[发明专利]稳定热气路径构件的方法、涡轮功率发生系统和冷却系统

说明书

技术领域

本公开大体涉及用于使高温度燃烧气体环境中的耐火碳化物稳定的方法。

背景技术

不论是用于陆地用途、海洋用途还是航空用途的目前的燃气涡轮性能都受到容许的热区段材料温度和保持那些材料的完整性所需的冷却损耗的限制。在传统涡轮系统中，例如，压缩机排出空气可用作用于热气路径构件的冷却剂。这些涡轮系统的“热气路径”包括构件，诸如燃烧器衬套和拢焰节段、高压涡轮级的固定导叶和旋转叶片，以及在旋转叶片周围的护罩。多年来已经开发出复合材料和单块材料，以对这些热气路径构件提供较高的温度能力，从而产生较高的燃烧温度和发动机效率。耐火碳化物(诸如耐火金属碳化物(MC)和陶瓷基质复合材料(CMC))就是这样的材料。耐火碳化物具有非常高的熔点。陶瓷基质复合材料(CMC)通常由在SiC-Si的基质内的连续的SiC增强纤维构成，这使用熔融硅浸润工艺来制造。CMC的合乎需要的属性包括高导热性、高基质致裂应力、高层间强度，以及良好的环境稳定性。虽然CMC提供较高的温度能力，高达至少2800℉，但它们仍然受到需要专门的涂层和冷却的环境因素的限制。具体而言，对于高于2200℉的温度，未经涂覆的CMC会遭受过度氧化和衰退。目前，CMC利用基于莫来石和Ba-Sr-铝矽酸盐陶瓷化学的环境结合涂层(EBC)。EBC防止CMC材料由于衰退而有损耗，但仍然有关于涂层受损或损耗的相关联的担忧。

所有传统的燃气涡轮发动机均采用单独的燃烧系统和必须紧密接近燃烧器的涡轮。燃烧器的设计和可操作性(不管是扩散模式、预混合模式或联合模式，是气体燃料或液态燃料)对涡轮的热管理有巨大影响。另外，燃烧器系统的热管理本身就可显著地影响引起的气体温度轮廓和型式因素(pattern factor)、燃烧不稳定性和排放。随着技术转移到排放较低和零排放的发动机，新的燃烧策略要求对燃烧器和涡轮结构有创新。另外，需要一种用于在保持涡轮构件的完整性和性能的同时允许运行温度提高的系统和运行方法。

发明内容

本公开大体涉及用高碳活度气体使热气路径构件稳定的系统和方法。更具体而言，本公开属于燃气涡轮功率发生系统的领域。

在一个实施例中，本公开涉及一种用于使耐火碳化物热气路径构件稳定的方法。在此方法中，燃料在燃烧器中燃烧。高碳活度气体输送到热联接到热气路径上的热气路径的构件的至少一部分。热气路径构件的至少一部分包含耐火碳化物。

在一个实施例中，本公开涉及一种涡轮功率发生系统。该系统包括热联接到热气路径上的许多热气路径构件。热气路径构件中的至少一个的至少一部分包含耐火碳化物或陶瓷基质复合材料(CMC)。燃烧器构造成燃烧空气与燃料的混合物，以产生排气流。涡轮构造成将这个排气流的能量转化成有用的机械能。高碳活度气体被管道输送到热气路径构件中的至少一个。

在一个实施例中，本公开涉及一种用于热气路径构件的冷却系统。这个系统包括热气路径构件，以及将高碳活度气体输送到热气路径构件的至少一部分的第一管道。这个高碳活度气体在至少一个热气路径构件的表面上形成覆盖气体膜。为了本公开的目的，“表面”可指示热气路径构件的任何表面，包括内表面或外表面。

以下详细描述和附图举例说明了上面描述的特征和其它特征。

附图说明

当参照附图来阅读以下详细描述时，本系统的这些和其它特征、方面与优点将变得更好理解，在附图中，相同符号在所有图中表示相同部件，其中：

图1是根据一个实施例的涡轮功率发生系统的工艺流程图，该系统适于将高碳活度气体用作涡轮构件稳定源。

图2是根据一个实施例的涡轮功率发生系统的工艺流程图，该系统适于将包括封存(sequester)的二氧化碳的高碳活度气体用作涡轮构件稳定源。

图3示出了一个实施例中的航空高压燃气涡轮和燃烧器的示例的示意图。

具体实施方式

下面介绍的各个实施例有利于阐明本公开的某些方面，并且不应解释为限制本公开的范围。此外，如在整个说明书和权利要求中使用的那样，近似语可应用于修饰在得到许可的情况下可改变的任何数量表示，而不会导致与其有关的基本功能有变化。因此，由用语或多个用语(诸如“大约”)所修饰的值不限于规定的确切值。在一些情况下，近似语可对应于用于测量该值的仪器的精度。