Способ и устройство удержания расплавленного материала в процессе горения в газотурбинном двигателе (варианты) - RU2115812C1
Код документа: RU2115812C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к теплотехнике и касается технологии конструирования покрытий, используемых для удержания расплавленного материала в пределах оболочки газотурбинных двигателей.
Известен способ предотвращения проникновения горящего материала, вытесненного из газотурбинного двигателя в субстрат, окружающий по меньшей мере часть двигателя, имеющий внутреннюю и внешнюю поверхности (FR, акцептованная заявка на патент N 2560641, кл. F 02 C 7/25, опубл. 1985).
Однако такой способ существенно увеличивает массу двигателя и требует дополнительного пространства для размещения защитных устройств.
Технический результат от реализации описываемого способа заключается в существенном уменьшении массы двигателя и в сокращении дополнительного пространства для размещения защитных устройств.
Этот технический результат достигается тем, что при реализации способа предотвращения проникновения горящего материала, вытесненного из газотурбинного двигателя в субстрат, окружающий по меньшей мере часть двигателя, имеющий внутреннюю и внешнюю поверхности, наносят на внутреннюю поверхность субстрата покрытие со связующим, и плазменным напылением наносят на покрытие, имеющее температуру плавления, превышающую температуру горящего материала и температуру плавления материала субстрата.
При реализации такого способа покрытие со связующим могут выполнять из сплава Ni-Co-Cr-Al-V.
В последнем случае реализации описываемого способа термоизоляционное покрытие могут выполнять в виде покрытия из стабилизированного циркония.
При этом субстрат может включать титан и титановые сплавы, а также может иметь температуру плавления ниже температуры плавления термоизоляционного защитного покрытия.
Известен способ предотвращения в газотурбинном двигателе проникновения горящего материала, вытесненного из внутреннего кожуха диффузора во внешний кожух двигателя, включающий нанесение на элементы конструкции двигателя защитного покрытия (FR, акцептованная заявка на патент N 2560641).
Однако такой способ также существенно увеличивает массу двигателя и требует дополнительного пространства для размещения защитных устройств.
Технический результат от реализации описываемого такого способа заключается в существенном уменьшении массы двигателя и сокращении дополнительного пространства для размещения защитных устройств.
При реализации последнего из вышеуказанных способов, здесь описываемых, такой технический результат достигается тем, что в случае реализации способа предотвращения в газотурбинном двигателе проникающего горящего материала, вытесненного из внутреннего кожуха диффузора во внешний кожух двигателя, включающего нанесение на элементы конструкции двигателя защитного покрытия, на внутреннюю поверхность внешнего кожуха двигателя наносят покрытие со связующим для оказания препятствующего воздействия проникновению горящего материала, вытесненного из внутреннего кожуха диффузора во внешний кожух двигателя, и на покрытие со связующим наносят термоизоляционное покрытие, имеющее температуру плавления, превышающую ожидаемую температуру горящего материала и температуру плавления внешнего кожуха двигателя.
При реализации последнего из вышеописываемых способов покрытие со связующим могут выполнять из сплава Ni-Co-Cr-Al-V.
В последнем случае реализации этого способа термоизоляционное покрытие могут выполнять в виде покрытия из стабилизированного циркония.
При этом внешний кожух двигателя может включать титан и его сплавы, а также может иметь температуру плавления ниже температуры плавления покрытия со связующим.
Известно также устройство для предотвращения утечки горящих материалов из газотурбинного двигателя, содержащее субстрат, окружающий по меньшей мере часть двигателя и имеющий внутреннюю и внешнюю поверхности (FR, акцептованная заявка на патент N 2560641).
Однако использование такого устройства существенно увеличивает массу двигателя и требует дополнительного пространства для размещения защитных устройств.
Технический результат от реализации описываемого устройства заключается в существенном уменьшении массы двигателя и в сокращении дополнительного пространства для размещения защитных устройств.
Такой технический результат достигается тем, что устройство для предотвращения утечки горящих материалов из газотурбинного двигателя, имеющее субстрат, окружающий по меньшей мере часть двигателя и обладающий внутренней и внешней поверхностями, содержит нанесенное на внутреннюю поверхность субстрата покрытие со связующим, на которое нанесено плазменным напылением термоизоляционное покрытие, имеющее температуру плавления, превышающую охлаждаемую температуру горящего материала и температуру плавления материала субстрата.
У такого устройства покрытие со связующим может быть выполнено из сплава Ni-Co-Cr-Al-V.
