激光包覆燃料噴射器預混筒的制作方法
【專利摘要】一種用于燃氣渦輪發(fā)動機(10)的燃料噴射器(12)包括圍繞縱軸線(50)設置的中心體(36)和從中心體徑向向外設置以在中心體和預混筒之間限定環(huán)形通道(16)的預混筒(26)。環(huán)形通道可以從上游端延伸至下游端，上游端配置成流體聯(lián)接到壓縮機(2)，下游端配置成流體聯(lián)接到燃燒器(14)。預混筒可以包括位于上游端的第一部分(24)和位于下游端的第二部分(22)。第一部分可以包括不銹鋼材料，并且第二部分可以包括基于鎳的超級合金材料。第二部分可以通過激光包覆聯(lián)接聯(lián)接到第一部分。
【專利說明】激光包覆燃料噴射器預混筒

【技術領域】
[0001]本發(fā)明整體涉及燃氣渦輪燃料噴射器的預混筒，以及通過激光包覆制作預混筒的方法。

【背景技術】
[0002]在典型燃氣渦輪發(fā)動機中，一個或多個燃料噴射器將燃料引入用于燃燒的燃燒室(叫做燃燒器)。燃料在燃燒器中燃燒產(chǎn)生熱量。在一些應用中，燃燒器中的溫度可以高達大約1800° F。聯(lián)接到(或接近)燃燒器的燃料噴射器的部件暴露于這些高溫下。為了使溫度有關的損害最小化，這種部件典型地由具有高抗蠕變性和機械強度的合金制成。然而，這種合金很貴，并且可能增加這些部件的成本。
[0003]美國專利N0.6056507描述了一種燃氣渦輪發(fā)動機渦輪葉片組件，其具有基于鎳的超級合金葉片梢，葉片梢通過釬焊附于鋼本體。在’ 507專利中，組件的成本通過僅在需要的區(qū)域使用更貴的超級合金而降低。


【發(fā)明內容】

[0004]在一個方面，公開一種用于燃氣渦輪發(fā)動機的燃料噴射器。燃料噴射器可包括圍繞縱軸線設置的中心體和從中心體徑向向外設置以限定中心體和預混筒之間的環(huán)形通道的預混筒。環(huán)形通道可以從上游端延伸至下游端，上游端配置成流體聯(lián)接到壓縮機，下游端配置成流體聯(lián)接到燃燒器。預混筒可以包括位于上游端的第一部分和位于下游端的第二部分。第一部分包括不銹鋼材料，并且第二部分包括基于鎳的超級合金材料。第二部分可以通過激光包覆聯(lián)接聯(lián)接到第一部分。
[0005]在另一個方面，公開一種制造燃氣渦輪燃料噴射器的預混筒的方法。該方法可以包括在沿縱軸線延伸的管狀部件上加工環(huán)形凹槽，并且使用激光包覆將覆層沉積到凹槽上。該方法還可以包括加工包覆過的管狀部件以形成預混筒。預混筒可以包括作為中空管從管狀部件的一端沿縱軸線延伸的覆層。
[0006]在另一個方面，公開一種制造燃氣渦輪燃料噴射器的預混筒的方法。該方法可以包括沿管狀部件的長度產(chǎn)生環(huán)形凹槽和使用激光包覆將覆層沉積在凹槽上。該方法還可以包括加工包覆過的管狀部件以形成預混筒。加工可以包括移除沉積的鍍覆下面的管狀部件的至少一部分以暴露覆層的底表面。
[0007]在另一個方面，公開一種用于燃氣渦輪發(fā)動機的燃料噴射器的預混筒。預混筒可以包括沿縱軸線從第一端延伸至第二端的基本管狀本體。管狀本體可以包括由第一材料制成的接近第一端的第一部分和由第二材料制成的接近第二端的第二部分。第一部分可以具有第一內直徑和第一外直徑，并且第二部分可以具有第二內直徑和第二外直徑。第二部分可以通過激光包覆聯(lián)接聯(lián)接到第一部分。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是示例性公開的渦輪發(fā)動機的剖視圖；
[0009]圖2是圖1的渦輪發(fā)動機的示例性燃料噴射器的部分的截面圖；
[0010]圖3是示出圖1的燃料噴射器的預混筒制作方法的流程圖；并且
[0011]圖4A-4D是示出圖3中的方法的步驟的示意圖。

【具體實施方式】
