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      由于安裝條件、使用期限、使用燃料和工作環境不同，燃氣輪機與航空發動機渦輪葉片存在一定的聯系與差異， 主要體現在尺寸、質量、運行環境、壽命等方面，如下表所示。

      高溫合金材料在燃氣輪機及航空發動機等領域發揮著至關重要的作用。隨著航空發動機推重比增大，渦輪前溫度不斷提高，要求高溫合金的力學性能也相應提高。燃氣輪機功率和效率的不斷提高，是靠提高渦輪初溫（相當于航空發動機的渦輪進口溫度）來實現的，同樣需要采用承溫能力越來越高的高溫合金。

      高溫合金在航空發動機和燃氣輪機渦輪葉片中的應用如下圖所示，二者所用高溫合金成分基本類似。

      先進燃氣輪機渦輪葉片需要在高溫熱腐蝕環境下長期工作，而且尺寸較大，為了保證長期工作的可靠性，必須考慮葉片材料組織和性能的穩定性，特別是工業燃氣渦輪使用含硫（S） 和釩（V）較高的低級燃料， 會對合金產生嚴重腐蝕。

      燃氣輪機和航空發動機渦輪葉片高溫合金的成分設計差異主要有以下幾個特點 ：

•  燃氣輪機用高溫合金中Cr含量明顯高于航空發動機， 因為Cr能生成Cr₂O₃保護性氧化膜，有效地減慢合金的熱腐蝕和硫化腐蝕；
• 燃氣輪機用高溫合金中Al、Ti的加入總量和航空發動機相差不大，但是Ti/Al高于航空發動機， 高Ti/Al合金對于良好的抗熱腐蝕性能是必要的，但Ti/Al過高，會顯著提高定向合金的熱裂傾向 ；
• 燃氣輪機用高溫合金中Mo元素含量較低，Mo在熱腐蝕環境中容易引起酸性熔融反應， 產生嚴重的熱腐蝕，因此在燃氣輪機用抗熱腐蝕高溫合金中，Mo的含量一般較低，加入量以1.5%以下為宜 ；

• 燃氣輪機中的抗熱腐蝕高溫合金中一般不含錸（Re）等貴金屬元素，Re是航空發動機用單晶高溫合金中的重要強化元素，可以顯著提升合金的高溫強度， 隨單晶高溫合金承溫能力的不斷提高，合金中所需的Re元素的含量也在不斷增加，第四代單晶合金中Re的含量已經達到6%左右， 但是貴金屬元素的價格昂貴、資源稀缺，考慮燃氣輪機的制造成本，目前大規模商業化的燃氣輪機使用的葉片材料以及正在研制的高強抗熱腐蝕單晶高溫合金中均不含Re， 正在推向市場的G/H級燃氣輪機中，僅有美國GE公司使用了含3%Re元素的第二代單晶高溫合金。

      葉片冷卻結構設計要求在盡可能少的冷卻空氣用量下，將葉片的金屬溫度降低到可以保證足夠壽命的水平。如下圖所示，葉片冷卻結構設計的發展歷程是 ：從簡單的對流冷卻結構，到沖擊冷卻、氣膜冷卻，再到復合冷卻、鑄造冷卻結構，并不斷發展新材料、新涂層、新工藝。

      在燃氣輪機和航空發動機中， 對流冷卻和沖擊冷卻是最早開發并得到采用的冷卻技術，冷卻效力較低，但不需要在葉片表面開孔，能保證更長的葉片壽命，因此現有的E級、F級、G級燃氣輪機的后幾級渦輪葉片和航空發動機的低壓渦輪葉片，仍然在使用純對流和沖擊冷卻。