В последнем случае реализации описываемого устройства его термоизоляционное покрытие может быть выполнено в виде покрытия из стабилизированного циркония.
Кроме того, в случае выполнения покрытия со связующим из сплава Ni-Co-Cr-Al-V у такого описываемого устройства субстрат может включать внешний кожух компрессора, причем внешняя поверхность субстрата может определять внешнюю поверхность газотурбинного двигателя, а внешний кожух компрессора может включать титан и титановые сплавы.
Наряду с этим известно также устройство для предотвращения утечки горящих материалов из газотурбинного двигателя, содержащего внутренний кожух диффузора и внешний кожух двигателя, имеющий внутреннюю и внешнюю поверхности, субстрат, окружающий часть внутреннего кожуха диффузора, причем субстрат имеет внутреннюю поверхность, размещенную с зазором относительно внутреннего кожуха диффузора, и внешнюю поверхность (FR, акцептованная заявка на патент N 2560641).
Однако такое известное устройство также существенно в случае его применения увеличивает массу двигателя и требует дополнительного пространства для размещения защитных устройств.
Технический результат от реализации описываемого здесь другого устройства заключается в уменьшении массы двигателя в в случае применения такого устройства и в сокращении дополнительного пространства для размещения защитных устройств.
Такой технический результат при реализации другого из вышеупомянутых устройств достигается тем, что устройство для предотвращения утечки горящих материалов из газотурбинного двигателя, содержащее внутренний кожух диффузора и внешний кожух двигателя, имеющий внутреннюю и внешнюю поверхности, субстрат, окружающий часть внутреннего кожуха диффузора, при наличии у такого субстрата внутренней поверхности, размещенной с зазором относительно внутреннего кожуха диффузора, и внешней поверхности также содержит защитное изоляционное покрытие, нанесенное на внутреннюю поверхность субстрата, причем защитное покрытие имеет температуру плавления, превышающую ожидаемую температуру горящего материала и температуру плавления субстрата, и обладает термоизоляционными свойствами.
У такого устройства защитное изоляционное покрытие может содержать покрытие со связующим, на которое плазменным напылением нанесено термоизоляционное покрытие, имеющее более высокую температуру плавления, чем ожидаемая температура горячего материала и температура плавления субстрата.
В последнем случае реализации другого устройства, здесь описываемого, покрытие со связующим может быть выполнено из сплава Ni-Co-Cr-Al-V.
При этом термоизоляционное покрытие может быть выполнено в виде покрытия из стабилизированного циркония.
В том случае, когда другое из вышеуказанных описываемых устройств имеет защитное изоляционное покрытие, содержащее покрытие со связующим, на которое плазменным напылением нанесено термоизоляционное покрытие, имеющее более высокую температуру плавления, чем ожидаемая температура горящего материала и температура плавления субстрата, последний может включать внешний кожух компрессора, причем внешняя поверхность субстрата может определять внешнюю поверхность газотурбинного двигателя, а кожух компрессора может включать титан и титановые сплавы.
На фиг. 1 дан вид сбоку в разрезе газотурбинного двигателя, иллюстрирующий внутренние и внешние компоненты двигателя; на фиг. 2 - вид сбоку в разрезе газотурбинного двигателя, иллюстрирующий прохождение воздушного потока через двигатель и температурный профиль воздушного потока; на фиг. 3 - детальный вид сбоку в разрезе известного из предшествующего уровня техники газотурбинного двигателя, иллюстрирующий обычные поддоны для удержания расплавленных материалов, вытесняемых из двигателя; на фиг. 4 - детальный вид сбоку в разрезе устройства, соответствующего группе изобретений, иллюстрирующий защитное покрытие, нанесенное на внутреннюю поверхность внешнего кожуха компрессора газотурбинного двигателя; на фиг. 5 - аксонометрическое изображение с пространственным разделением элементов, иллюстрирующее защитное покрытие, соответствующее группе изобретений, нанесенное на субстрат; на фиг. 6 - вид сбоку в разрезе защитного покрытия, соответствующего группе изобретений, нанесенного на субстрат.
Описываемая группа изобретений использована в газотурбинном двигателе, показанном на фиг. 1.
