燃气轮机透平叶片国产化需解决的关键技术问题

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  导读:透平叶片是重型燃气轮机的核心部件,实现透平叶片的国产化有着巨大的社会效益和经济效益。但由于历史原因,我国尚未掌握透平叶片的设计和制造技术。本文探讨了透平叶片国产化过程中所需解决的若干关键技术问题,涉及到逆向工程设计,包括:高温合金及涂层等基础材料;气动、传热、结构、强度等多学科交叉分析和优化;精密铸造、特种加工、涂层制备等多种精密加工工艺。研究表明,要实现透平叶片的国产化,需要通过严谨的逆向工程设计才能降低国产化过程中的技术风险,更需要国内在材料-设计-制造-试验等各个环节的企事业单位和科研院所共同合作。

  1 引言

  重型燃气轮机是发电领域的高端装备,代表发电设备设计制造技术水平的金字塔顶端,在国民经济和能源动力工业中有重要的战略地位。自我国2002年组织重型燃气轮机打捆招标采购以来,尽管同时引进了燃气轮机制造技术,实现了燃气轮机的本地化生产制造,但以透平叶片为代表的热端部件,如图1所示,由于技术含量高,加工制造难度大,依然牢牢控制在国外燃气轮机厂商手中。热端部件极为昂贵,在燃气轮机总价中所占比重很高,按照其使用寿命和运行条件,需要定期进行检修和更换。目前,热端部件的维护费用已成为燃气轮机电厂后期运行维护主要成本之一,也是国外燃机厂商主要的利润来源。

  尽管G/H/J级重型燃气轮机已经成熟,并逐渐开始进入国内市场。但目前国内的燃气轮机电厂中占主流的还是F级燃气轮机,主要为通用电气的9FA机型,西门子的V94.3A机型和三菱的M701F机型,截至2018年6月底,仅三菱燃机就达68台。为了降低燃气轮机电厂高昂的热端部件维护费用,也由于燃气轮机热端部件备品备件有着很大的利润空间和市场前景,近年来,一些燃气轮机电厂、燃气轮机制造企业、社会资本、地方政府均开始探索重型燃气轮机透平叶片的国产化,期望在促进产业转型升级的同时,也能获得巨大的经济效益和社会效益。

  

  图1 西门子V94.3A重型燃气轮机透平静、动叶

  国际上有成功通过逆向工程设计而提供透平叶片备件的厂家,如:PSM,Wood Group[8]。但也需要看到,透平叶片逆向工程设计过程极为复杂,涉及到:高温合金及涂层材料;气动、传热、结构、强度等多学科计算分析;无余量精密铸造、机械加工及特种加工、特殊涂层的喷涂等多种加工工艺;以及不同条件的试验验证环节。因此技术门槛高,投资风险大。

  本文基于以往的工作经历及对上述技术内容的理解,结合国内的现有条件,探讨重型燃气轮机透平叶片国产化过程中所需解决的关键技术问题,为此项工作的开展提供一些参考和建议。

  2 透平叶片的测绘

  透平叶片逆向工程设计,离不开详细的测绘。现有光学测量和高精度三坐标测量技术均能获得良好的测量效果[9-11]。需要注意的是,根据测量获得的点云数据拟合成叶片型面数据时易产生一定的拟合误差。对于影响叶片气动和强度性能的叶型表面(叶片型面需考虑热障涂层的厚度)、叶型前尾缘半径、叶型与上、下端壁连接处的复合圆角、叶根齿型表面,需进行细致的分析和修正,如图2所示。

  现有F级燃气轮机透平叶片通常有复杂的内、外冷却结构[12]。叶片表面大量的气膜冷却孔,其孔型、孔位、孔径、射流角、复合角等几何参数均对叶片的气膜冷却效果有重要的影响,需要借助量规等精确的辅助工具进行测量。叶片内部的复杂冷却通道,可采用高精度工业CT进行测绘和积叠重构[13],但局部冷却结构只能将叶片剖切才能准确测量。由于冷却结构是影响叶片冷却和强度性能的关键,需结合多种测绘手段才可获得全面的数据。同时,为了开展后续透平叶片的逆向分析和优化,除测绘叶片本身,还需测绘透平的通流尺寸,空气系统关键限流结构尺寸等。

  

