设有护甲的机器组件和燃气轮机.pdf

本发明涉及一种机器组件，它有一个用基本材料制造的基体(40)，基体在其表面的一个部分区域内设有护甲(42)，护甲用一种硬度比基本材料高的涂敷材料制成，其中，护甲(42)被分段构造以及由一些护甲块段(44)构成。

1.  一种机器组件，它有一个用基本材料制造的基体(40)，该基体在其表面的一部分区域内设有护甲(42)，护甲用一种硬度比基本材料高的涂敷材料制成，其中，护甲(42)被分段构造以及由一些护甲块段(44)构成。

2.  按照权利要求1所述的机器组件，其中，所述护甲块段(44)通过堆焊安置在基体(40)上。

3.  按照权利要求1或3所述的机器组件，其中，所述护甲块段(44)分别置入基体(40)上相配的凹槽中。

4.  按照权利要求3所述的机器组件，其中，所述护甲块段(44)的外表面和所述基体(40)在各护甲块段(44)之间延伸的横挡(46)外表面构成一贯通连续的表面。

5.  一种燃气轮机(1)，它有一些按照权利要求1至4之一所述的机器组件。

6.  按照权利要求5所述的燃气轮机(1)，其中，第一个机器组件表面上设有护甲的部分区域设置为与第二个机器组件表面上设有护甲的部分区域相邻，以及，第一个机器组件的涂敷材料有与第二个机器组件的涂敷材料不同的硬度。

7.  按照权利要求5或6所述的燃气轮机，其中，燃烧室(4)的焰管(30)、燃烧室(4)的混合室(34)和/或燃烧室(4)的内壳设计为按照权利要求1至4之一所述的机器组件。

