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：

（1）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。

（2）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。

（3）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

（1）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（现在也采用机械加工或铸造件），要求焊接性和加工性好。一般多采用镍基或钴基合金。

（2）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（另加5%～25%的铬等）的超耐热合金材料，以精铸的方式制造。

（3）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：

（1）采用定向结晶（DS）和单晶（SC）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（能在1204~C下工作），比第二代单晶材料工作温度提高42 ℃。

（2）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（M代表Co或Ni），早期地面燃机（如LM2500等）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（TBC），前面已经介绍了其试验和实用结果，可隔温50～80 ℃。

（3）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T_w<900 ℃。

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。

（1）日本首先以汽车用的陶瓷燃气轮机（缩写为CGT）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（往复式发动机的不足之处）、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、t₄为1 350 ℃、转速n为100 000 r/min设计陶瓷涡轮转子、陶瓷环形燃烧室（采用了贫油预混预蒸发（LPP）燃烧方案）等。经试验，CGT在t₄=1 200 ℃、n=100 000 r/min条件下，输出功率达97 kW，污染物排放满足客车排放标准，为进一步发展提供了技术储备。

几乎与此同时，日本电力中心研究所又进行t₄=1 500 ℃、200 MW工业燃机的陶瓷燃烧室的开发。

（2）美国为了开发CGT，从20世纪80年代初开始陆续制定了多个阶段性发展规划。最早的AGT101发动机规划（1980～1987年）研究了未来汽车用CGT的几项高风险技术。在此基础上，进行了样机设计和生产，并要进行6000多小时的耐久试验，准备在波音飞机用的331—200APU上进行可靠性试验。主要为验证CGT在航空燃机上应用的可行性，也为了支持CGT在汽车上应用的开发工作。

从1992年起，启动了一个由美国能源部出资，分为三个阶段的CGT计划，目的是在商业运行中充分研究和验证CGT的耐久疲劳性。该计划由Solar公司牵头具体实施，曾改造了一台功率为4.3MW的Centaursos型燃机，涡轮一级静叶、动叶和燃烧室火焰筒采用陶瓷材料，t₄为1 121 ℃，在2 000 h耐久疲劳试验中因一片叶片受损而暂停试验，计划继续进行4 000 h的商业运行试验。该公司在参与1993年制定的ATS计划中研制的50TMATS型燃机，于1997年取得初步成功，计划研制用连续纤维增强陶瓷复合材料制造的燃烧室。

（3）西门子公司自20世纪60年代就开始采用非冷却陶瓷板拼制的燃烧室。目前该公司已生产数百台具有陶瓷燃烧室的燃机，并且从未出现过陶瓷板引起的停机事故。

目前，虽没有CGT投入商业运行的型号，如果陶瓷热端部件最终突破，将可能带来燃机产业的一场革命。

参考文献

[1] 李孝堂. 现代燃气轮机技术[M]. 北京：航空工业出版社, 2006.11.

[2] 伍赛特.民用航空发动机制造技术现状及未来趋势展望[J].现代制造技术与装备,2019(03):13-15.

[3] 伍赛特.燃气轮机应用于车用动力装置的可行性分析研究[J].交通节能与环保,2019,15(01):13-15.