[0012]圖1示出可以用在任何應用中的示例性燃氣渦輪發(fā)動機10。渦輪發(fā)動機10可以包括壓縮機部分2、燃燒器部分4、渦輪部分6和排氣部分8。燃燒器部分4包括一個或多個燃料噴射器12，燃料噴射器12混合燃料和壓縮空氣，并將燃料-空氣混合物導入用于燃燒的燃燒器14。燃料-空氣混合物的燃燒產(chǎn)生高壓高溫的燃燒氣體。這些燃燒氣體被導入渦輪部分6，渦輪部分6從這些燃燒氣體中吸取能量，并且將用過的廢氣通過排氣部分8導入大氣。燃燒器14中燃料-空氣混合物的燃燒加熱燃燒器14的壁和與其關聯(lián)的部件。
[0013]圖2示出聯(lián)接到渦輪發(fā)動機10的燃燒器14的示例性燃料噴射器12的部分的截面圖。燃料噴射器12包括具有聯(lián)接到燃燒器14的下游端(或前部部分22)的預混筒26。通常，預混筒26可以具有任意形狀和結構。在一些實施例中，預混筒26通?？梢允峭残危⑶揖哂醒乜v軸線50延伸的基本管狀結構。預混筒26的前部部分22可以通過任何已知的方法聯(lián)接到燃燒器14。在一些實施例中，前部部分22可以聯(lián)接到燃燒器14使得允許預混筒26和燃燒器壁之間的相對運動(例如，以適應由于熱膨脹造成的尺寸變化)。也可以預期的是，在一些實施例中，前部部分22可以直接連接到燃燒器14的壁。
[0014]燃料噴射器12可以包括位于預混筒26的徑向內部的中心體36，以限定預混筒26與中心體36之間的環(huán)形導管16。預混筒26可以通過環(huán)形導管16將燃料-空氣混合物導入燃燒器14。燃料-空氣混合物可以通過位于預混筒26上游的空氣旋流器34導入預混筒26。在一些實施例中，預混筒26的上游端(或后部部分24)可以采用釬焊接頭32連接到空氣旋流器34?？諝庑髌?4可以包括環(huán)形體，多個葉片連接至環(huán)形體。葉片可以配置成引起速度的旋轉分量以使燃料-空氣混合物從中通過。在一些實施例中，空氣旋流器34可以包括燃料出口(孔、噴嘴、輻條等)，其將燃料(任何液態(tài)或氣態(tài)燃料)噴射入通過葉片的壓縮空氣流中以產(chǎn)生旋流的燃料-空氣混合物。在一些應用中，中心體36可以容納先導組件，先導組件配置為用于將燃料和空氣的單獨流導入燃燒器14。通過環(huán)形導管16進入燃燒器14的燃料-空氣混合物和通過中心體36進入燃燒器14的燃料流在燃燒器14中點燃并且燃燒。
[0015]燃燒器14中的燃燒加熱預混筒26的前部部分22。在一些實施例中，預混筒26可以響應加熱膨脹，并且刮削燃燒器壁。這種刮削可以引起前部部分22外表面上的機械磨損。為了抵抗燃燒器14中的高溫和機械磨損，前部部分22可以由能抵抗這些環(huán)境條件的材料制成。在一些實施例中，合金(例如基于鎳的超級合金)可以選擇用于前部部分22。在一些實施例中，基于鎳的超級合金可以包括合金_X(合金-230、合金-118等)。與相對較冷的燃料-空氣混合物接觸的預混筒26的后部部分24可以比前部部分22冷，并且比前部部分22經(jīng)受更少的不利條件。因此，后部部分24可以由不同材料制成，例如不銹鋼(例如AMS 5653、ASTM A-479等)。為了增強預混筒26的強度(并且因此增加燃料噴射器12的可靠性)，預混筒26的前部部分22可以激光包覆在后部部分24上，或在后部部分24上生長。
[0016]前部部分22可以具有長度222和厚度322。長度222和厚度322可以根據(jù)應用(例如，燃氣渦輪發(fā)動機10的運行條件和尺寸)而定。通常，前部部分22的長度222可以在大約0.5-2.5英寸(12.7-63.5毫米)之間變化，并且厚度322可以在大約0.15-0.5英寸(3.81-12.7毫米)之間變化。在一些實施例中，長度222可以在大約0.75-1.5英寸(19.05-38.1毫米)之間變化，并且厚度322可以在大約0.2-0.5英寸(5.08-12.7毫米)之間變化。在本說明書中，術語“大約”用于表明10%的變化值。例如，大約0.2英寸的長度表明長度在0.18-0.22英寸(4.57-5.59毫米)之間。
