ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА С ОБЛИЦОВАННЫМ КЕРАМИЧЕСКИМИ КАМНЯМИ КОРПУСОМ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ Российский патент 2002 года по МПК F02C7/24 F23R3/00 

Изобретение относится к газотурбостроению.

Известна газотурбинная установка, содержащая корпус камеры сгорания, облицованный на внутренней стороне массивными керамическими камнями, имеющими на своей поверхности покрытие, ротор, снабженный лопатками, и кожух, также снабженный направляющими лопатками (см. GB 602149, Нкл. 51(i), 1948).

Для реализации очень высоких температур на входе корпуса камер сгорания, в частности их пламенные трубы, в современных газовых турбинах выполняют с возможностью их предельной тепловой нагрузки. Для этой цели внутренние стенки могут быть покрыты керамическими изолирующими слоями или снабжены щитом из массивных керамических камней.

К тому же лопатки турбинной части газотурбинных установок, в частности лопатки соседних с камерой сгорания ступеней, часто снабжены керамическими термобарьерными слоями в качестве теплозащитных слоев, которые, например, состоят из стабилизированных оксидом иттрия слоев оксида циркония.

Опыты показали, что при использовании массивных керамических камней для облицовки камеры сгорания в связи с лопатками турбины, снабженными восприимчивыми керамическими термобарьерными слоями, эти термобарьерные слои подвержены сильному механическому износу.

В основе настоящего изобретения лежит поэтому задача принятия в газовой турбине описанного выше рода мер с тем, чтобы, с одной стороны, защитить камеру сгорания и лопатки от тепловой перегрузки, а с другой стороны, увеличить срок службы лопаток турбины.

Задача решается согласно изобретению за счет того, что в газотурбинной установке, содержащей корпус камеры сгорания, облицованный на внутренней стороне массивными керамическими камнями, имеющими на своей поверхности покрытие, ротор, снабженный лопатками, и кожух, снабженный направляющими лопатками, покрытие непосредственно нанесено на керамические камни и имеет верхний тепло- и коррозионно-защитный слой из керамики и нижний слой, связывающий и повышающий адгезию, при этом, по меньшей мере, первые лопатки на стороне турбины несут керамический теплоизолирующий слой. Покрытие может состоять из металлического материала, нанесенного, в частности, плазменным напылением. Покрытие может быть выполненным в виде керамического слоя. Покрытие керамических камней может быть многослойным.

Керамические камни обладают по сравнению с жарозащитными щитами-плитами из других материалов, например суперсплавов, тем преимуществом, что возможны и допустимы более высокие температуры материала. Только крепежные элементы камней необходимо охлаждать. Это приводит, например, вследствие более высоких допустимых температур материала к тому, что попадающие на поверхность облицовки камеры сгорания не полностью сгоревшие частицы дымовых газов там полностью сгорают и за счет этого в отходящих газах образуется меньше токсичного СО (моноксид углерода), поскольку он преобразуется в нетоксичный CO₂ (диоксид углерода). К тому же для сжигания дополнительно имеется меньше требуемого охлаждающего воздуха по сравнению с металлическими облицовками. Благодаря этому возникает более низкая температура пламени, и образуется заметно меньше оксидов азота, которые по известным причинам дополнительно загрязняют окружающую среду. Таким образом, как с точки зрения КПД, так и с точки зрения защиты окружающей среды облицовка камеры сгорания массивными керамическими камнями желательна. При использовании таких керамических строительных камней возникает, однако, проблема, заключающаяся в том, что от их поверхности могут отделяться частицы, которые из-за высокой относительной скорости между потоком дымовых газов и лопатками действуют на них подобно снарядам и обладают сильным абразивным действием.

Покрытие керамических камней согласно изобретению эффективно предотвращает отделение таких частиц от поверхности керамических камней. Особенно оптимальным при этом представляется покрытие керамических камней перед размещением в корпусе камеры сгорания. Покрытие должно быть выполнено для этого так, чтобы обеспечить хорошее сцепление с керамическими камнями и высокую прочность слоя, с тем чтобы избежать отслаивания при тепловых знакопеременных нагрузках. Покрытие керамических камней образует тем самым слой для фиксации поверхностных частиц. Таким образом, обеспечивается использование керамических термобарьерных слоев на лопатках в сочетании с массивными керамическими камнями в качестве облицовки камеры сгорания.

Один вариант изобретения предусматривает, что покрытие состоит из металлического материала и нанесено, в частности, плазменным напылением в вакууме (VPS).

Для этого могут применяться различные, обрабатываемые способом VPS коррозионно-защитные слои, например типа MCrAlY, где М обозначает Ni или Co.

Также можно было бы использовать комбинированное покрытие из металлического связующего слоя в качестве повышающего адгезию средства с вышележащим керамическим покрывающим слоем. Керамический покрывающий слой может быть предпочтительно нанесен плазменным напылением на воздухе.

