专利名称：在燃气轮机高温部件上形成抗腐蚀抗氧化覆层的方法
技术领域：
本发明涉及在燃气轮机运转中在包括高速旋转的燃气轮机叶片在 内的高温部件上有效地气相沉积珪等抗腐蚀、抗氧化物质的方法，所 方法旨在于燃气轮机运转时，在暴露于高温燃烧气体的部件上形成氧
化物覆层，改善这些高温部件的抗腐蚀、抗氧化性能，为此，向LNG (液化天然气)、汽油或煤油等燃料中添加含有硅等半金属成分的有机 化合物，或者将含有硅等半金属成分的有机化合物以其他方式喷雾至 燃烧空气中并与燃料共同燃烧。
背景技术：
联合循环发电所用的燃气轮机的涡轮部分在1 OOO'C以上的高温环 境中工作，所以由于部件表面发生氧化，老化非常严重，常有疲劳断 裂从而导致频繁起动及停止的报告。在这样严酷的条件下工作的燃气 轮机高温部件，其寿命为非常短的3到4年，像在韩国不作为基底使 用而作为终端负荷使用时，其寿命更短，燃气轮机的维护周期也变短 了。
因此，为了提高通常由基于镍的超合金构成的燃气轮机高温部件 的耐热性以及抗氧化、抗腐蚀性能，人们正在对覆盖适当的保护膜进 行研究和开发，其中的一个实例是，以硅钍钇矿(yttrialite)稳定的 氧化锆(YSZ:含8重量％ Y203的Zr02 )为代表的热障涂层(Thermal Barrier Coating: TBC )已经达到实用程度，已用于一些部件之中。此 外，二氧化硅和氧化铝等抗腐蚀、抗氧化性能更好的陶瓷覆层，通过 现有4支术，即热喷镀(Thermal Spray )等物理方法或者化学气相沉积 (Chemical Vapor Deposition )等方法，可用于有关部件。
发明内容
但是，上述的覆盖技术全部是在燃气轮机部件的制造阶段适用的
技术，为了对部件进行覆盖，需要专门的步骤、装置以及劳动等，此 外，还有部件的制造时间长的缺点。
本发明旨在解决上述问题，目的是通过向LNG、汽油或煤油等燃 气轮机燃料添加含有硅成分的有机化合物，或者将含有硅成分的有机 化合物以其他方式喷雾至燃烧空气中并与燃料共同燃烧，提供一种在 燃气轮机运转中在包括高速旋转的燃气轮机叶片在内的高温部件上有 效地气相沉积二氧化硅等抗腐蚀、抗氧化物质，而无需其他步骤、装 置以及劳动的方法。
本发明的另一目的是提供一种无需专门的制造步骤，通过将硅有 机化合物与燃料共同燃烧时生成的二氧化硅在暴露于高温燃烧气的所 有燃气轮机高温部件上均匀地堆积，表面上形成几微米乃至几十微米 厚的氧化物覆层的燃气轮机高温部件。
为了实现上述目的，本发明提供一种利用燃料添加剂在燃气轮机 高温部件上形成抗腐蚀、抗氧化覆层的方法，其特征在于，为了提高 燃气轮机高温部件的耐热性能，通过向燃气轮机燃料中添加含金属或 半金属成分的气相或液相有机物，或者通过向燃烧空气中喷雾施加所 述有机物并在燃气轮机运转时共同燃烧，从而在燃气轮机运转中向暴 露于燃烧气的高温部件表面覆盖耐热性好的氧化物。
本发明通过向现有的燃气轮机燃料中添加少量的含有金属或半金 属成分的有机物并与燃料共同燃烧，能够在燃气轮机运转过程中将固 态的金属或半金属成分的氧化物均匀地覆盖在暴露于燃烧气的全部燃 气轮机高温部件上。因此，无需专门的步骤、设备以及劳动，就能够 向包括高速旋转的燃气轮机叶片在内的高温部件有效地气相沉积二氧 化硅等抗腐蚀、抗氧化物质，非常经济。
而且，通过调节向燃料中添加的金属或半金属有机化合物，就可 以容易地调节燃烧后生成的氧化物的厚度和形状等；同时，即使在使 用中覆层与母材剥离，也无需停止燃气轮机就可再次进行覆盖，过程 非常方便。
还有，即使对于如YSZ-TBC等隔热覆盖的部件，二氧化硅等氧化 物也可以抑制氧透过YSZ层的扩散渗透，从而抑制因基底金属表面的 氧化而致的YSZ-TBC剥离，延长高温部件的寿命。
图1A为实施例1中使用的超小型燃气轮机的外形照片。
图1B为实施例1中使用的超小型燃气轮机的燃烧气体排出口的照片。
图2A为实施例1的燃气轮机的燃烧室外部照片。 图2B为实施例1中，贯穿燃烧室内部的、连接涡轮和空气压缩机 的转动轴的照片。