  图2 某型重型燃气轮机透平叶片测绘点云及型面重构

  需要注意的是,国外燃气轮机厂商在不断的采用新技术提升其燃气轮机产品的性能,以西门子V94.3A燃机为例,经几次性能升级后,其功率增加了约20%,效率绝对值提升了近3% [14],如图3所示。所用透平叶片,尤其是冷却结构进行了局部优化,叶片所用冷气量和冷却性能有所差异。因此,测绘时需注意叶片适用于哪种版本的燃气轮机,而不能随意混用。

  

  图3 西门子V94.3A重型燃气轮机性能升级历史

  3 透平叶片的材料

  材料是透平叶片国产化的基础。透平叶片工作在高温高压的环境中,其基体材料通常为镍基或钴基高温合金。其中,透平静叶由于燃气热负荷更高,燃气温度不均匀性更突出,要求具有良好抗高温热疲劳性能、良好的抗高温氧化和腐蚀性能等,常采用钴基高温合金。同时,一级静叶表面的气膜孔数量最多,通常还需要焊接叶片冲击冷却衬套和端壁冷却冲击板。钴基高温合金良好的可焊性和可加工性,也有利于一级静叶组件的加工和装配。透平动叶虽然燃气热负荷相对于静叶较低,但需承受高离心应力、振动应力和高温燃气的高速冲蚀,要求具有良好的高温持久强度和抗蠕变性能、良好的高温强度和韧性等,一般选择镍基高温合金。

  为了提高透平叶片耐高温、抗氧化及腐蚀的能力,透平前两级叶片表面通常喷涂有50~600 μm的热障涂层(Thermal Barrier Coating,TBC)。热障涂层由金属粘结底层和陶瓷面层组成,粘结底层通常采用MCrAlY(M为Ni、Co或Ni+Co),主要担负着热膨胀匹配过渡、抗氧化、抗腐蚀的多重功效,而陶瓷面层通常采用Y2O3稳定的ZrO2,主要起隔热作用。透平3~4级叶片由于燃气温度较低,表面通常仅喷涂有抗氧化涂层。此外,为了改善叶片的强度振动特性,透平3~4级叶片叶顶通常设计有锯齿叶冠,其结合面涂覆高温耐磨涂层,防止叶冠因磨损而过早失效。

  几种典型F级重型燃气轮机透平叶片所用高温合金材料和涂层材料如表1所示。

  上述透平叶片材料中,前两级叶片材料要求耐温能力更高,主要为国外燃气轮机厂商经过长时间持续发展而来 (其中西门子V94.3A燃机透平叶片所用的材料PWA1483由普惠公司研制)。若国产化透平叶片继续采用相同材料,既涉及到专利问题,同时采购也极为困难,因此需选择替代材料。

  选择替代材料前,需充分了解原始叶片材料,并结合其化学成分、物理化学性能、力学性能、可加工性选择合适材料进行替代。若选择可公开采购且经燃气轮机长期使用考核的国外高温合金材料,需确定该材料采购的可行性及采购成本。我国材料研究部门从仿制到自主创新,经过几十年的发展,质量不断提高,并逐步形成了具有自主知识产权的燃气轮机抗热腐蚀高温合金体系,例如:多晶合金K444、K452,定向合金DZ38G、DZ411,单晶合金DD8、DD10等。但材料纯净度、合金性能的稳定性还需进一步提高[25],尤其是长寿命周期要求,在重型燃气轮机透平叶片上进行应用还需经受严格的部件试验、样机验证、实际长期运行考核等。因此,选择国产材料要更为慎重。

  表1 几种典型F级重型燃气轮机透平叶片所用高温合金材料和涂层材料

  

  注: 1、通用电气-9FA燃气轮机透平为三级;

  2、本表信息来源于文献[15],与文献[16-18]略有不同,可能是由于燃气轮机型号版本有所差异。

  

  图4 透平叶片逆向分析

  不论采用何种替代材料,材料差异将不可避免的对透平叶片的性能造成影响,严重时将造成透平叶片与其他部件不匹配,影响燃气轮机的安全可靠运行。因此需对采用替代材料后的透平叶片性能进行详细分析和评估,必要时需进行设计上的优化。

  4 透平叶片的逆向分析及优化

  透平叶片材料替换后,其重量、理化性能、温度及应力分布、热伸长、强度振动特性等均将与原始叶片不同,需评估材料替换后的叶片各项性能能否达到使用要求。另一方面,国外燃气轮机厂商就燃气轮机和航空发动机技术在中国进行了充分的专利布局,其中以透平叶片为代表的热端部件是专利保护的重点。透平叶片国产化时,还需考虑设计上的升级改变以规避相应的专利内容。

