具有厚涂层的燃烧器衬套的制作方法

专利名称：具有厚涂层的燃烧器衬套的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及燃气轮机，尤其涉及燃气轮机燃烧器的衬套。
背景技术：
在一台燃气轮机内，空气在压气机内被压缩并在燃烧器内与燃料混合及燃烧。这些燃气流经一个高压涡轮，该涡轮从燃气中获得能量以驱动该压气机。在一台普通的飞机用涡扇式燃气轮机上，一个低压涡轮在高压涡轮后面，从燃气获得另外的能量以驱动一个上游的风扇。在船用和工业用燃气轮机上，是用低压涡轮驱动一个输出轴的。
一个通常的燃烧器包括径向的外套和内套，它们被一个在上游端的环状的钟形顶罩所连接起来，在它们之间形成了一个环状的燃烧室。这个钟形顶罩包括一些化油器，它们具有相应的燃料喷射器和空气旋流器，这些旋流器产生相应的燃料/空气混合物，这些混合物在燃烧室内点燃并产生燃气。
发动机的效率与燃气温度直接有关，这个温度被适当地限制以使燃烧器及其下游的热部件达到适当的寿命。现代化的耐高温超级合金已普遍用于燃烧器的衬套，并通常在其内部表面涂一层隔热涂层(TBC)加以保护，免受热的燃气影响。传统的隔热涂层是陶瓷材料，它对直接暴露在热的燃气中的燃烧器的内表面起到热绝缘层的作用。
燃烧器的衬套被压气机所提供的压缩空气进一步冷却。燃烧器衬套的冷却有各种方式，它们通常沿内表面在隔热涂层上产生膜式冷却。在一个普通的燃烧器设计中，冷却点核(nugget)或环与环形衬套板连接在一起以引导膜式冷却空气沿衬套的全部圆周流动。一个普通的冷却点核包括一个径向桥，它把一个前板的后端连接到下一个，或后板的前端。一个唇部轴向向下游或从前板的后端向后延伸，并伸出下一个板的前端或上游端以形成一个冷却槽，它绕衬套在圆周方向延伸。
冷却点核包括一孔入口，它从压气机接受压缩空气。该冷却空气流经点核槽并在那里的后端处的环形出口出来。
衬套加工好以后，涂上隔热涂层。首先把多个板与在它们之间的对应的冷却点核端部与端部轴向相连接。隔热涂层采用传统的方法以相当薄并且非常均匀，例如大约仅为0.4mm的厚度喷涂在燃烧器内部表面。因为这个点核唇部伸出在下一个邻近的或后板上方，唇部本身的内部表面被覆盖以隔热涂层，但是槽本身的内部被鱼鳞板保护并没有被隔热涂层所覆盖。
但是，隔热涂层实质上从板到板是沿着暴露在燃气中的内表面是连续的，并且冷却空气被引导流经点核，这就进一步保护冷却点核免受热的燃气影响。从点核排出的冷却空气沿板的内表面的隔热涂层流向下游提供一个连续的冷却空气膜，它把燃烧器衬套与热的燃气在热的方面隔开，并与隔热涂层合作提供对衬套的超级合金基底金属的加强保护。
虽然发动机效率可以靠提高燃气的温度而提高，以固定的空气流量对燃烧器进行冷却的能力却是有限的。另外，要求减少提供给燃烧器衬套的冷却空气以减少Nox的排放量。
虽然可以增加传统的隔热涂层的厚度，但这样较厚的涂层可能影响冷却点核的性能并降低它们的冷却效果。例如，冷却点核的入口的口径通常要按大小分类以计量或控制流经冷却点核的冷却空气的流量。槽的出口在流动面积上适当地大些以保证冷却空气从点核畅通地排出来。
因为冷却点核的尺寸最好有限制，以便对燃烧器的尺寸和重量有所限制，在衬套上采用较厚的隔热涂层可以按需要阻挡来自点核流体排出。不在燃烧器衬套上采用这样均匀厚度的隔热涂层，燃烧器衬套就不能被均匀地保护免受热燃气影响。