[0017]將前部部分22激光包覆在后部部分24上產(chǎn)生這樣的預混筒26，其中前部部分22通過激光包覆聯(lián)接聯(lián)接至后部部分24。在這種聯(lián)接中，前部部分22可以聯(lián)接到后部部分24而在二者之間無需粘結材料(或另一種界面材料)。將前部部分22激光包覆在后部部分24上僅包括在交界面28上局部加熱，因此，交界面28上的材料(前部和后部部分22，24)以及合金形成物的稀釋將是最小的。將前部部分22激光包覆在后部部分24上(也就是激光包覆聯(lián)接)的特征在于交界面28，在交界面28上存在相對突然的材料性質改變。例如，在交界面28上沿水平線的硬度測量將表明硬度在交界面28上相對急劇改變。
[0018]應該注意的是，在此描述的燃氣渦輪發(fā)動機燃料噴射器12的預混筒26僅僅是示例性的。通常，一種材料的前部部分22可以被激光包覆在不同材料的后部部分24上，并且作為部件在任何應用中使用。例如，在一種應用中，軸承的前部部分22相比其后部部分24易受增加的磨損，在軸承中，耐磨材料制成的前部部分22可以被激光包覆在不同材料的后部部分24上。
[0019]前部部分22激光包覆在后部部分24上的示例性方法在以下部分描述。
[0020]工業(yè)實用件
[0021]公開的激光包覆預混筒可以應用于任何燃料噴射器以增加預混筒的耐溫性而無需增加其成本。由于耐熱材料被激光包覆于預混筒，因此預混筒的強度和可靠性可以變高。將耐熱前部部分激光包覆在不銹鋼后部部分上的示例性方法在下面描述。
[0022]圖3是示出將預混筒26的前部部分22激光包覆在后部部分24上的示例性方法100的流程圖。圖4A-4D是以分步方式示出通過示例性方法100形成激光包覆預混筒26的示意圖。選擇由后部部分24的材料制成的管214(步驟110)，并且如果需要，將其加工成所需尺寸。如前面參照后部部分24所述，可以選擇由任意不銹鋼材料制成的管214。接著靠近管214的一端加工凹槽204以形成毛坯126 (步驟120)。本領域已知的任何機械加工過程可以用于形成毛坯126。例如，在一些實施例中，管214可以在車床上繞其縱軸線50旋轉，并且采用合適的加工工具從管214的選擇區(qū)域移除材料。凹槽204可以具有任意所需的形狀和尺寸。例如，在一些實施例中，凹槽204可以包括傾斜側壁228。加工(也就是步驟120)后，管214可以包括凹槽204根部的具有減小厚度的基部206。毛坯126旋轉，并且前部部分22材料的覆層212可以被激光包覆在凹槽204上(步驟130)。例如，如果需要具有不銹鋼(AMS 5659)后部部分24和合金-230前部部分22的預混筒26，不銹鋼(AMS5659)的管214被加工以形成具有凹槽204的毛坯126，并且合金-230的覆層212被激光包覆在凹槽204上。
[0023]激光包覆是一個過程，其中包覆材料(以絲、粉末等的形式)的原料應用于凹槽204。并且，集中激光束被用于熔化應用的原料和凹槽204基部的材料薄層，以形成冶金結合至凹槽204基部的覆層212。由于毛坯126在激光包覆期間旋轉，因此覆層212在凹槽204周圍均勻形成。激光包覆與熱噴涂類似之處在于能量源被用于熔化正應用于基底的原料。然而，不同于熱噴涂，激光包覆也熔化基底的薄層，原料應用于此基底。這種熔化導致覆層212和基部206之間的牢固的冶金結合。典型地，與熱噴涂相比，激光包覆導致具有更優(yōu)結合強度的交界面。由于集中激光束作為熱源使用，因此基部206中的熱影響區(qū)域是最小的。由于激光包覆過程在現(xiàn)有技術中是已知的，因此包括在激光包覆中的步驟在此不描述。任何已知的激光包覆過程可以被用于沉積覆層212。覆層212可以是能生產(chǎn)具有所需尺寸(例如，長度222和厚度322，見圖2)的前部部分22的任意形狀和厚度。在一些實施例中，沉積的覆層212的厚度可以大于沉積覆層212下面的基部206的厚度。