  透平叶片的性能与透平部件,乃至燃气轮机整机都有密不可分的关系。开展透平叶片的逆向分析,就需对透平部件进行详细的计算,如图4所示。包括:

  w 透平的通流计算--获得各叶片排的进出口气动参数;

  w 空气系统及热分析--计算叶片的冷气进口条件,透平冷热态转换;

  w 三维气动计算--计算叶片气动载荷分布;

  w 冷却性能分析--获得叶片温度分布;

  w 强度与振动模态分析--获得叶片应力分布,振动特性,评估叶片使用寿命。

  不难看出,透平叶片逆向分析的内容和流程与叶片正向设计是基本一致的。因此要对透平通流尺寸进行详实的测绘,同时开展透平热分析,将冷态尺寸换算至热态尺寸。

  由于逆向分析的各环节均存在计算误差,尤其现有计算方法还不能准确计算叶片的温度、应力分布,也就难以准确评估叶片的使用寿命。方法之一是对比替代材料叶片和原始叶片的温度场、应力场、振动避开率,通过优化设计减小两者偏差,尽量确保替代材料叶片的安全性,并在后续试验环节中进一步验证和改进,如图5所示。

  

  图5 某型原始叶片与材料替代叶片的温度分布对比

  5 透平叶片的精密铸造

  透平叶片毛坯的精密铸造是加工制造中最难的环节。现有F级燃气轮机透平第一级叶片由于温度和应力水平极高,已采用定向结晶叶片,西门子V94.3A甚至采用了单晶叶片。我国尽管在航空发动机涡轮叶片铸造工艺上积累了较为丰富的经验,但重型燃气轮机透平叶片尺寸和重量更大,运行环境、工作状态和使用寿命不同,因此叶片的铸造工艺要求也不尽相同。近年来,在相关单位的努力下,我国重型燃气轮机透平叶片的铸造工艺取得了较快的发展,但在工艺成熟度和产品合格率上距离国外先进水平还有一定差距。

  

  图6 某型号叶片铸件及其陶瓷型芯

  叶片铸件的尺寸、形位公差的保证是需要解决的关键问题之一。尤其F级燃气轮机透平叶片内部冷却结构复杂,要保证铸件合格,需在铸造各环节中对型芯、蜡件以及最终的铸件进行细致的检测,以防止内部冷却结构的缺失、超差,脱芯不净导致内部通道堵塞等。此外,叶型表面轮廓度以及端壁型面的公差,由于对叶片喉部尺寸有重要的影响,也需重点关注。

  叶片铸件的质量,如表面低倍晶粒度、显微疏松、冶金缺陷分布等均会影响叶片的力学性能。其中,由于空心冷却叶片存在较多的壁厚不均、转角、厚凸台等结构,疏松缺陷较难控制,必要时还需进行热等静压处理。

  需要注意的是,叶片铸件的质量要求与合格率、成本密切相关。而国内还没有重型燃气轮机透平叶片经历过设计-试制-长时间考核-反馈的全过程,铸件质量对叶片性能的影响关系还未建立,形成成熟的燃气轮机透平叶片精密铸造质量验收规范还需要开展大量的验证工作。

  6 透平叶片的特种加工

  由于高温合金材料的机械加工性差,基于透平叶片铸件的加工主要采用特种加工,主要包括有:叶片叶冠面、叶根齿型面、叶片定位面、安装配合面等关键表面的缓进磨削加工;气膜孔的精密电加工(或激光加工);钣金件的冲压成型及与基体的焊接等。

  零件表面在磨削加工时,由于受到力和热的作用,表面材料易发生物理化学和冶金学变化,进而影响零件的力学性能和使用寿命。因此透平叶片的缓进磨削,除了满足型面加工精度要求外,更需重点关注其加工后的表面完整性。对于关键表面的加工,如:叶冠接触面、叶根齿型面、安装配合面,需对加工后的表层微观金相组织进行细致检验,不允许有磨削裂纹和表面烧伤。而在叶片精密铸造阶段,所留铸件加工余量不宜过大,否则会大大增加磨削加工的周期和成本。