Защитное изоляционное покрытие 46 нанесено на внутреннюю поверхность 44 внешнего кожуха 36 компрессора перед отсеком 12 турбины (камеры сгорания). Защитное покрытие 46 изолирует кожух 36 компрессора от любых воспламеняющихся частиц и/или расплавленного материала, вытесняемого из газотурбинного двигателя 8 во время его работы, или иных воспламеняющихся частиц, высвобождаемых из оболочки внутреннего кожуха диффузора, представляющего собой стационарную часть турбинного двигателя, ближайшую к вращающимся лопастям компрессора. Более конкретно, покрытие 46 согласно группе изобретений предотвращает возможность прожигания расплавленными материалами внешнего кожуха 36 компрессора или при катастрофическом отказе двигателя. Использование защитного покрытия 46 сокращает или исключает потребность в обычных защитных устройствах или удерживающих конструкциях, включая экраны (на чертежах не показаны), поддоны 38 (фиг. 3) или другие защитные средства (на чертежах не показаны). Исключение и/или сокращение количества таких необходимых защитных средств снижает массу турбинного двигателя 8, а значит, массу самолета. Повышение эффективности, экономичности работы может быть обеспечено для самолета, где использовано данное оборудование. В качестве наилучшего варианта реализации группы изобретений ниже будет описан пример такого защитного покрытия 46 в том виде, как оно нанесено на внутреннюю поверхность 44 внешнего кожуха 36 компрессора газотурбинного двигателя модели PW 4000. Турбинный двигатель 8 показан на фиг. 1, 2, 4 - 6 с установленным защитным покрытием 46, выполненным согласно группе изобретений, а на фиг. 2 - с обычными защитными устройствами (т. е. поддонами 38). Хотя группа изобретений здесь описана в связи с их использованием в конструкциях кожуха компрессора, в частности, заднего конца 42 отсека переднего воздухозаборника 10 двигателя модели PW 4000, ясно, что защитное покрытие 46 может быть использовано в любой другой части и/или отсеке любого газотурбинного двигателя для защиты и изолирования различных других подложек от расплавленных или горящих материалов, включая покрытие внутренней поверхности внутреннего кожуха диффузора.
Описываемая группа изобретений имеет и другие применения в авиационной промышленности, не связанные с газотурбинным двигателем 8, и в других областях техники. Защитное покрытие 46 применимо везде, где есть необходимость изолирования подложки от избыточного тепла и/или расплавленных материалов, которые могли бы прийти в непосредственный контакт с подложкой при отсутствии защитного покрытия 46. Компоненты, показанные на фиг. 1, требуют защиты от расплавленных материалов, которые могут возникать при работе двигателя. Традиционный газотурбинный двигатель 8 включает отсек переднего воздухосборника 10, имеющий передний конец 50 и задний конец 42, отсек 12 камеры сгорания (турбины) и отсек выхлопа 14. Отсек переднего воздухозаборника 10 содержит кожух 40 вентилятора с титановыми лопастями, окружающий и герметизирующий титановые лопасти 24 вентилятора. Непосредственно за лопастями 24 вентилятора, обеспечивая их контакт с набегающим воздушным потоком, находятся лопасти 16 входного направляющего аппарата из никелевого сплава, лопасти 18 ротора из титана, диски 26 ротора турбины и лопасти 30 статора из титана. Эти компоненты заключены в титановый кожух 20 компрессора, обычно включающий внутренний кожух диффузора и внешний кожух двигателя.
Во время работы двигателя любые из перечисленных выше компонентов могут быть повреждены (изогнуты или прорваны) вследствие усталости или из-за чужеродных предметов, попавших в воздухозаборник 9 двигателя. Повреждение определенного компонента может привести к его трению о кожух компрессора, тем самым создавая избыточное тепло, выделяющееся в результате трения. При отделении частей компонента эти части могут тормозиться другими компонентами газотурбинного двигателя 8 и/или мигрировать к другим отсекам двигателя, в частности к задней части 42 переднего воздухозаборника 10. В любом месте на своем пути перемещения эти частицы могут тормозиться и создавать избыточное тепло, обусловленное трением. Если вследствие обусловленного трением тепла в каком-либо отсеке двигателя температура частиц титана (или компонента) повысится до температуры его воспламенения или выше, то частица начнет гореть и при свободном истекании или при освобождении ее из связанного положения она начнет перемещаться по двигателю 8 до тех пор, пока не будет эжектирована из выхлопного отсека 14 газотурбинного двигателя 8. Если частица окажется заторможенной, или повредит, или воспламенит другие компоненты, то может произойти полный катастрофический отказ двигателя.