由此，要求有一种具有较厚隔热涂层的经改进了的燃烧器衬套，既可加强热保护又不会影响点核的性能。
发明概述一个燃烧器衬套包括在一个点核处互相连接在一起的一些板，这个点核包括一个桥和一个从那里延伸的唇部。这个唇部确定了一个其终端在一个出口处的槽。隔热涂层以规定厚度覆盖板和唇部的内表面。这唇部在槽的出口具有一个远端，这个出口与槽的涂层后部隔开，其相隔距离小于涂层的规定厚度。
附图简述以下将结合附图按照优选的和示例性实施例详细说明本发明，以及它的其他目的及优点，其中

图1是一个燃气轮机的一个示例性环状燃烧器的一部分的轴向断面图。
图2是图1中燃烧器外衬套的一部分沿2-2线取的等角、轴向断面图。
图3是按照一个实施例的图2中所显示的冷却点核的一个放大的轴向断面图。
图4是按照另一个实施例的图2中的衬套的另一个冷却点核的轴向断面图。
本发明的详细说明图1显示的是一个环状燃烧器10，它绕一个纵向或轴向中心轴12是轴对称的。该燃烧器适当地安装在一个燃气轮机上，该燃气轮机具有多级轴向压气机(未显示)，用于在运转中对空气14进行压缩。一排化油器16把燃料18导入燃烧器，在那里被点燃以产生燃气20，它通过燃烧器流向下游。
高压涡轮的涡轮喷嘴22位于燃烧器的出口端以接收燃气，这些燃气通过一排高压涡轮转子叶片(未显示)被重新导向，该涡轮转子叶片推动轮盘和轴旋转以驱动上游的压气机。一个低压涡轮(未显示)通常用于获取额外的能量，在一个典型的飞机用涡扇燃气轮机上用于驱动一个上游的风扇，或在一个典型的船用和工业用燃气轮机上用于驱动一个输出轴。
图1中所示的示例性燃烧器10包括一个环状、径向外衬套24，以及一个从那里径向向内间隔的环状径向内衬套26，在它们之间形成一个环状燃烧室，燃气20就流经该燃烧室。两个衬套24，26的上游端被环状的钟形顶罩连接在一起，在该钟形顶罩上适当地安装了化油器16。
两个衬套24，26具有内表面，分别是凹形的和凸形的，它们直接面对燃气20，并且有相似的形式。因此，认识到它们相对于由它们所形成的燃烧室的径向外部和内部位置，对外套24的以下描述也适用于内套26。
外套24的一部分在图2中比较详细地说明了，并且也代表了在图1中所说明的内套26，只是其相对位置相反。这些衬套的每一个包括一组环形段或环形板28，它们在整体冷却点核30处连接在一起。各个板28是传统结构的薄的圆柱形或锥形环，以用于特殊的燃烧室设计。这些冷却点核30本身是局部放大区，在那里轴向相邻的板28连接在一起以引导从压气机过来的冷却空气14作为膜式冷却空气，沿两个衬套24，26的内表面围住热的燃气而流动。
如图2所示，每个冷却点核30包括一个径向延伸的桥32，它把一个前板的下游端或后端整体连接到下一个邻近的下游或后板的上游端或前端。板28是传统的并在轴向上端部与端部相连接，任何两个相邻的板在此处被描述为从燃烧器的上游前端到燃烧器的下游后端依次重复的前板或后板。
一个轴向唇部34从桥处的前板的远端向后延伸并从下一个或后板的近端向内间隔，以在它们之间在径向上形成一个槽36，在它的后端处有一个出口38。
图3和图4更加详细地说明了两种形式的冷却点核30，它们可以用于与相邻的板28在轴向上整体相连接。因为板28是全环，相应的冷却点核30本身也是全环，桥32和唇部34绕整个点核在圆周方向上延伸，而点核的出口38成为一个在环槽36的后端处的全环。
