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地面燃气轮机热端部件的材料工艺特点

时间:2019-08-21 16:00 作者:未知
 

 

 

地面燃气轮机热端部件的材料工艺特点伍赛特1 地面与航空燃机用料的差别 前面主要针对高性能航空燃机的高温材料及结构发展进行了较全面介绍。实际上,地面与航空燃机还是有些差别的,主要在以下几方面:地面燃机的热端部件工作温度通常稍低于航空燃机,目前先进的地面燃机的涡轮进口温度为1 427 ℃左右,而航空燃机的为1 580~1 650 ℃。因此,用料的要求也稍低些,但考虑下述特点,又不可能使要求降低太多。地面燃机要求工作寿命更长,一般地面燃机的工作寿命达数万小时,例如,叶片的抗蠕变、抗氧化或抗热腐寿命要大于50 000 h。但是又必须考虑经济性。地面燃机的零件尺寸大、重量大,最典型的是涡轮的静叶和动叶,有的长度大于300 mm,重量约5 kg。因此,在结构工艺上必须进行特殊考虑。2 地面燃机各热端部件的用料特点燃烧部件受力较小,但工作温度最高,另外有些燃料有腐蚀性。主要要求材料抗腐蚀性好;又由于是板焊结构为主,要求焊接性和加工性好。一般多采用镍基或钴基合金。透平动叶是燃机热端部件中工作条件最恶劣的,要求材料高温强度及高温蠕变强度特别高。一般采用镍基的超耐热合金材料,以精铸的方式制造。透平静叶的工作温度比动叶的高,但受力小得多,主要要求材料的热疲劳强度高。多采用钴基合金材料精铸造,最近也要求静叶的材料具有蠕变强度,也开始采用镍基合金材料。3 地面燃机透平全面引进航空燃机技术 除了在气动热力设计方面采用航机技术,还主要体现在以下几方面:采用定向结晶和单晶涡轮叶片是20世纪80年代以来航空燃机的重大技术之一,90年代的先进地面燃机也采用了该项技术。定向结晶叶片是控制熔化温度,首先凝成一个柱状晶体,然后再横方向逐渐长大,它只存在沿叶长方向的晶界,而无横向晶界。单晶叶片不存在晶界。消除晶界可以增加叶片的蠕变强度、热疲劳强度、抗腐蚀能力。因此,一般DS叶片的工作温度可提高20~30 ℃;SC叶片的工作温度可提高40~60 ℃。目前,单晶高温合金已由第一代发展到第三代,使航空燃机叶片耐热能力比定向结晶合金提高近90 ℃。各国争相开发单晶高温合金,因此,单晶高温合金牌号很多,具有代表性的是第一代为CMSX—2,第二代为CMSX—4,第三代为CMSX—10。罗·罗公司在Trent工业燃机上采用CMSC—10,比第二代单晶材料工作温度提高42 ℃。普遍采用高温防护涂层,其中一种是防腐蚀和抗氧化涂层,如MCrAlY涂层,早期地面燃机采用过,耐温仅927 ℃,易剥落、氧化,寿命短;另一种是可减少燃气与涂层之间热交换的热障涂层,前面已经介绍了其试验和实用结果,可隔温50~80 ℃。采用复合冷却结构的叶片,这也是地面燃机移植航空燃机技术的另一项内容。目前采用冲击/气膜/对流组合冷却,t4=1 300 ℃时,叶片最高壁温Tw900 ℃。高性能的单晶合金与先进的气冷叶片设计,精密的铸造技术和优质的防护涂层及工艺相结合,使航空燃机进口温度提高了300 ℃左右。例如,采用单晶合金的F119发动机比采用定向结晶叶片的F100发动机涡轮进口温度提高了307 ℃,其寿命得以大幅延长。对地面燃机而言,采用了前述航空燃机涡轮的几项措施,目前先进的燃机透平进口温度已达1 430 ℃。如果将叶片空冷改为蒸汽冷却,t4可大于1 500 ℃。4 地面燃机长期开发应用陶瓷材料 陶瓷材料在航空、航天动力上的应用和试用研究工作从未停顿,在地面燃机上也是如此。早在20世纪70年代,日本、美国和德国都开始着力于陶瓷材料的研究和应用工作,并且陆续取得了阶段性成果。日本首先以汽车用的陶瓷燃气轮机作为开发重点,这主要是从能源和环境两方面,考虑到CGT能燃用多种燃料、效率高、对环境污染可以控制,加之日本是汽车生产大国,能在CGT方面有所突破,其意义重大。早在20世纪80年代已开始陶瓷部件研究,1987年曾用陶瓷增压器转子装车试验。1990~1997年,开始实施“CGT的研究和开发”规划,包括发动机初步设计、部件发展、发动机系统的发展、市场价值和技术评估。至1997年的目标是:a.CGT的热效率超过40%;b.气态污染物排放满足客车排放标准;c.可以使用多种燃料。研究是按功率为100 kW、t