设有护甲的机器组件和燃气轮机
本发明涉及一种机器组件，它有一个用基本材料制造的基体，基体在其表面的一个部分区域内设有护甲，护甲用一种硬度比基本材料高的涂敷材料(Auftragsmaterial)制成。此外，本发明涉及一种具有一些此类机器组件的燃气轮机。
涡轮机或透平机，尤其是燃气轮机，在许多领域用于驱动发电机或做功机械。其中，燃料所含能量被用于造成透平轴的旋转运动。为此燃料在燃烧室内燃烧，在此过程供给经压气机压缩的空气。在燃烧室内通过燃料燃烧产生的高压和高温工质，通过一个连接在燃烧室下游的透平单元流动，工质在那里膨胀做功。
为了产生涡轮机轴或透平轴的旋转运动，在透平轴上安装一些通常组成叶片组或叶排的工作叶片，它们借助工质的冲量传输驱动透平轴。此外，为了在透平单元内导引工质，通常在相邻的工作叶排之间设置与涡轮机匣连接的导向叶排。
这种类型的透平机包括许多构件或机器组件，它们遵照规定的尺寸、形状和/或公差恰当定位在透平机中。在许多情况下应值得追求的是，相邻机器组件或构件的互相接触降到最低程度，以便由此使所涉及构件的磨损保持为特别小。尽管如此，在透平机运行时，例如由于热膨胀或还由于产生运行引起的振动之类，最终还是会导致这种构件之间产生根本不希望的接触，从而发生这类构件的某些磨损。例如在燃气轮机的燃烧室区域内，作为此类构件通常是彼此相邻布置的所谓焰管、混合室和内机匣。它们有因结构方式引起的大变形和严重的公差，以致在燃气轮机运行时这些构件的接触在有的部位难以避免。由于这种接触产生不希望的、且尤其通过长期运行还可能是严重的磨损，从而列举的这些构件必须定期检查，并在需要时必须更换/修理。
为了在这些情况下将所涉及的构件或机器组件的磨损保持为特别小，这些机器组件可以制成所谓设护甲的结构方案，其中，尤其涉及与相邻组件预期的磨损或预期的接触区域，用一种也称为护甲的保护层涂覆。这种护甲在这里可以由一种涂敷材料构成，它有一种与各自组件基本材料相比更高的机械硬度，从而通过这种恰当选择的材料便已经可以减小因接触引起的磨损。
然而基于涂敷材料通常针对这种使用目的有较高的硬度，所以这种材料也比机器组件基体各自的材料要脆。因此设有涂敷材料的基体例如通过弯曲之类的进一步加工只能是有限的。此外，在基体热膨胀时，在设有涂敷材料的区域内，由于不同的热膨胀特性导致形成裂纹和其他损伤。因此，恰恰对于应用在热负荷比较高的区域中，例如应用在燃气轮机的燃烧室的内部区中，这种设护甲的机器组件仅有条件地适用。
因此本发明的目的是，提供一种上述类型的机器组件，它也特别适合使用在做功机械热负荷比较高的区域中。此外应提供一种有一些此类机器组件的燃气轮机。
就机器组件而言的本发明目的这样来实现，即，所述护甲被分段构造以及由一些护甲块段构成。
在这里，本发明从下述考虑出发：为了基本可用性，对于遵守低磨损工作要求的机器组件应设置恰当的护甲。为了避免随之而来的尤其在可进一步加工性以及还有面对热负荷时的稳定性方面的缺点，应将护甲的侧向膨胀保持为特别小。为了尽管如此仍能覆盖表面足够大的部分区域，护甲的各区段应设计为彼此去耦，以便由此能有足够的柔性面对诸如热变形之类。为此应将护甲分段地构造。
护甲块段可以采用恰当的技术施加在机器组件的基体上。但有利地护甲块段通过堆焊施加在基体上，从而达到与基体特别紧密的连接，并因而使机器组件总体上有高的稳定性。
护甲块段可施加在基体的外表面上，由此得到的轮廓在机器组件外表面上有许多通过护甲块段造成的鼓突。然而为了构件或机器组件能遵照所要求的尺寸或还能制备一个对外光滑的表面，护甲块段有利地分别置入或埋入基体上相关的凹槽中。由此有利地可达到机器组件总体上几乎平的整个表面，其中尤其所述护甲块段的外表面和所述基体在护甲块段之间延伸的横挡外表面构成贯通连续的表面。
有利地，所述类型的机器组件用于燃气轮机，尤其作为燃烧室焰管、燃烧器混合室和/或燃烧室内壳。在这里尤其彼此相邻定位的构件或机器组件可以设计为有这种护甲，在这种情况下有利地，第一个机器组件表面上设有护甲的部分区域设置为与第二个机器组件表面上设有护甲的部分区域相邻。按特别有利的设计，第一个机器组件的涂敷材料有与第二个机器组件的涂敷材料不同的硬度。因此，通过选择恰当的材料，在两个机器组件出现互相接触时，就有可能将磨损有针对性地集中在两个机器组件之一上，亦即护甲硬度较低的那个机器组件上，为此尤其可以选择容易更换和便于修理的那个机器组件。
采用本发明获得的优点尤其在于，通过将机器组件的护甲设计成分段，首次实现了即使只有小的公差范围也能将护甲施加在基体上，其中，恰恰鉴于护甲的分段设计可以基本上避免基体由于堆焊时高工作温度引起的扭曲变形。此外，通过护甲的分段设计，在施加护甲时可以避免形成裂纹，若连续焊接护甲便可能产生这种开裂。此外，允许事后弯曲构件，不会在这种情况下使涂敷材料承受过高的负荷。还有，在装配时和在工作中的变形和焊接可以比较简单地实施，不必担心对构件有危险的作用。
通过将护甲块段安置在加工在基体上的凹槽内，机器组件的表面随后可以均匀化，在这里也可以事后去除堆焊后可能的外突。尤其在构件几何形状适配的情况下，可以保证遵照规定的外部尺寸。此外，护甲的分段设计减小了构件在加工、装配时和工作中的负荷。
恰恰在用于透平机，尤其燃气轮机时，对于组件配对中成对配置的护甲，可通过恰当地选择材料，通过适当选择不同的硬度，可以将磨损集中在两个成对组件中的一个上，从而可以显著简化所涉组件的事后维修及更换。
下面借助附图详细说明本发明的实施例。其中：