如图2所示，每一个点核包括一孔入口40用于接受从压气机来的冷却空气14，然后这些冷却空气又被引导流经相应的点核槽36从环状出口38以一个连续的环状冷却空气膜的形式排出，然后它沿板的内表面流向下游。各个板28的轴向长度的选择使得能保证冷却空气膜有适当的强度，这个冷却空气膜在相邻的板之间的每个点核处被重新引导或重新被增加能量。
如图2-4所示，每个板28包括面对热的燃气的内表面，这个内表面覆盖以一层隔热涂层42，这个隔热涂层沿板的大部分，沿对应的唇部34，以及沿槽的出口38的后部具有均匀的规定厚度A。这个隔热涂层可以具有任何传统的成分，通常是陶瓷材料，如用钇稳定的氧化锆，用传统的喷嘴44以一个传统的喷涂工艺进行喷涂。喷涂材料通常分几层喷涂在燃烧器的衬套上，一直到达到适当的厚度。
如在前面背景段落中所介绍的，燃烧器衬套，如图1中具有隔热涂层的外套24和内套26的涂敷过程是传统的，其涂层通常是相当薄。但是，在燃烧器衬套上喷涂较厚的隔热涂层能够很容易影响冷却点核的功能，但如下所述的符合图3和图4中说明的两个优选的实施例除外。
在这两个实施例中，相应的唇部34在槽的出口38处具有远端，它与槽的后部的涂层42相隔，在它们之间的横向间距为B，它小于涂层的规定厚度A。例如，隔热涂层42可以涂得相当厚，其规定厚度A大约1.1mm。在点核唇部与下游涂层之间的横向间距B小于这个规定厚度，例如可以是大约0.8mm。
为了充分地保护燃烧器衬套24，26，隔热涂层42应该以相当均匀的厚度涂抹在内表面上，尽管其面积很大。但是，随着隔热涂层厚度的增加，在不让隔热涂层的隔热性能受影响的情况下，结构形式必须调整以防止影响冷却点核。
随着隔热涂层42厚度的增加，在涂层与点核唇部34远端之间的横向间距B必须配合以防止影响流体从冷却槽流出。那排点核或槽入口40具有一个汇流面积，它最好小于在相邻的隔热涂层处的环状槽出口38的流动面积。
因此，槽入口40的大小可以计量或控制冷却空气通过槽36的流量，槽的出口面积适当地较大，例如约大10％，以保证不受障碍地流出。这个槽出口40因此可以正确地计量流经槽的入口流量，槽出口和隔热涂层的下游横向间距B足够大以保证点核有适当的冷却性能。
因此，隔热涂层可以以要求的相当厚的规定厚度A，均匀地喷涂在板的整个表面上，冷却点核的内部除外，它们缺乏隔热涂层，并且在槽的出口处隔热涂层具有适当的过渡。
图1中发动机的设计以及特定的燃烧器结构设计控制了外套和内套24，26的几何尺寸。相应地，各个冷却点核30的几何形状和结构也受燃烧器设计的控制并因此也是固定的。这隔热涂层在燃烧器结构固定好以后再喷涂并且必须与现有的冷却点核配合工作，而不对性能造成负面影响，或对点核所确定的接合点处板的隔热能力产生负面影响。
例如，如图3所示，点核槽36具有一个固定的几何尺寸，包括在槽出口38处的一个径向的或横向的高度C。相应地，隔热涂层具有一个厚度A，它相当的厚，大约是槽的高度C的一半。
在一个示例性实施例中，槽高度C大约是2.3mm，涂层厚度大约是1.1mm。涂层A的厚度大约从槽高度C的40％到60％，而不过分妨碍从槽出口出来的流动，或降低它的隔热性能。
如图3所示，板28相当地薄并在局部放大的冷却点核30的后部具有均匀的厚度D。一个典型的板的厚度大约是1.27mm，而涂层42的厚度可以与板的厚度大约相等。然而传统的隔热涂层实质上比下面的基底层或板更薄，隔热涂层42可以喷涂得相当厚并接近板本身的正常厚度D。