图3为实施例1的覆盖硅氧化物的涡轮叶片和排出口的照片。
图4为暴露于燃烧室内部的燃烧气体的燃烧缸表面照片。
图5为根据实施例1形成覆层的涡轮叶片照片。
图6A为根据实施例2在涡轮叶片上形成的覆层的断面SEM照片。
图6B为图6A的覆层中硅成分图示。
图6C为图6A的覆层中氧成分图示。
图7为图6A的覆层的表面SEM照片。
图8为图6A的覆层中除去多孔物质层的状态的断面SEM照片。
具体实施例方式
以下基于附图，对本发明优选的实施方案进行详细说明。
本发明涉及通过向LNG、汽油或煤油等燃气轮机燃料中添加含有 硅等半金属成分的有机化合物，或者通过以其他方式向燃烧空气喷雾 施加所述有机化合物并与燃料共同燃烧，以在燃气轮机运转中将有机 化合物中所含的硅氧化生成二氧化硅，将二氧化硅有效地气相沉积到 构成燃气轮机的高温部件上的方法。
也就是说，本发明是这样一种方法为了提高在800。C到1500°C 的超高温下工作的、组成燃气轮机的高温部件的耐热性能(高温下的 抗腐蚀、抗氧化性能)，所述高温部件例如燃烧缸、燃气轮机第1级叶 片、第1级喷嘴、第2级叶片以及第2级喷嘴，通过向LNG、汽油或 煤油等燃气轮机燃料添加少量的含硅有机化合物并共同燃烧，无需专 门的制造步骤，在燃气轮机运转的同时，在暴露于高温燃烧气的所有 燃气轮机高温部件上形成几微米以上的二氧化硅层。
使用现有的方法，要将二氧化硅等抗腐蚀、抗氧化性能优良的物
质覆盖于燃气轮机部件上，需要专门的步骤、装置以及劳动，必然具 有制造时间长的缺点。此外，还有在不必要的部位形成覆层以及在必 要的部位不适当地形成覆层的担忧。
本发明中，将LNG作为燃料使用时，优选使用的燃料添加剂是较 低温度下就能气化的硅有机化合物，例如正硅酸四乙酯(TEOS， (C2H5)4SK)4，沸点168匸)。这是由于，硅有机化合物在气化温度以上 时能够容易地与LNG混合，确保稳定地燃烧。
将汽油或煤油作为燃料使用时，优选使用的燃料添加剂是具有大 致相同粘度的硅油。这是由于，具有大致相同粘度的硅油与燃料容易 稀释，稀释的燃料能够稳定地燃烧。
另一方面，对于发电用大型燃气轮机而言，在第l级叶片中有空 气冷却孔，所以在向空气中通过喷雾施加硅有机化合物时，存在该化 合物从冷却孔流入而带来副作用的危险，因此，所添加的燃料量应对 稳定的燃烧没有影响，优选3%以内，最优选1%以内。
在上述燃气轮机高温部件上气相沉积的二氧化硅厚度优选为1 Hm到10nm，若超过10nm,则由于内部应力，很可能会从基底金属 或热障涂层剥离。
根据本发明实施覆盖时，气态或细微的固态硅氧化物沿着高温的 燃烧气流流动，与高温部件接触，所以能够在适当的部位高效地形成 覆层。
以下通过实施例对本发明进行更加详细地i兌明。但是，下面的实 施例仅出于对本发明进行说明的目的，本发明并不受下述实施例的限定。
实施例1 (形成覆层的燃烧试验)
本实施例中，作为燃气轮机使用的是图1A和1B所示的在模型飞 机中搭栽的超小型燃气轮机，它在135,000 rpm时的静止推力为13 kgf。该燃气轮^U的内部存在如图2A所示的燃烧室，如图2B所示， 是一种贯穿该燃烧室的、空气压缩(吸入)机与一体成型的涡轮连接 于同一轴上的结构。在燃气轮机工作状态下，使用丁烷气作为燃料， 从空气吸入机前方通过喷雾施加珪有机化合物TEOS，并与空气一起 流入燃烧室中。燃气轮机起动后，以25,000 rpm稳定工作，喷雾施加 的TEOS与空气一起燃烧，含C有机物被氧化并以CO、 C02和H:jO
等形式排出，TEOS中的Si成分净皮氧化并以SiOx (x=l~2)的形式 与白烟一起排出，如图3所示，确认涡轮叶片和排出口的内部已被均 匀地覆盖。而且，如图2A所示，燃烧室外部由于空气流入而未被覆 盖，内部用内窥镜检查(图4)，发现与涡轮的排出口一样形成了白色 的覆层。
实施例2 (覆层的电子显微镜分析)