      隨著燃氣溫度的升高，目前的航空發動機高壓渦輪葉片已經采用了全氣膜覆蓋的設計，能在葉片表面形成完整覆蓋、幾乎無間斷的氣膜保護，大幅提高了葉片承受高溫的能力。燃氣輪機由于渦輪初溫相對較低，對冷卻氣體的需求量相對較少，一般只是在壓力面和前緣布置氣膜孔，在吸力面，尤其是喉部及以后區域很少設置氣膜孔。但近20年來，隨著渦輪進口溫度不斷上升，葉型不斷優化，H級、J級燃氣輪機也逐漸采用了全氣膜的葉片冷卻設計，例如西門子SGT5-8000H燃氣輪機的第1級靜子葉片和轉子葉片。

      燃氣輪機和航空發動機渦輪葉片的冷卻設計理論和原理是通用的。但二者在冷卻設計的細節上卻有較大的不同：

• 一般來說，航空發動機渦輪葉片小，冷卻結構復雜、緊湊，在先進冷卻技術的使用上比較超前。而燃氣輪機渦輪的進口溫度相對較低，葉片大，設計時注重高氣動效率和長壽命，因此冷卻設計更偏向于高可靠性和耐用性。

• 從結構布置看，燃氣輪機葉片冷卻設計尺寸限制相對較少，設計自由度相對較大、壁較厚，以保證更長的壽命 ；

• 從各種冷卻技術的應用來看， 燃氣輪機在新技術、新材料的使用上較為滯后，傾向于更可靠、更低成本的設計 ；

• 從冷氣量來看，F級、G級燃氣輪機的冷卻空氣占壓氣機進口流量的16% ～ 20%，而航空發動機的冷卻空氣可達20% ～ 30% ；

• 從氣膜孔尺寸來看，常見的航空發動機葉片葉身上的氣膜孔、縫數量很多，氣膜孔孔徑也較小，一般尺寸為0.1 ～ 0.8mm，而燃氣輪機的氣膜孔數少，孔徑較大，一般為0.5 ～ 1mm。
   

      在過去的數十年中，制造熔鑄工藝的改進與革新對渦輪葉片的發展起到了重要的推進作用。其中， 定向凝固技術的發展可以使渦輪葉片承受高溫的能力大幅提升，單晶葉片的出現將材料的高溫力學性能提升到了全新的高度。渦輪葉片模具與型芯制造技術的發展，使各種復雜冷卻結構葉片從設計到成品的工藝可操作性更強。

      由于燃氣輪機渦輪葉片無論在幾何尺寸還是質量上都大于航空發動機，燃氣輪機渦輪葉片的熔鑄工藝又出現了一些自身獨有的新特性。

      在燃氣輪機所涉及的大型定向結晶葉片制造工藝中，定向凝固技術（HRS）是關鍵技術之一。HRS從20世紀80年代開始已經被廣泛用于航空發動機定向結晶與單晶葉片制造中。此后，燃氣輪機也沿用了HRS技術，用以制造大型定向結晶葉片。但是，隨著葉片尺寸的增加，大型定向結晶葉片的工藝窗口很小，在鑄造過程中極易出現等軸晶、縮孔、雀斑等缺陷，如下圖所示。

      在制造模具過程中，蠟模質量直接決定了最終葉片的尺寸精度。對于燃氣輪機渦輪葉片的鑄造，蠟模尺寸大，部分葉片尺寸超過600mm， 葉身部分冷卻結構復雜且厚度不均，冷卻速率緩慢，導致葉身部分收縮變化大，對尺寸精度控制帶來了很大的困難。蠟模假芯的應用很好的解決了這一問題，通過預先壓制的假芯來減少蠟模的壁厚，一方面保證了蠟模充型的完整，另一方面減少了蠟模的收縮量，防止縮限與尺寸變化過大，通過壓制參數的調整配合，可以有效地解決壓蠟時因體積收縮帶來的尺寸問題。

      隨著燃氣輪機渦輪葉片工作溫度的不斷提升，新型冷卻通道也被廣泛使用，新型冷卻結構尺寸細小， 結構復雜，只能通過預制陶芯來實現。陶芯根據材料的不同可以分為硅基和鋁基。

 

文章轉自：燃氣輪機聚焦

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