图3所示的伸出或唇部34的实施例包括一个在槽出口38处其厚度减少到E的斜度，并且隔热涂层42比唇部的厚度E更厚。在一个示例性实施例中，唇部厚度E大约是0.8mm，而涂层的厚度A少许大一些。
图3中冷却点核槽36还具有一个轴向长度F，它与槽的高度C形成大约是2.8的长-高-比。点核的这个长高比再被燃烧器的几何尺寸所固定，以加强性能，并且隔热涂层42在远端最好比有涂层的唇部34更厚。并且，涂层42的厚度大约是槽高度的一半，如上所述。
由此，尽管连接相对应的前、后板28的冷却点核具有最好的和固定的几何尺寸，隔热涂层42仍然可以以相当厚的厚度喷涂在板上，而保证一个有阻碍的槽出口，在那里的唇部的远端与涂层下游间隔，其间距小于那里的规定厚度。
注意到图1中的两个衬套在轴向相邻的板上具有类似的结构，具有共同结构的冷却点核。但是，冷却点核本身在传统结构上具有入口40的不同的方向。例如，冷却点核入口40可以是轴向方向，以有利于开始形成冷却空气膜，或也可以是径向方向以便为伸出的唇部本身提供加强的冲击冷却。
图3比较详细地说明了第1冷却点核，它在图2中显示的衬套的上游端。点核入口40以少许的倾斜度朝向唇部的面对面通过桥32而轴向延伸。这样，冷却空气14以一股射流轴向通过该桥，它以轴向下游方向掠过唇部通过环状出口38而排出。相应地，隔热涂层42在下一个或后板开始或终结，在该板的前缘处有一个斜面，在那里这个前缘的厚度增加到涂层的规定厚度。
隔热涂层42的前缘斜面是小角度的，斜角G大约是45°，它可以适当地变得更小和更大。如果斜面斜角太小，距点核下游的隔热涂层厚度将小于规定厚度A，而在热防护方面产生相应的局部损失。如果前缘斜面太钝，从冷却槽出来的冷却空气可能会产生不希望的停滞现象。
冷却点核后部的隔热涂层的小斜角的起始斜面最好在直接邻近于槽出口38处起始，而终止于与唇部远端间隔距离小于涂层规定厚度A处。这样，涂层斜面在槽出口处立即开始，其厚度迅速增加到隔热涂层所要求的规定厚度A，并且都在槽出口的适当短的距离内，因此由于通过槽流出的膜冷却空气与在那里的下游处立即采用隔热涂层相配合，可以最大程度地对板进行热防护。
图4显示了图2中的第2排冷却点核的放大视图。在这结构中，点核入口40横向延伸或基本上垂直于通过确定冷却点核的后板28的前端，该冷却点核对着前板的配合唇部34。在这种结构中，冷却空气14被径向向内引导，朝向相对的唇部34以对内表面进行冲击冷却，以进行加强的传热冷却。
相应地，隔热涂层42在起始于后板上，而这后板的前缘具有钝的台阶。这个钝的台阶具有一个相应的斜角G，它最好略小于大约90°并且可以减小到大约85°。
虽然图3的实施例中，小斜角的斜面具有大约45°的斜角G，图4的实施例中钝的台阶具有几乎是垂直的斜角，约85°。图3中的小斜角的斜面与轴向入口40相配合；但是图4中的钝的台阶与横向的入口40相配合，这些孔40提供对唇部的冲击冷却，接下来是已经使用过的冲击空气侧向，或轴向在隔热涂层起始处的上方向下游排出。
在图4的实施例中，前缘涂层台阶在后部距槽出口38间隔适当的轴向间距H。尤其是，该前缘台阶最好距唇部34的远端的间距小于隔热涂层的规定厚度A。例如，该间距H可以是大约0.8mm，它略小于涂层的规定厚度1.1mm。