图5是根据实施例1形成了覆层的涡轮叶片照片，可以看出在一 体成型的翼面上形成了均一的覆层，为进行断面分析，如图5所示将 其切断。利用日本电子社的扫描电子显樣i镜(Scanning Electron Microscopy: SEM ),对表面和断面的覆层分别进行分析。图6是在涡 轮叶片上形成的覆层的断面SEM照片(图6A)、硅成分图示(图6B) 以及氧成分图示(图6C)。如图6A所示，可以看出覆层由在基于镍的 合金母材上形成的大约2~3 jun厚的坚固的层和在其上形成的10 jim 以上的多孔性覆层组成。从图6B和图6C的成分图示中可以看出覆层 是硅氧化物。多孔性覆层即使在25,000 rpm以上的高速旋转中也不会 与母材剥离，由于含有空气，它起到了防止高温燃烧气(火焰)与基 底金属直接接触的热障涂层的效果，预期可提高燃气轮机部件的耐热 性。图7是图6A的覆层的外表面的SEM照片，可确认外表面变成多 孔性覆层。可发现这种多孔性覆层用高压水很容易洗净，最终如图8 所示，只留下在母材上形成的坚固的覆层。这张照片中，为了鲜明地 表示出涂覆部分，对母材进行浸蚀(etching )，可见被称为y'的四边形 析出物。
权利要求
1.一种利用燃料添加剂形成燃气轮机高温部件的抗腐蚀、抗氧化覆层的方法，其特征在于，为了提高燃气轮机高温部件的耐热性能，通过向燃气轮机燃料中添加含金属或半金属成分的气相或液相有机物，或者通过向燃烧气中喷雾施加所述有机物并在燃气轮机运转时共同燃烧，从而在燃气轮机运转中在暴露于燃烧气的高温部件表面上覆盖耐热性好的金属或半金属氧化物。
2. 权利要求1的利用燃料添加剂形成燃气轮机高温部件的抗腐 蚀、抗氧化覆层的方法，其特征在于，所述有机物为硅有机化合物。
3. 权利要求1的利用燃料添加剂形成燃气轮机高温部件的抗腐 蚀、抗氧化覆层的方法，其特征在于，所述燃气轮机高温部件为燃烧 缸、燃气轮机第l级叶片、第1级喷嘴、第2级叶片和第2级喷嘴。
4. 权利要求1的利用燃料添加剂形成燃气轮机高温部件的抗腐 蚀、抗氧化覆层的方法，其特征在于，所述燃气轮机高温部件覆盖了 硅钍钇矿稳定的氧化锆(YSZ)形成的热障涂层(TBC)。
5. 权利要求1的利用燃料添加剂形成燃气轮机高温部件的抗腐 蚀、抗氧化覆层的方法，其特征在于，所述燃气轮机燃料为LNG、汽 油或煤油。
6. 权利要求1的利用燃料添加剂形成燃气轮机高温部件的抗腐 蚀、抗氧化覆层的方法，其特征在于，所述有才几物的添加量在3%以 内的范围。
7. 权利要求1的利用燃料添加剂形成燃气轮机高温部件的抗腐 蚀、抗氧化覆层的方法，其特征在于，在所述高温部件上形成的金属 氧化物为二氧化硅。
8. 权利要求7的利用燃料添加剂形成燃气轮机高温部件的抗腐 蚀、抗氧化覆层的方法，其特征在于，在所述高温部件上形成的氧化 物的厚度为1 ~ 10 jim。
9. 权利要求2的利用燃料添加剂形成燃气轮机高温部件的抗腐 蚀、抗氧化覆层的方法，其特征在于，所述硅有机化合物为正硅酸四 乙酯(TEOS)。
10. 权利要求2的利用燃料添加剂形成燃气轮机高温部件的抗腐 蚀、抗氧化覆层的方法，其特征在于，所述硅有机化合物为硅油。
全文摘要
通过向用于维持燃气轮机运转的LNG、汽油或煤油等燃料添加含有硅等半金属成分的有机化合物，或者通过以其他方式向燃烧空气喷雾施加所述化合物并与燃料共同燃烧，提供一种在燃气轮机运转中在包括高速旋转的燃气轮机叶片在内的高温部件上有效地气相沉积二氧化硅等抗腐蚀、抗氧化物质，从而提高燃气轮机高温部件的寿命的方法。本方法的特征在于，硅有机化合物与燃料共同燃烧时生成二氧化硅，二氧化硅在暴露于高温燃烧气的所有燃气轮机高温部件上均匀地堆积，形成几微米乃至几十微米厚的氧化物覆层，从而在燃气轮机运转中形成抗腐蚀、抗氧化层。
文档编号C23C16/40GK101173349SQ20071016378
公开日2008年5月7日 申请日期2007年11月1日 优先权日2006年11月3日
发明者元钟凡, 张盛庸, 金珉泰 申请人:韩国电力公社