燃氣輪機結構

 

 

   由于燃氣輪機結構較為復雜，而且各部位工作溫度和受力情況等差別較大，因此對材料性能的要求和選用就各不相同。圖2 表示了隨著燃燒溫度的提高，燃氣輪機用材料發生著深刻的變化，圖中燃燒溫度急速上升階段得益于冷卻技術的快速發展。

 

燃燒室

 

   燃燒室是將燃料化學能轉化為熱能，為動力渦輪提供穩定高壓高溫氣體的裝置。燃燒室有三種基本的結構：圓筒型、環型的和分管型。燃燒室在高溫、大負荷、變工況的環境下工作，因此對材料性能的要求主要有：高溫抗氧化和抗燃氣腐蝕性能；足夠的瞬時性能和持久強度；良好的冷熱疲勞性能，優良的工藝塑性（沖壓，彎曲性能）和焊接性能；材料在工作溫度下長期組織穩定。為了滿足燃燒室的工況要求，已經得到選用的燃燒室用鎳基高溫合金主要有Hastelloy X, RA333，Nimonic 263，以及Tomilloy（IN617 的一種改型）合金。部分燃燒室末節內襯還采用了HS-188 合金以提高其持久強度。為了增強外部冷卻空氣的效果、保持燃燒室用合金在蠕變極限范圍內，以及降低燃燒室的熱梯度，燃燒室還廣泛采用熱障涂層。熱障涂層一般為一層約254靘 厚的等離子噴涂NiCoCrAlY/ZrO2?Y2O3復合粘接層。如表1、表2 所示，燃氣輪機燃燒室用高溫合金比例不斷提高。

 

 

 

 

   過渡導管的作用是將燃燒室排氣口的燃氣均勻平穩傳輸至第一級導向葉片。雖然過渡導管對外形的要求較燃燒室內襯簡單，但因為在服役條件下溫度和應力的共同作用以及過渡導管的冷卻限制，所以對其制備材料和工藝的要求更高。20 世紀70 年代前，過渡導管通常采用Hastelloy X 合金；80 年代后逐漸采用Nimonic263，HS-188，IN617，Tomilloy 合金。

 

 

   導向葉片的第一級是渦輪發動機上受熱沖擊最大的零件之一。但由于它是靜止的，相對于動力渦輪來說，承受的機械負荷并不大。導向葉片在服役條件下因為應力造成扭曲、溫度劇烈變化產生裂紋以及過燃引起燒傷，使得導向葉片在工作中經常出現故障。根據導向葉片工作條件，要求材料具有如下性能：足夠的持久強度及良好的熱疲勞性能；有較高的抗氧化和抗腐蝕的能力；良好的焊接性能。如用鑄造合金，則要求具有良好的鑄造性能。

導向葉片和工作葉片實物圖

 

   目前用于導向葉片的鈷基合金有FSX-414，鎳基合金有GTD-222，ECY768（改型Mar-M509），還有部分采用鑄造鎳基合金：IN939，IN738，MarM247LC。為了滿足更高工作溫度的要求，正計劃采用N5，DSGTD-222 等單晶葉片。

 

 

   渦輪工作葉片是渦輪發動機的關鍵構件之一。雖然工作溫度較導向葉片低，但是工作葉片受力大而復雜，工作條件惡劣，因此對渦輪葉片材料的要求有：高的抗氧化和抗腐蝕能力；高的抗蠕變和持久斷裂的能力；良好的機械疲勞和熱疲勞性能以及良好的高溫和中溫綜合性能。高度冷卻的空心葉片還需其冷卻通道局部區域能承受大的應力集中。同時還對合金的長期組織穩定性和表面涂層工藝性能有一定的要求。

 

   早期渦輪工作葉片采用Ni-20Cr 系變形鎳基高溫合金，而且合金的強度隨著共格析出Ni3（Al,Ti）相的增加而增加。但高強度高溫合金變形加工十分困難，隨后渦輪工作葉片逐漸采用Inco738，Inco939 和Inco792等鑄造高溫合金。隨著渦輪進氣溫度的進一步提高，促進了定向凝固和單晶葉片的開發。

 

   由于變形高溫合金和普通鑄造高溫合金葉片在垂直離心載荷方向的晶界容易萌生裂紋從而限制葉片合金的持久壽命，為了減少甚至消除晶界蠕變裂紋而成功開發了定向凝固高溫合金。定向凝固高溫合金晶界平行載荷方向，因此顯著增加合金蠕變強度和持久壽命，同時也改善了合金的熱疲勞和抗氧化性能，以及抑制合金的裂紋擴展速率。表3 給出了部分定向凝固高溫合金的化學成分。單晶高溫合金進一步提高合金的耐溫性能，表4 給出了部分單晶高溫合金的名義化學成分。雖然單晶高溫合金葉片在航空發動機工業得到廣泛的應用，但僅少量的單晶葉片在工業燃氣輪機中得到應用，如CMSX 4、René N5。目前工業燃氣輪機用單晶渦輪葉片還存在一些關鍵技術需要改善，如需要提高合金耐熱腐蝕性能，由于葉片尺寸的增加需要鑄造過程有大的熱梯度，優化鑄造工藝參數，確定葉片缺陷接收標準等。
 