因此，尽管涂层42在槽出口处有钝的前缘、在唇部的远端与涂层钝的前缘之间的横向间距B可以保持得相当小，并且小于涂层的规定厚度A，而不阻碍使用过的冲击空气从冷却点核槽36流出。在点核入口40的汇流面积小于在唇部与钝的涂层前缘之间的出口流动面积的情况下，这些入口还保持它们的计量能力。
图3和图4还示意性地显示了使用传统喷嘴44以在燃烧器衬套板的内表面上进行空气等离子喷涂隔热涂层材料42的较好的方法。在图3中，喷嘴44有适当的定向，以把点核唇部34本身用作一个遮蔽和保护点核槽36的内表面的防护罩，防止隔热涂层在那里积累。相应地，唇部本身的遮蔽保护使得能在槽出口处积累起隔热涂层的小斜角前缘斜面。
在图4中，喷嘴44的朝向可以更加垂直于点核唇部34，以形成隔热涂层的钝的前缘台阶，这个隔热涂层起始于唇部远端稍后的地点。
在图3和图4的两种结构中，喷嘴44在轴向适当地平移以在衬套板的整个内表面上产生几层隔热涂层，以便在那里达到要求的相当均匀和厚的涂层。
如图1所示，燃烧器的每个外、内套24、26在对应的环状冷却点核30处在轴向依次连接在一起。如图3所示的冷却点核中的一个可能包括贯穿桥32的轴向入口40，以通过槽出口在轴向排出冷却空气，并依次在小斜角的前缘斜面上方流过，这个斜面是邻近槽出口38的隔热涂层42的起始处。
另一个冷却点核30可能包括横向或垂直的入口40，如图4所示，它在桥32的后部并对着唇部34。在这个结构中，垂直入口40引导冷却空气冲击唇部34，而使用过的冲击空气从槽出口轴向排出在钝的前缘台阶上方流过，这台阶是在槽出口38后部的隔热涂层42的起始处。
图3和图4中的两种结构使得在特殊的冷却点核与厚的隔热涂层之间具有加强的配合。这两种结构的涂层可以具有同样的规定厚度，但是取决于点核入口40的朝向而在槽出口处不同地起始，可以是轴向通过桥32，也可以横向通过与伸出的唇部相对的板。
隔热涂层的位置紧邻各自的冷却点核，以保持来自较厚的涂层的加强的热保护，而不妨碍点核本身的适当的流动性能。在这两种结构中，点核入口40计量通过点核的进入流量而不被它下游的厚的隔热涂层所影响。
槽出口后部的隔热涂层的特殊结构的前缘减少或消除了从点核排出的冷却空气的流动停滞，以便在隔热涂层本身下游的上方产生有效的膜冷却。并且在冷却点核与下游板上隔热涂层的起始处之间的直接过渡处，充分厚度的隔热涂层的短期失效并不降低衬套的冷却效果。
要注意的是，燃烧器衬套的冷却性能不比在任何特定的位置处的最小的冷却性能更好。在图3，图4中的槽出口处的均匀的隔热涂层的这两个过渡形式在其他情况下对衬套的热保护与喷涂较厚的隔热涂层相同。
由此，如此配置了增加了厚度的隔热涂层与相应的冷却点核相配合，整个燃烧器的外套以及内套就获得了加强的热保护，因此可以相应地提高燃气温度以便提高工作效率和减少NOx排放；或在相同性能下可减少膜冷却空气。
虽然本文已经叙述了那些被认为是本发明的优选的和示例性实施例，业内人士显然可以根据本文的说明而对本发明作出其他的改进，因此希望在所附的权利要求书中确保落在本发明的实际精神和范畴内的所有这些修改。
由此，被Letters Patent of the United States所要求的保护是在以下权利要求中规定和区分的本发明，其中我提出以下
权利要求
Docket GE126465零部件表10 燃烧器12 中心轴14 压缩空气16 化油器18 燃料20 燃气22 涡轮喷嘴24 外衬套26 内衬套28 板30 点核32 桥34 轴向唇部36 槽38 出口40 入口42 隔热涂层44 喷嘴
