manera uniforme alrededor de la ranura 204. El revestimiento láser es similar a la atomización térmica en que una fuente de energía se utiliza para fundir el producto base que se aplica a un sustrato. Sin embargo, a diferencia de ta atomización térmica, el revestimiento láser también funde una capa delgada del sustrato a la que se aplica el producto base. Esta fusión resulta en una unión metalúrgica fuerte entre el revestimiento 212 y la base 206. Por lo general, el revestimiento láser resulta en una interfaz con una resistencia a la unión superior sobre la atomización térmica. Dado que se utiliza un rayo láser concentrado como la fuente de calor, la zona afectada por el calor en la base 206 será mínima. Ya que los procesos de revestimiento láser se conocen en la técnica, los pasos involucrados en el revestimiento láser no se describen en la presente. Cualquier proceso de revestimiento láser conocido puede utilizarse para depositar el revestimiento 212. El revestimiento 212 puede ser de cualquier forma y espesor que producirá una porción frontal 22 que tiene las dimensiones deseadas (por ejemplo, longitud 222 y espesor 322, ver la figura 2). En algunas modalidades, el espesor del revestimiento depositado 212 puede ser mayor que un espesor de la base 203 debajo del revestimiento depositado 212.

Después del revestimiento, la tapa aislante revestida 226 se maquina para formar el barril de premezcla 26 que tiene la forma y el tamaño fina deseados (paso 140). La operación de maquinado puede remover la base 206 en la base del revestimiento 212 para formar una porción frontal independiente 22 hecha de material de revestimiento 212 conectada a la porción posterior 24 en interfaz 28. La interfaz inclinada 28 puede aumentar el área de contacto entre la porción frontal 22 y la porción posterior 24 y por lo tanto, aumentar la resistencia de la interfaz 28. En algunas modalidades, la interfaz 28 puede tener otras formas. Por ejemplo, en algunas modalidades, la interfaz 28 puede ser escalonada, y en algunas modalidades la interfaz 28 puede ser vertical. Dado que la base 206 en la que se deposita el revestimiento 216 se remueve al maquinar después de la deposición, se minimizará cualquier efecto dañino del procedimiento de revestimiento láser en el barril de premezcla 26. La operación de maquinado también puede formar otras características deseadas del barril de premezcla 26. Por ejemplo, un diámetro externo de la porción frontal 22 puede maquinarse para ser mayor que un diámetro exterior de la porción posterior 24, un diámetro interior de la porción frontal 22 puede maquinarse para ser sustancialmente igual a un diámetro interior de la porción posterior 24 y el extremo libre de la porción frontal 22 puede maquinarse para incluir un chaflán.

Dado que la porción de revestimiento láser está unida metalúrgicamente al sustrato subyacente, la interfaz entre ellos puede ser fuerte. Adicionalmente, ya que el proceso de revestimiento láser minimiza la zona afectada por el calor en el sustrato subyacente, y ya que la base 206 se remueve después del revestimiento, cualquier efecto negativo del proceso de revestimiento láser en el sustrato subyacente puede ser mínimo. Aunque se describen en la presente un barril de premezcla revestido 26 de un inyector de combustible 12 y un método ejemplar de revestimiento del barril de premezcla 26, esto es sólo ejemplar. En general, los método descritos pueden aplicarse a una porción del revestimiento láser de cualquier componente utilizado en cualquier aplicación.

Será evidente para los expertos en la técnica que pueden hacerse varias modificaciones y variaciones al barril de premezcla de revestimiento láser para un inyector de combustible. Otras modalidades serán evidentes para los expertos en la técnica a partir de la consideración de la especificación y práctica del barril de premezcla descrito. Se pretende que la especificación y los ejemplos se consideren como sólo ejemplares, con un alcance verdadero indicado por las siguientes reivindicaciones y sus equivalentes.

Claims (10)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1 .- Un inyector de combustible (12) para un motor de turbina de gas (10), que comprende: un cuerpo central (36) dispuesto sobre un eje longitudinal (50); y un barril de premezcla (26) colocado radialmente hacia afuera desde el cuerpo central para definir una vía anular (16) entre los mismos, la vía anular se extiende desde un extremo ascendente configurado para acoplarse de manera fluida a un compresor (2) del motor de turbina a un extremo descendente configurado para acoplarse de manera fluida a un combustor (14) del motor de turbina, el barril de premezcla incluye: una primera porción (24) en el extremo ascendente, la primera porción incluye un material de acero inoxidable; y una segunda porción (22) en el extremo descendente, la segunda porción incluye un material de superaleación de níquel, la segunda porción acoplada a la primera porción mediante un acoplamiento de revestimiento láser.

2 - El inyector de combustible de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la segunda porción del barril de premezcla tiene una longitud entre aproximadamente 12.7 a 63.5 milímetros y un espesor entre aproximadamente 3.81 a 12.7 milímetros.

3.- El inyector de combustible de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque la longitud está entre aproximadamente 19.05 a 38.1 milímetros y el espesor es entre aproximadamente 5.08 a 12.7 milímetros.

4. - Un método (100) de fabricación de un barril de premezcla (26) de una inyector de combustible (12) de turbina de gas (10), que comprende: maquinar (120) una ranura anular (204) en un componente tubular (214) que se extiende a lo largo de un eje longitudinal (50); depositar (130) un revestimiento (212) en la ranura utilizando un revestimiento láser; y maquinar (140) el componente tubular revestido (226) para formar el barril de premezcla (26), en donde el barril de premezcla incluye el revestimiento que se extiende como un tubo hueco a lo largo del eje longitudinal desde un extremo del componente tubular.

5. - El método de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado además porque: maquinar la ranura anular incluye crear una región (206) de espesor reducido del componente tubular a lo largo de una longitud del componente tubular y maquinar el componente tubular revestido incluye remover la región de espesor reducido del componente tubular para exponer una superficie inferior del revestimiento.

6 - El método de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado además porque maquinar la ranura anular incluye maquinar una ranura que tiene una base (206) y una pared lateral inclinada (228).

7.- El método de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque maquinar el componente tubular revestido incluye remover la base de la ranura de tal manera que el revestimiento se conecta al componente tubular sólo en la pared lateral inclinada.

8 - El método de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque depositar el revestimiento incluye depositar un espesor del revestimiento que es mayor que un espesor de la base.

9.- El método de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado además porque maquinar el componente tubular revestido incluye formar el barril de premezcla que tiene un diámetro exterior del revestimiento mayor a un diámetro exterior del componente tubular.

10.- El método de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque maquinar el componente tubular revestido incluye formar el barril de premezcla que tiene un diámetro interior del revestimiento igual a un diámetro interior del componente tubular.