  叶片表面气膜冷却孔的加工对于叶片冷却性能有重要的影响,传统的加工方式有:激光加工、电火花加工和电液束加工(前两种方式应用更多)。近年来,飞秒激光加工、激光-电火花、电火花-电液束等复合加工得到了发展和应用。不同加工方式在加工精度,表面质量控制、加工效率上各有优缺点。一般而言,首先需保证气膜孔的孔型、孔位的加工精度,因其直接影响气膜冷却覆盖效果,而随着扇形孔、扇形后倾孔等高性能孔型的大量应用,对孔的加工精度也提出了更高的要求。另一方面,气膜孔内重熔层、微裂纹是叶片疲劳失效的主要萌生点之一,因此需对孔内重熔层的厚度,以及重熔层内裂纹、浮镕球的尺寸和数量做严格的规定,必要时还需采用磨粒流对重熔层进行处理。气膜冷却加工完成后,需进行气流或水流试验来验证是否达到设计流量。

  

  图7 气膜孔的电火花加工,及孔的横、纵向电镜检测

  透平的一级静叶常采用导流衬套形成内部冲击冷却,其与静叶基体采用氩弧焊或钎焊连接。由于两者材料不同、温差较大,易在连接处产生疲劳失效,因此焊接后需进行合理的热处理,并对焊缝质量和连接强度进行检验。

  重型燃气轮机透平叶片与航空发动机涡轮叶片在特种加工工艺上有较强的相似性,因此制定质量验收标准时可以较大程度的参考借鉴。

  7 透平叶片的涂层制备

  透平叶片的涂层制备方法主要有:大气等离子喷涂(APS)、电子束物理气相沉积(EB-PVD)和超音速火焰喷涂(HVOF)等。不同的工艺方法,制备的涂层特性不同,APS方法制备涂层的效率较高,涂层表现为层状堆叠式结构,层状之间的缝隙和空洞使整个涂层呈现出疏松多孔的宏观特性,因此具有较低的热导率和一定的应变韧性。EB-PVD制备涂层的效率较低,涂层表现为柱状晶微结构,柱状晶相互平行,因此其韧性、热循环寿命和耐久性较高。HVOF制备的涂层与APS非常接近,但结构更精细、显微组织更均匀,稳定性更好。三种制备方法在重型燃气轮机透平叶片上均有应用,通常HVOF用于制备耐磨涂层和TBC涂层的金属粘结底层,APS用于制备陶瓷面层,EB-PVD则在西门子V94.3A燃气轮机上得到应用。

  

  图8 APS和EB-PVD制备热障涂层显微组织结构

  由于涂层材料与叶片基体材料热膨胀系数显著不同,服役过程中涂层受到热、力和化学等共同作用,燃气冲蚀、外物冲击、金属粘结层内热生长氧化物(TGO)的形成和膨胀、温度梯度引起的热应力等因素均可能导致涂层出现裂纹、剥落的失效情况。因此,研究涂层的破坏机理和寿命预测方法得到了越来越多的关注。

  为了提高涂层的使用寿命,在叶片涂层的制备过程中,需对涂层的结合强度、氧化率、孔隙率、界面污染率进行严格要求,不允许出现平行基体的裂纹。必要时还需开展相应的试样试验验证。需要注意的是,透平叶片表面涂层厚度并不一致,各处厚度需根据隔热和结合强度要求进行合理设计,并在制备完成后进行细致的涂层厚度检验。

  8 结论

  透平叶片是重型燃气轮机中的核心零部件,迄今仍牢牢控制在外方燃气轮机厂商手中,这也是目前我国燃气轮机电厂运行维护费用高企的主要原因之一。因此,实现重型燃气轮机透平叶片的国产化有着巨大的社会效益和经济效益。

  本文探讨了透平叶片国产化过程中所需解决的若干关键技术问题,试图说明透平叶片国产化并非简单的测绘仿制,需要通过严谨的逆向工程设计才能降低国产化过程中的技术风险。而逆向工程设计内容和流程与叶片正向设计基本一致。

  透平叶片的逆向工程设计极为复杂,涉及到基础材料;多学科交叉分析和优化;精密加工工艺。此外,还需要开展不同条件下的试验验证,受篇幅所限,本文并未对此进行展开探讨。因此,要实现透平叶片的国产化,需要国内在材料-设计-制造-试验等各个环节的企事业单位和科研院所共同合作才可能成功。

  需要特别说明的是,逆向工程设计只是重型燃气轮机透平叶片国产化的基础,可加速技术学习及研究进程,但归根结底需形成自主研发体系才能算得上真正成功。目前我国正在实施“航空发动机和燃气轮机”国家科技重大专项,透平叶片国产化过程中解决的关键技术问题对于自主重型燃气轮机的研制也能提供相应的技术支撑。

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