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涡轮高温叶片研发成功
来源:江苏省可再生能源行业协会-中国绿色能源网 浏览:4662次 发布于2012-9-27
 
涡轮高温叶片研发成功

  安装中的重型燃气轮机
  资料图片

  燃气轮机是现代制造业的“动力之源”,其中的涡轮高温叶片则是燃气轮机的核心部件之一。日前,上海市科委重大专项课题“高温合金叶片制造技术研究”在上海大学通过专家验收,这也标志着该领域的国产技术已接近国际最高水平。

  叶片技术制约我国燃气轮机发展

  燃气轮机被公认为世界上最难制造的机械装备,又称制造业“皇冠上的明珠”。它是大型客机、特种船舶和民用发电等领域的主要动力源之一,现代燃气轮机的热效率已达到42%以上,是最高效的动力设备之一。

  据专家介绍,涡轮高温叶片是燃气轮机的核心部件,在高温、高速、高应力和高腐蚀的环境下工作,其结构复杂,制造难度大,对组织性能和加工质量要求极高,国外对此项技术严格保密,严重制约我国重型燃气轮机的发展。

  为解决上述问题并推动上海市高端制造业的创新发展,2008年上海市科委设立重大研究专项课题,针对当前国际上最先进的F级256兆瓦重型燃气轮机涡轮高温叶片开展技术研究和攻关,由上海大学和其它几家单位共同承担。

  形成独特的工艺路线

  据介绍,涡轮叶片的制造原理是将镍基金属溶液浇铸在模具中,再进行冷却结晶,过程类似于冬天水汽在玻璃窗上遇冷结晶形成“冰花”。涡轮叶片能否耐受高温、是否有足够的强度,和结晶过程中的温度以及晶体形成的数量、甚至方向都有关系。一般来说,晶粒数越少,叶片的耐高温性越好,也越能胜任发电机燃气轮机等高功率设备用途。目前行业内最难的技术,是让整个叶片成为一个晶粒,即“单晶”技术。此外,如果让晶粒有序地向一个方向排列,也能提高叶片强度,避免断裂,此项技术为“定向”技术。

  通过四年的努力,课题组在上述两种技术路径上均有突破,还形成了自己独特的工艺路线。例如,通过施加磁场控制,避免金属溶液在结晶过程中无序流动,使成品的材料密度更加均匀;通过设置叶片不同位置的温度梯度,控制晶体生长速度等。

  据课题负责人、上海大学教授任忠鸣介绍,课题组在合金净化、精铸控制、工艺优化等领域取得突破性进展,成功研制出F级256兆瓦重型燃气轮机涡轮第二级高温合金定向凝固叶片。同时,在上海大学建立起的高温合金叶片研究中心,已形成燃气轮机等高温合金精密铸造热端部件的制造技术研究、工艺试验、产品检测和小批量生产的能力。目前,课题组已经为微型燃气轮机试生产了三台份(套)高温涡轮叶片,用于试机和试车。同时还为国内精铸企业试生产了燃气轮机高温涡轮动力叶片、导向叶片和矢量喷口导向叶等关键部件。

  有望突破国际高价垄断

  据了解,由于国外对这项技术的严格封锁,目前我国大部分电厂的燃气轮机都是整机从国外购买,这些设备价格不菲,一台就需要花费十几亿元,而维修设备更是源源不断地巨资投入。

  任忠鸣算了笔账:一片进口单晶叶片的造价约在40万元左右,经过中间代理商卖给中国厂家,价格翻了2.8倍,即112万元,一台燃气轮机需要由数级涡轮叶片组成,其中1级涡轮叶片需由96片这种的单晶叶片组成,也就是说,仅1级涡轮叶片的购买价格,就在1亿元左右,也就难怪整台设备开出如此天价。

  任忠鸣说,等生产工艺稳定之后,上海大学自主研发的单晶叶片造价大约为10万元/片,仅为国外价格的1/4,这无疑将大大降低电厂、大型客机、特种船舶等使用燃气轮机领域的成本,而国产单晶叶片投入市场,大约还有3―5年的路程要走。

  验收专家组对此建议,上海市政府及有关方面对该项目继续给予大力支持,使上述成果进一步实现工艺稳定和工程优化,并加速其在重型燃气轮机开发和制造领域的应用。同时,建议进一步开展F级重型燃气轮机透平的第一级高温合金单晶空心叶片的研制工作,从而为提升我国的高端制造业服务。

  仍需重点突破核心技术

  据介绍,我国的燃气轮机制造业始于上世纪五十年代,六十至七十年代各汽轮机厂都曾研制生产过燃气轮机。当时主要是参照前苏联技术,进行仿制和自主设计,成功研制了部分燃气轮机。但随着国家能源结构调整,天然气供应不足,燃气轮机研制在逐步失去市场。上汽、哈汽的燃机项目无奈下马,高校的燃机专业关停,大量燃机人才转行。30年的断层让我国燃气轮机技术错过了国外高速发展的时期,迅速与国际水平拉大了差距。近10年来,随着国家能源战略的调整,燃气轮机才重新步入发展的快车道。

  此前,记者从中国电机工程学会燃气轮机专业委员会了解到,要加快燃机发展速度,进行跨越式发展,就要引进、消化、创新联动,重点突破核心技术,包括:金属材料冶炼制造、叶片喷嘴加工技术、大型部件热处理、大型部件复合总成、计算机控制、检测仪表,也包括能源综合技术、热电联供技术、燃气蒸汽循环技术、振动测试分析等。

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