В случае отказа от связующего слоя, нанесенного способом VPS, возможно также непосредственное покрытие камней керамическими слоями.

Небольшое различие коэффициента теплового расширения между керамическими камнями и керамическим покрытием, нанесенным способом APS, оптимально сказывается при этом на стойкости к тепловой знакопеременной нагрузке. Выполнение одного керамического слоя в качестве термобарьерного слоя обладает тем дополнительным преимуществом, что потребность в охлаждающем воздухе облицовкой камеры сгорания еще больше снижается. В качестве керамических покрытий возможны при этом обычные теплоизолирующие слои, например Yr₂O₃ - стабилизированный ZrO₂ или же SiO₂ или Al₂O₃.

Изобретение может быть реализовано также за счет того, что керамический покрывающий слой нанесен плазменным напылением на воздухе (APS).

Способ APS представляет собой более экономичную альтернативу способу VPS.

В частности, по тепловым причинам или по причинам более высокой прочности слоя может быть предпочтительным также многослойное покрытие керамических камней.

В целом, как связующий слой, так и внешнее покрытие может быть выполнено в виде градированного слоя, у которого характер теплового расширения и химический состав постоянно изменяются по толщине слоя.

Ниже изобретение описано на примере его выполнения с помощью чертежа, на котором изображают
на фиг. 1 - схематично продольный разрез части газовой турбины;
на фиг. 2 - схематично разрез стенки корпуса камеры сгорания с измененным соотношением размеров с тем, чтобы показать покрытие.

На фиг. 1 схематично в продольном разрезе изображена газотурбинная установка согласно изобретению с кожухом 1, в котором закреплены неподвижные направляющие лопатки 3, 4, и с ротором 2, на котором закреплены направляющие лопатки 5, 6. В корпусе 7 камеры сгорания впрыскиваемое через горелки 14, 15 топливо сжигают с воздухом из компрессора 16. В качестве компрессора 16 при этом обозначена входная часть газотурбинной установки, в которой поступающий воздух (стрелки 17, 18) сжимается перед поступлением в камеру 7 сгорания.

Расширение газов сгорания приводит турбину. Посредством соединительного вала 19 приводится генератор 20 для вырабатывания электрической энергии.

На фиг. 2 упрощенно в сечении изображен участок поверхности кольцевой камеры сгорания. Посредством крепежных элементов 8, 9 керамические камни 10 закреплены на стенке 11 корпуса камеры сгорания, состоящей, например, из металла. Керамические камни 10 состоят, например, из оксида кремния или оксида алюминия.

На фиг. 2 покрытие керамических камней 10 изображено в увеличенном виде в два слоя, из которых нижний слой образует связующий слой (Bondcoat) 12, а верхний слой - керамический слой 13, обладающий особенно высокой адгезией со связующим слоем 12. Сообща слои 12, 13 образуют прочный, покрывающий керамические камни 10 слой, который связывает частицы, отделившиеся от поверхности керамических камней 10. Такие частицы не могут, следовательно, оказать эродирующего действия на термобарьерный слой турбинных лопаток корпуса или же ротора. Повышающий адгезию слой 12 состоит при этом преимущественно из сплава металл - хром - алюминий - иттрий (MCrAlY), тогда как теплоизолирующий слой 13 - преимущественно из стабилизированного оксидом иттрия оксида циркония, SiO₂ или Al₂O₃.

В области 21 фиг. 2 в качестве примера изображено однослойное покрытие 22 керамического камня, причем покрытие состоит из керамики.

Газотурбинная установка содержит корпус камеры сгорания, облицованный на внутренней стороне массивными керамическими камнями, имеющими на своей поверхности покрытие, ротор, снабженный лопатками, и кожух, снабженный направляющими лопатками. Покрытие непосредственно нанесено на керамические камни и имеет верхний тепло- и коррозионно-защитный слой и нижний слой, связывающий и повышающий адгезию. По меньшей мере, первые лопатки на стороне турбины несут керамический теплоизолирующий слой. Покрытие может состоять из металлического материала, может быть многослойным или выполненным в виде керамического слоя. Изобретение позволяет защитить камеру сгорания и лопатки от тепловой нагрузки и увеличить срок службы лопаток турбины. 3 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Газотурбинная установка, содержащая корпус камеры сгорания, облицованный на внутренней стороне массивными керамическими камнями, имеющими, на своей поверхности покрытие, ротор, снабженный лопатками, и кожух, снабженный направляющими лопатками, отличающаяся тем, что покрытие непосредственно нанесено на керамические камни и имеет верхний тепло и коррозионно-защитный слой и нижний слой, связывающий и повышающий адгезию, при этом, по меньшей мере, первые лопатки на стороне турбины несут керамический теплоизолирующий слой. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что покрытие состоит из металлического материала и нанесено, в частности, плазменным напылением в вакууме. 3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что покрытие выполнено в виде керамического слоя. 4. Установка по п. 1, или 2, или 3, отличающаяся тем, что она имеет многослойное покрытие керамических камней.