图1表示燃气轮机的纵剖面；
图2表示图1所示燃气轮机燃烧室的剖面图；以及
图3至5分别表示图1所示燃气轮机的各个机器组件。
在所有的图中相同的部分采用同样的附图标记表示。
按图1的燃气轮机1有压缩燃烧用空气的压气机2、燃烧室4和驱动压气机2和未表示的发电机或做功机械的涡轮机或透平机6。为此将透平机6与压气机2装在一根公共的称为涡轮转子的透平轴8上，发电机或做功机械也与它连接，以及透平轴8可绕其中心轴线9旋转地支承。
燃烧室4配备有一些燃烧器10用于燃烧液态或气态燃料。此外它还在其内壁设有未详细表示的热屏元件。
透平机6有一些可与透平轴8一起旋转的工作叶片12。工作叶片12环状排列在透平轴8上并由此构成一些工作叶排。此外，透平机6还包括一些位置固定的导向叶片14，它们同样成环状固定在透平机6的内机匣16上，构成导向叶排。工作叶片12在这里通过流过透平机6的工质M传输来的冲量驱动透平轴8。导向叶片14则用于在每两个沿工质M流动方向看彼此相继的工作叶排或工作叶环之间流动导引工质M。在这里，由一个导向叶片14环或一个导向叶排与一个工作叶片12环或一个工作叶排组成的彼此相继的一对叶排，也称为一个涡轮级或透平级。
每个导向叶片14有一个平台18，用于将各自的导向叶片14固定安装在作为壁件的透平机6内机匣16上。平台18在这里是热负荷较高的构件，它构成用于流过透平机6工质M的热燃气通道外边界。每个工作叶片12以类似的方式通过也称为叶根的平台20固定在透平轴8上。
在导向叶片14彼此相邻排列的平台18之间，在透平机6内机匣16上分别设有导环21。在这里，每个导环21的内表面同样遭遇流过透平机6的高温工质M，以及沿径向通过间隙24与工作叶排的与之对置的工作叶片12外端22相间隔。
由图2的放大图可以看出，每个燃烧室4在其有一些没有详细表示的用于介质，如燃料和燃烧空气的输入管与之连接的流入区内，在其内部装备有所谓的焰管30，在焰管内部进行燃料的燃烧。焰管30在出口侧通过同样设在各自燃烧器10外壳32内部也称为混合室的过渡段34，与燃烧室4的内壳36连接。
焰管30、过渡段34和内壳36在这里连接成互相套插的管，保证将工质流从焰管30可靠地导引到燃烧室4的内壳36内。互相套插的管端在遵照规定的尺寸和公差的条件下彼此尽可能无接触地定位，从而尽可能避免由于组件互相接触和组件彼此摩擦造成磨损。然而，在燃气轮机1运行时会导致这些组件不可避免地相互总是反复接触，所以无论如何应计及剩余磨损。考虑到所述磨损，在维修和检查作业的框架内，需要定期检验和必要时更换这些组件。
为了将燃气轮机1的运行成本保持得特别低，以及在很大程度上简化所需要的维修和检查工作，所述燃气轮机1的组件应设计为尽可能低磨损。为了在这种情况下考虑由于机器组件，诸如焰管30、过渡段34和内壳36之间接触引起的磨损，以及正是在出现组件互相接触时能保持特别低的磨损，所列举的这些机器组件设计为设护甲的组件。为此，每个机器组件，亦即焰管30、过渡段34和内壳36，由一种用基本材料制的基体40构成，它在图3至图5中分别表示的其表面的部分区域内设置由涂敷材料组成的护甲42。在这里涂敷材料选择为，它与基本材料相比有更高的硬度，所以在面对机械和还有热负荷时有更高的稳定性。所述涂敷材料分别通过堆焊施加在基体40上。
为了借助护甲避免各自机器组件在加工、装配和运行过程中被损坏，这种损坏可例如在实际上的堆焊过程中或也会在运行时出现高热负荷的情况下，由于不同的热膨胀特性以及与之相关联地形成的裂纹造成。为此，护甲42包括多个护甲块段44，其中，这些护甲块段的尺寸大小鉴于原来机器组件的尺寸和所使用的材料选择为，通过侧向有限的膨胀，避免由于不同的热膨胀特性之类的原因，使各自的护甲块段44对基体40造成过大的损害。
由图3可以看出，护甲块段44分别置入基体40内相关的凹槽中。在这里，凹槽可以通过适当的加工方法，例如通过铣削、车削或磨削加工。原则上可以这样进行尺寸设计：在基体40平的表面上施加护甲块段44以及根据其厚度在它们之间形成相应的凹槽。但在安置护甲块段44时也可以如图3至5所示那样制造成，使所述护甲块段44的外表面与所述基体40在外部护甲块段44之间延伸的横挡46外表面，构成一个贯通连续的并因而平的表面。在这里作为制成的机器组件形成一个构件，它在其造型、尺寸设计和尺寸精确度方面，基本上对应于原来采用的构件，以及尤其有相应的光度和平的表面。
图4表示，弯曲的空气冷却环50也可以设计为所述类型的至少部分设护甲的机器组件。在这里空气冷却环50在其表面同样设有护甲块段44，它们加入构成空气冷却环50的基体40上相应的凹槽中。在空气冷却环50的基体40内，还附加地设由相应的孔构成的冷却空气通道52。通过成形也称为囊的其中安置护甲块段44的凹槽，可以保持空气冷却环50期望的几何形状。在使用护甲块段44时仍造成一个几乎平的表面和向基体40平的过渡。由此保证更进一步减小磨损和改善所使用的这些材料之间的连接。
图5表示，尤其燃气轮机1过渡段34及焰管30在它们的搭接区设计为此类设有护甲的机器组件。这些机器组件的护甲42在这里分别设在彼此面对的扇形表面上。此外，当两个此类设有护甲的机器组件为这种相邻的布局时，如在这里对于过渡段34与焰管30所规定的那样，通过恰当地选择用于护甲42的材料，可以将磨损有针对性地集中在这两个机器组件之一上，尤其集中在能方便地更换的那个机器组件上。为此在这里有针对性地规定，焰管30护甲42的涂敷材料选择为比用于过渡段34护甲42的材料有较小的硬度。