В общем случае горящие частицы и расплавленные материалы, которые будут задержаны внутри отсека двигателя, будут мигрировать назад к наиболее сильно ограничивающему отсеку турбинного двигателя, т.е. к заднему концу 42 отсека переднего воздухозаборника 10. Эта часть газотурбинного двигателя 8 лучше всего показана на фиг. 2. В зоне заднего конца 42 обычно возникают наибольшие силы трения, обусловленные ограничивающим характером этого отсека, так что наибольшее количество тепла, обусловленного трением, по-видимому, должно генерироваться в этом отсеке. Кроме того, значительное ограничение в зоне заднего конца 42 способствует аккумулированию горящих частиц и расплавленных материалов. Отсюда следует, что частью кожуха 20 компрессора, которая может быть повреждена или выжжена и вследствие этого обусловит вытеснение расплавленных материалов из внутреннего пространства двигателя, является участок кожуха компрессора, окружающий задний конец 42 отсека переднего воздухозаборника 10.
Еще одной причиной, которую следует иметь в виду для любого двигателя как причину возможного отказа, является то, что воздушный поток, протекающий в газотурбинном двигателе, достигает своего состояния наивысшего сжатия в заднем конце 42. Соответственно существенное тепло сжатия ускоряет нарастание тепла и способствует горению воспламененного титана. По мере развития такой критической для двигателя ситуации расплавленные материалы и горящие частицы увеличивают температуру в заднем конце 42 в достаточной степени, чтобы обусловить прогорание внутреннего кожуха 34 компрессора и, если не предпринять защитных мер, то и внешнего кожуха 36 компрессора. Горящие частицы затем вытесняются из внутреннего пространства двигателя. Соответственно либо традиционные защитные устройства, либо защитное покрытие, предусмотренное описываемой группой изобретений, должны быть использованы в конструкции двигателя, чтобы избежать прогорания внешнего кожуха компрессора под воздействием расплавленных материалов.
Дополнительная потребность в защитном покрытии 46, предусмотренном изобретением, вытекает из стремления использовать титан и титановые сплавы по возможности ближе к отсеку камеры сгорания/турбины. В целях сокращения веса двигателя чем больше титана использовано вместо других более тяжелых сплавов, например, никелевых сплавов, тем больше общее снижение веса для двигателя. Однако, чем ближе размещены компоненты из титана к отсеку 12 камеры сгорания/турбины, тем выше вероятность того, что компонент достигнет своей температуры воспламенения и приведет в результате к прожиганию и катастрафическому отказу двигателя. Конструктивные решения, связанные с тем, что несколько близко к отсеку камеры сгорания/турбины газотурбинного двигателя могут быть использованы титановые компоненты, основываются на учете температурного профиля газотурбинного двигателя 8, как показано на фиг. 2. Однако затруднительно определить точное значение температуры конкретного отсека двигателя, чтобы точно оценить граничную точку, за пределами которой титановые компоненты больше не могут использоваться. При условии обеспечения защитных мероприятий в отсеках двигателя, где, по всей вероятности, могут быть достигнуты пороговые температуры воспламенения, титановые компоненты могут быть использованы ближе к отсеку камеры сгорания/турбины. В случае, когда пороговая температура воспламенения мигрирует в достаточной мере для того, чтобы оказать воздействие на титановые компоненты, должны приниматься меры для удержания продуктов воспламенения двигателя. Использование защитного покрытия 46 для этой цели вместо обычных стальных поддонов или иных удерживающих конструкций обеспечивает существенный выигрыш в сокращении массы и объема, как уже упоминалось выше.
На фиг. 4 изображен боковой вид части газотурбинного двигателя 8, показанного на фиг. 1, и, в частности, иллюстрирована задняя часть 42 отсека переднего воздухозаборника 10. Защитное покрытие 46, предусмотренное описываемой группой изобретений, предпочтительнее нанести на внутреннюю поверхность 44 внешнего кожуха компрессора. Защитное покрытие может быть нанесено на нижние края, т.е. от средней точки на одной боковой стороне двигателя по нижней его части и до средней точки на другой его боковой стороне, или с учетом преимущества по массе защитного покрытия в сравнении со стальным поддоном 38 на всю внутреннюю поверхность 44 внешнего кожуха 36 компрессора. Защитное покрытие 46 может быть также нанесено на другие части газотурбинного двигателя, включающие поддоны 38 (фиг. 3) и кожух компрессора, чтобы улучшить запас по надежности и/или уменьшить массу этих компонентов.
