[发明专利]用于减少含硅材料中二氧化硅消退的方法和系统

说明书

本公开涉及用于减少含硅陶瓷或含硅陶瓷复合物的二氧化硅消退的方法和和系统，特别是暴露于燃烧气体或燃烧气体环境的那些，包括暴露于高温燃烧气体环境的那些。所述方法和系统包括由压缩空气去除水分，然后将处理过的压缩空气与燃烧气体共混合，使含硅陶瓷或含硅陶瓷复合物对其暴露。

本公开涉及用于减少含硅陶瓷或含硅陶瓷复合物中二氧化硅消退(recession)的方法和系统，特别是暴露于燃烧气体环境的那些，包括暴露于高温燃烧气体环境的那些，例如工业陆基涡轮、航空发动机、汽车和换热器中遇到的高温燃烧气体环境。

发明背景

硅基整料陶瓷，例如碳化硅、氮化硅和含硅复合物，包括连续纤维增强陶瓷复合物，是用于高温结构应用（例如燃气涡轮、航空发动机和换热器的组件）的有吸引力的候选。这些含硅材料特别有吸引力，因为它们优良的高温性能和较低的密度。例如，在燃烧气体环境中，通过用未冷却或减少冷却的含硅陶瓷组件替代经冷却的金属组件，获得性能益处。具有这样的陶瓷的热气体路径组件的材料替代产生更高的输出功率、改善的热效率和减少的NO_x排放。取决于组件尺寸和组件在使用中必须满足的机械规格，包括连续或不连续纤维增强陶瓷复合物的含硅复合物陶瓷，例如碳化硅纤维增强碳化硅或硅-碳化硅基体复合物，因为优异的热和抗机械冲击性、更高的损伤容限和应变破坏，其有时也是整料陶瓷中的选择。该类复合物，即具有碳化硅或硅-碳化硅基体，通常称为碳化硅/碳化硅或SiC/SiC复合物。不连续纤维增强复合物的实例包括用碳化硅晶须增强的复合物。整料陶瓷的实例为碳化硅、氮化硅和硅-碳化硅陶瓷。

含硅陶瓷或含硅复合物(本文中为含硅陶瓷或复合物)相对于金属的的优点为它们优异的高温耐用性，其允许更高的涡轮转子入口温度。此外，与镍基超合金相比，它们显示了低的热膨胀系数和较低的密度。在使用温度下，含硅复合物系统的相对高的热导率与镍基合金相似。

其中关注含硅陶瓷或含硅复合物的燃气涡轮组件包括壳体和燃烧衬里。壳体形成了涡轮外面的流动路径并产生转子叶片上的密封面。其为涡轮叶尖间隙和圆度系统中的主要元件并在较大的机器中分段。其用作隔热罩并将涡轮外壳与热气流温度隔离。作为流动路径的一部分，壳体必须具有足够的耐氧化/耐腐蚀性和其结构足以符合发动机温度、压力和流体环境的设计寿命需求。

燃烧衬里包含燃烧反应区域并将热气传送至涡轮入口。在低排放燃烧器中，火焰温度最小化以限制热NO_x的产生。这伴有将大部分压缩空气（除了涡轮冷却空气）通过预混器并将通过衬里的冷却或稀释空气的量最小化。在衬里内复杂的热梯度和升高的温度可引起金属的过度变形导致密封损失、对冷却空气流的限制并提高了热侧的热传递。含硅复合物提供低循环蠕变-疲劳抗性和几乎无形变。在壳体的情况下，燃烧衬里应具有足够的耐氧化/耐腐蚀性。涡轮组件的其他部件包含喷嘴、叶片(vane)、轮叶(blade)、叶片(bucket)和过渡件。

通过在含硅陶瓷或复合物表面上形成保护性二氧化硅(SiO₂)膜，给予高的抗氧化性。以上提出的含硅材料的应用将它们布置为与燃烧气体直接接触，所述燃烧气体是液体燃料或天然气、氢或煤燃烧的产物。对于天然气、液体或煤燃料，燃烧产物包含高达约20体积%的水蒸汽，取决于燃料与空气的比率。对于天然气和氢的混合物或纯氢，获得甚至更高的水蒸汽水平。在含水蒸汽和氧的环境中，热动力计算表明对于硅（作为实例，如碳化硅）的氧化发生的主要反应为：

SiC+3/2O₂(g)=SiO₂+CO(g)　　　　(1)

SiC+3H₂O(g)=SiO₂+3H₂(g)+CO(g)　(2)

在燃烧气体中，氢和一氧化碳与氧反应以形成水蒸汽和二氧化碳。在含硅陶瓷或复合物上形成的二氧化硅膜在氧/水蒸汽气体混合物中可通过氢氧化硅或氢氧化氧硅物类的形成而同时挥发。例如，一些可能的挥发反应为：