 

 

   渦輪盤是在高溫、高轉速、高負荷等十分惡劣的條件下工作，除了有很大的離心負荷和氣動負荷作用外，還要承受很大的熱負荷作用，特別是渦輪盤，必須要求足夠的強度。同時為了適應燃料多樣性、低品質和運行環境的苛刻，要求材料抗熱腐蝕能力高。為了提高燃機的熱效率，必須不斷提高循環參數中的溫度、壓力，因此更高渦輪盤材料研制和制備起到關鍵作用。渦輪盤在工作中受熱不均，盤的輪緣部位比中心部位承受較高的溫度，產生很大的熱應力。榫齒部位承受最大的離心力，所受的應力更為復雜。因此對渦輪盤材料性能的要求有：合金應具有高的屈服強度和蠕變強度；良好的冷熱和機械疲勞性能；線膨脹系數小，無缺口敏感性，較高的低周疲勞性能。如下圖5所示，相對于耐熱鋼渦輪盤（左），高溫合金渦輪盤（右）由于較高的綜合性能，在體積上大幅度的瘦身。渦輪盤選材發展過程經歷三代：

耐熱鋼渦輪盤（左）和高溫合金渦輪盤（右）

 

   （1）第一代：合金鋼和耐熱鋼渦輪盤

 

   第一代始自四五十年代，渦輪盤材料主要為合金鋼和耐熱鋼，使用溫度為400℃左右，如A469（12CrNiMoV）、第八屆（2011）中國鋼鐵年會論文集A565（22CrMoV）、12CrNiMo、NiCrMoV 等。

 

   （2）第一代：“F”、“FA”、“3A”型新型渦輪盤

 

   現如今第二代已達當今最高水平，新開發出的一批“F”、“FA”、“3A”型技術的新產品代表著當今工業燃氣輪機的最高水平：渦輪初溫達到1260~1300℃，壓比10~30，簡單循環效率36%~40%，聯合循環效率55%~58%。渦輪盤選用高溫合金，如美國的A-286，俄羅斯的萑437、菹674 等，使用溫度500~600℃左右，國內使用的高溫合金渦輪盤材料有GH2132、GH36 等。

 

 

   （3）第三代高性能高溫合金渦輪盤

 

   目前，第三代高性能高溫合金渦輪盤正在開發，其主要特征是采用更有效的蒸汽冷卻技術，渦輪初溫在1400～1500℃，短時達到1600℃。高溫部件的材料仍以高溫合金為主，采用先進工藝進一步改善合金性能。如美國的IN706、IN718。近年來為艦用燃氣輪機研制了GH4698、GH4742 高性能變形高溫合金渦輪盤，使用溫度達到650~700℃左右，合金化學成分參見表5。

 

   隨著進氣溫度和壓比的不斷提高，耐熱鋼已經不再能夠滿足需求，鎳基高溫合金In706，憑借其良好的耐高溫特性，很好的滿足了燃機未來對溫度需求，并且提供了更高的強度、韌性和抗蠕變能力。與其有類似組成的In718 也被用作備選材料。鑒于渦輪轉子的大尺寸和結構，給大型鎳基高溫合金的熔煉、澆鑄以及開坯、鍛造提出了巨大的挑戰。通過三聯冶煉工藝（VIM-ESR-VAR）過程控制的關鍵性改進，嚴格控制VAR熔煉步驟，使用大量過程模型模擬、優化關鍵的工藝參數等手段消除了化學成分偏析、白斑、黑斑等與熔煉有關的缺陷。目前為止，已經分別生產出滿足要求的直徑達1020mm 和690mm 的IN706 和IN718 合金錠。

 

   輪盤的鍛造可以采用自由鍛或模鍛，這取決于鍛造廠的能力，通過復合包套技術、有效控制轉移時間以及優化的壓下制度，可以獲得均勻細小的組織結構，并且可以通過時效得到強化。所有渦輪盤按照嚴格的標準進行全面的超聲波探傷。在渦輪盤上取試樣環進行力學性能試驗，包括室溫、高溫拉升試驗、沖擊試驗、疲勞試驗和持久試驗。渦輪盤必須對生產過程的各個環節進行嚴格的控制和監測，才能生產出具有優良顯微組織結構的產品，任何環節控制不好，都可能對最終的產品質量產生影響。

 

 

   綜上所述，目前工業燃氣輪機熱端部件燃燒室、連接導管、導向葉片、工作葉片和渦輪盤大多采用高溫合金材料制備，同時還在開展新型高溫合金及其工藝的研究以滿足更為先進的工業燃氣輪機技術的需求，如新型熱障涂層技術應用，大尺寸單晶葉片工藝，新型大尺寸渦輪盤生產工藝和創新性的冷卻技術等。