На фиг. 5 и 6 показаны детальный вид и аксонометрическое изображение с пространственным разделением элементов (покомпонентно) защитного покрытия 46, соответствующего описываемой группе изобретений, нанесенного на подложку (субстрат) 48. Защитное покрытие 46 имеет хорошие изоляционные свойства и температуру плавления, предпочтительно превышающую температуру любого расплавленного материала, который может попасть на покрытие 46, а также температуру плавления подложки 48. Кроме того, материал защитного покрытия 46 не должен вступать в реакцию с материалами подложки 48 и с расплавленными материалами, имеющими возможность контакта с покрытием. В общем случае к конструктивным материалам двигателя, имеющим наивысшие температуры плавления, относятся титановые и никелевые сплавы, а также кобальтовые сплавы в турбинном отсеке. Температуры плавления этих материалов могут превышать 2900oF (1593,3oC), защитное покрытие 46, соответствующее изобретению, предпочтительно имеет температуру плавления существенно выше, чем 2900oF.
В одном из вариантов осуществления группы изобретений защитное покрытие 46 нанесено на титановую подложку, в частности, на внутреннюю поверхность 44 внешнего кожуха 36 компрессора. Защитное покрытие 46 включает нанесенное плазменным напылением металлическое покрытие со связующим 52, толщиной примерно 0,005 дюйма (0, 127 мм), и верхнее керамическое покрытие 54. Покрытие со связующим 52 может быть выполнено из никель-алюминиевого сплава (95% Ni и 5% Al) или сплава вида Ni-Co-Cr-Al-V, например такого, как описано в патенте США Re 32,121. Керамические покрытия не обеспечивают хорошую адгезию к титану и титановым сплавам, и покрытие со связующим 52 действует как связующий агент между верхним керамическим покрытием 54 и титановой подложкой 48.
На покрытие со связующим 52 наносится плазменным напылением керамическое верхнее покрытие 54, которое в предпочтительном варианте содержит стабилизированный иттрием цирконий толщиной примерно 0,035 дюйма (0,889 мм). Хотя наилучший результат для керамического верхнего покрытия 54 был получен с использованием комбинации иттрия с цирконием, испытания также проводились и с использованием верхних покрытий, содержащих молибден и карбид кобальта-вольфрама. Эти материалы хотя и уступают стабилизированному иттрием цирконию, могут быть использованы в рамках объема описываемой группы изобретений и могут оказаться более пригодными для использования с подложками, иными, чем те, которые конкретно оценивались. Предпочтительным является цирконий, частично или полностью стабилизированный иттрием или магнием.
Хотя один из примеров осуществления настоящего изобретения использует конкретное покрытие со связующим 52 (Ni-Co-Cr-Al-V) и конкретное верхнее покрытие 54 (стабилизированный иттрием цирконий), имеющий конкретные значения толщины (0,005 дюйм и 0,035 дюйм), при нанесении на конкретную подложку (Ti - 6-2-42), специалисту в данной области техники должно быть ясно, что различные составы и толщины покрытия со связующим 52 и/или верхнего покрытия 54 могут быть использованы для нанесения на различные подложки 48. Кроме того, керамическое верхнее покрытие 54 может обеспечить необходимую адгезию с некоторыми подложками, не требуя для этого покрытия со связующим 52. Преимущества описываемой группы изобретений вытекают из свойств термоизоляции и нереакционноспособности защитного покрытия 46. Защитное покрытие 46 может добавить не более 5 фунтов (2,268 кг) к массе большого газотурбинного двигателя - существенно меньше, чем 85 - 100 фунтов (38,56 - 45,36 кг) дополнительной массы, являющейся результатом использования вместо этого обычных поддонов 38.
Реферат
Использование: группа изобретений относится к теплотехнике и касается конструирования покрытий, применяемых для удержания расплавленного материала в пределах оболочки газотурбинного двигателя. Сущность группы изобретений заключается в том, что разработаны варианты способа и устройства для удержания расплавленных материалов и воспламененных титана и титановых сплавов в пределах оболочки газотурбинного двигателя. Способ заключается в нанесении покрытия со связующим на внутреннюю поверхность внешнего кожуха компрессора, после чего на покрытие со связующим посредством плазменного напыления наносят термоизоляционное керамическое верхнее покрытие. Вышеуказанное устройство содержит субстрат, имеющий покрытие со связующим и керамическое верхнее покрытие и окружающий по крайней мере часть газотурбинного двигателя, для обеспечения удержания продуктов горения газотурбинного двигателя внутри его оболочки. В предпочтительном варианте покрытие со связующим может быть выполнено из сплава Ni-Со-Сr-Аl-V, а верхнее покрытие может содержать стабилизированный цирконий. 4 с. и 13 з.п.ф-лы, 6 ил.