权利要求
1.一种燃烧器衬套(24，26)，包括在冷却点核(30)处连接在一起的前板和后板(28)，包含一个整体桥(32)，该桥有一个唇部(34)，从上述前板向后延伸并与上述后板相间隔以界定一条槽(36)，该槽在一个出口(38)内终止；以规定厚度覆盖上述板(28)和唇部(34)的内表面的一个隔热涂层(42)；及上述唇部(34)在上述槽出口(38)处具有一个远端，该出口与上述槽后部的上述涂层(42)的间距大致小于上述涂层的规定厚度。
2.权利要求1所述的一种衬套，其特征在于上述槽(36)在上述槽出口(38)处有一个高度，并且上述涂层的厚度大约等于上述槽高度的一半。
3.权利要求2所述的一种衬套，其特征在于上述唇部(34)在上述槽出口处(38)有一个厚度，并且上述涂层的厚度大于上述唇部的厚度。
4.权利要求3所述的一种衬套，其特征在于上述冷却点核(30)包含一孔入口(40)，配置成与上述槽(36)在流动上连通，以引导冷却空气流经该槽；并且上述点核入口(30)的汇流面积小于上述涂层(42)处的槽出口(38)的流动面积。
5.权利要求4所述的一种衬套，其特征在于上述后板(28)具有上述点核(30)后部的厚度，并且上述涂层与上述板的厚度大致相同；并且上述槽(36)具有一个大约是2.8的轴向长高比，并且上述涂层比其上的上述唇部(34)厚，其厚度等于上述槽出口(38)后部的上述槽高度的大约一半。
6.权利要求5所述的一种衬套，其特征在于上述点核入口贯穿上述桥(32)而轴向延伸，上述后板上的涂层(42)以斜面起始。
7.权利要求6所述的一种衬套，其特征在于上述涂层斜面起始于上述槽出口(38)附近，以大约45°的小角度倾斜，并且在与上述唇部远端的间距约小于上述涂层规定厚度处终止。
8.权利要求5所述的一种衬套，其特征在于上述点核入口(40)贯穿与上述前板的上述唇部(34)对置的上述后板(28)而横向延伸，并且上述后板上的涂层(42)以钝的台阶起始。
9.权利要求8所述的一种衬套，其特征在于上述涂层的台阶在后部与上述槽出口相间隔，与上述唇部远端的间隔约小于上述涂层的规定厚度。
10.权利要求5所述的一种衬套，其特征在于还包括在对应的环状冷却点核(30)处依次连接在一起的多个环状板(28)；一个包含贯穿上述桥(32)的轴向入口(40)的冷却点核，以便从上述槽出口(38)沿小角度斜面排出所述冷却空气，该小角度斜面起始于上述槽出口(38)附近的上述隔热涂层(42)；和另一个冷却点核(30)包含与上述唇部(34)对置的上述桥(32)后部的横向入口(40)以使上述冷却空气冲击所述唇部，而从上述槽出口沿一钝台阶排出，该钝台阶起始于上述槽出口后部的上述隔热涂层。
全文摘要
一个燃烧器衬套(24，26)包括在点核(30)处连接在一起的一些板(28)，这些点核包括一个桥(32)及一个从那里延伸的唇部(34)。该唇部(34)形成一个槽(36)，它在一个出口(38)处终止。隔热涂层(42)以规定厚度覆盖板(28)和唇部(34)的内表面。该唇部(34)在槽出口(38)处具有一个远端，它与槽后部的涂层的间距小于涂层的规定厚度。
文档编号F23R3/00GK1629541SQ20041007848
公开日2005年6月22日 申请日期2004年9月10日 优先权日2003年9月10日
发明者M·A·麦克马斯特斯 申请人:通用电气公司