[0024]包覆后，被包覆的毛還226被加工以形成具有所需最終形狀和尺寸的預混筒26(步驟140)。加工操作可以在覆層212的基部移除基部206以形成由覆層212材料制成的、在交界面28處連接到后部部分24的獨立前部部分22。傾斜交界面28可以增加前部部分22和后部部分24之間的接觸區(qū)域，并且因此增加交界面28的強度。在一些實施例中，交界面28可以具有其他形狀。例如，在一些實施例中，交界面28可以成階梯狀，并且在一些實施例中交界面28可以是豎直的。由于沉積覆層216的基部206在沉積后通過加工移除，因此激光包覆過程對預混筒26的任何有害作用將最小。加工操作也可以形成預混筒26的其他所需特征。例如，前部部分22的外直徑可以加工成大于后部部分24的外直徑，前部部分22的內直徑可以加工成基本與后部部分24的內直徑相同，并且前部部分22的自由端可以加工成包括斜面。
[0025]由于激光包覆部分冶金結合至下層基底，因此它們之間的交界面可以是堅固的。另外，由于激光包覆過程使得下層基底中的熱影響區(qū)域最小，并且由于包覆后移除基部206，因此激光包覆過程對下層基底的任何負效應可以是最小的。盡管在此描述了燃料噴射器12的包覆的預混筒26和包覆預混筒26的典型方法，但這僅僅是典型示例。通常，所描述的方法可以被應用于激光包覆任何應用中使用的任何部件的部分。
[0026]公開的用于燃料噴射器的激光包覆預混筒的多種改進和變化對本領域的技術人員來說是顯而易見的。出于公開的預混筒的說明書和實踐的考慮的其他實施例對于本領域的技術人員來說也是明顯的。預期的是說明書和實施例僅作為示例考慮，通過以下權利要求和它們的等同物表不真正的范圍。
【權利要求】
1.一種用于燃氣渦輪發(fā)動機(10)的燃料噴射器(12)，包括: 圍繞縱軸線(50)設置的中心體(36);和 從中心體徑向向外定位以在它們之間限定環(huán)形通道(16)的預混筒(26)，環(huán)形通道從上游端延伸至下游端，上游端能夠流體聯(lián)接到渦輪發(fā)動機的壓縮機(2)，下游端能夠流體聯(lián)接到渦輪發(fā)動機的燃燒器(14)，預混筒包括: 位于上游端的第一部分(24)，第一部分包括不銹鋼材料；和 位于下游端的第二部分(22)，第二部分包括基于鎳的超級合金材料，第二部分通過激光包覆聯(lián)接聯(lián)接到第一部分。
2.根據(jù)權利要求1的燃料噴射器，其中，預混筒的第二部分具有大約0.5-2.5英寸之間的長度和大約0.15-0.5英寸之間的厚度。
3.根據(jù)權利要求2的燃料噴射器，其中，長度在大約0.75-1.5英寸之間并且厚度在大約0.2-0.5英寸之間。
4.一種制造燃氣渦輪(10)燃料噴射器(12)的預混筒(26)的方法(100)，包括: 在沿縱軸線(50)延伸的管狀部件(214)上加工環(huán)形凹槽(204) (120)； 使用激光包覆將覆層(212)沉積到凹槽上(130);并且 加工(140)包覆過的管狀部件(226)以形成預混筒(26)，其中預混筒包括作為中空管從管狀部件的一端沿縱軸延伸的覆層。
5.根據(jù)權利要求4的方法，其中: 加工環(huán)形凹槽包括沿管狀部件的長度產(chǎn)生管狀部件的厚度減小的區(qū)域(206)，并且 加工包覆過的管狀部件包括移除管狀部件的厚度減小的區(qū)域以暴露覆層的底表面。
6.根據(jù)權利要求4的方法，其中，加工環(huán)形凹槽包括加工具有基部(206)和傾斜側壁(228)的凹槽。
7.根據(jù)權利要求6的方法，其中，加工包覆過的管狀部件包括移除凹槽的基部使得覆層僅僅在傾斜側壁處連接到管狀部件。
8.根據(jù)權利要求6的方法，其中，沉積覆層包沉積大于基部厚度的覆層厚度。
9.根據(jù)權利要求4的方法，其中，加工包覆過的管狀部件包括形成具有比管狀部件的外直徑大的覆層的外直徑的預混筒。
10.根據(jù)權利要求9的方法，其中，加工包覆過的管狀部件進一步包括形成具有與管狀部件的內直徑相等的覆層的內直徑的預混筒。
【文檔編號】F02C7/22GK104169650SQ201380010953
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2013年3月1日 優(yōu)先權日:2012年3月1日
【發(fā)明者】A·I·克里徹韋, R·A·科爾二世, P·巴克, B·E·斯塔克, J·P·蒙塔古 申請人:索拉透平公司