工业燃气轮机透平叶片材料综述
工业燃气轮机透平叶片材料综述

工业燃气轮机透平叶片材料综述彭建强;张宏涛;周欢欢;马新博;冯天澍【摘要】在分析工业燃气轮机透平叶片对材料性能要求的基础上,简述了透平叶片用高温合金材料的发展过程,并对主要燃气轮机制造商研发和使用的透平叶片材料的成分和典型合金的力学性能进行了论述.定向合金和单晶合金的性能比较表明,定向合金已经成为先进高参数工业燃气轮机透平叶片用主流材料,高温性能更加优异的单晶材料将成为参数更高的工业燃气轮机透平叶片材料研究的重点.【期刊名称】《热力透平》【年(卷),期】2016(045)002【总页数】6页(P153-158)【关键词】工业燃气轮机;叶片材料;高温合金;精密铸件;蠕变强度【作者】彭建强;张宏涛;周欢欢;马新博;冯天澍【作者单位】哈尔滨汽轮机厂有限责任公司,哈尔滨 150046;哈尔滨汽轮机厂有限责任公司,哈尔滨 150046;哈尔滨汽轮机厂有限责任公司,哈尔滨 150046;哈尔滨汽轮机厂有限责任公司,哈尔滨 150046;哈尔滨汽轮机厂有限责任公司,哈尔滨150046【正文语种】中文【中图分类】TK475为了降低温室气体排放量,提高机组的效率,满足市场对工业燃气轮机参数不断提高的需求,世界各燃气轮机制造商都努力通过开发新技术、新材料和新工艺提高机组的参数,从而提高机组的效率。
目前,世界最先进的J级工业燃气轮机透平进气参数已达1 600 ℃,联合循环机组效率超过61.5%[1]。
透平叶片是工业燃气轮机的核心部件之一,工作温度极高,需要承受的应力大且复杂多变。
为了满足先进工业燃气轮机对透平叶片材料的需求,世界各国的燃气轮机制造商研发了各类先进的高温合金精密铸件材料,并且开发了先进的铸造工艺。
铸件从多晶组织发展到单晶组织,蠕变持久强度、疲劳强度等各项性能得到显著提高。
本文在分析工业燃气轮机透平叶片对材料性能要求的基础上,对主要燃气轮机制造商研发和应用的透平叶片材料进行了论述。
1.1 蠕变强度透平叶片材料的使用温度主要取决于材料的蠕变强度。
燃气轮机第四章 燃气透平 PPT课件

一、先进的透平材料和涂层
图4-26透平叶片材料发展趋势
图4-27先进涂层及其降温效应
二、叶片的冷却技术
两类冷却方式: 叶根冷却
一类把冷却空气吹向叶片外表进行冷却; 叶片冷却 一类把冷却空气通入叶片内部的专门流道进行冷却。
非常复杂:
叶片整个浸浴在高温燃气中,无法实现外部冷却; 叶片本身尺寸小,形状也较复杂,内部冷却复杂。
采用空气冷却叶片——从压气机引来一定量的空气,使 其流过叶片内部的冷却通道后,排入主燃气流中。
措施:在冷却空气入口处加装滤网;自压气机内径处引来冷 却空气;在动叶顶开清除孔 。
三、透平叶片的闭环蒸汽冷却
从外部引来蒸汽,对透平的静叶和动叶片冷却后再 引至外部,即蒸汽与燃气隔开而不流入燃气中.
优点:
①消除了冷却空气掺入导致的燃气温度降低; ②无冷却空气掺混引起的扰动,消除扰动损失; ③不需要从压气机中引气,减少了抽气损失。
i > 12~15°
用特性曲线定量估算这种影响。
二、透平特性线的表示方法
通常采用相似参数来绘制
以相似参数为坐标绘制的特性线为通用特性, 不受具体参数变化的影响。
qT T3* p3*
n T3*
T
p3* p4*
T
PT T3*
流量相似参数 转速相似参数
Macz
MauBiblioteka 流动相似=几何相似+运动相似+动力相似
燃气轮机透平静叶烧蚀原因

透平静叶表面的涂层可能因为磨损、腐蚀等原因损坏,使得 叶片表面材料直接暴露在高温燃气中,引发烧蚀。
03
透平静叶烧蚀的检测与诊断
在线监测技术
温度监测
通过安装温度传感器,实 时监测透平静叶的工作温 度,判断是否出现烧蚀现 象。
振动监测
利用振动传感器监测透平 静叶的振动情况,通过分 析振动信号判断是否存在 异常。
燃气轮机透平静叶烧蚀原因
汇报人: 2023-12-29
目录
• 燃气轮机透平静叶烧蚀概述 • 透平静叶烧蚀原因分析 • 透平静叶烧蚀的检测与诊断 • 透平静叶烧蚀的预防与修复措
施 • 案例研究与经验分享
01
燃气轮机透平静叶烧蚀概述
烧蚀现象的定义与特征
定义
烧蚀是指燃气轮机透平静叶在高 温、高速、腐蚀等恶劣环境下, 表面材料逐渐损失的现象。
04
透平静叶烧蚀的预防与修复措 施
运行优化与控制
优化燃气轮机的运行参数
通过调整燃气轮机的运行参数,如温 度、压力和转速,可以降低透平静叶 烧蚀的风险。
控制燃料成分
优化燃料成分,降低其中硫、重金属 等有害物质的含量,可以减轻对透平 静叶的腐蚀。
控制燃烧室温度
保持燃烧室温度在合理范围内,避免 过高或过低的温度,有助于减少叶片 的烧蚀。
预防案例
某大型企业针对燃气轮机透平静叶烧蚀问题,采取一系列预防措施,包括加强燃料质量控制、定期清 理和检查透平静叶表面、优化机组运行参数等。通过这些措施,有效避免了静叶烧蚀问题的发生。
国际合作与技术交流
国际合作
为了解决燃气轮机透平静叶烧蚀问题,国内外的相关企业和研究机构开展了广泛的国际 合作与技术交流。通过合作,共同研发新型耐腐蚀材料和表面工程技术,推动行业技术
燃气轮机透平叶片旋流冷却技术研究综述

燃气轮机透平叶片旋流冷却技术研究综述目录一、内容综述 (2)1.1 背景与意义 (3)1.2 国内外研究现状 (4)1.3 研究内容与方法 (5)二、燃气轮机透平叶片冷却理论基础 (7)2.1 热传导理论 (8)2.2 热对流理论 (9)2.3 热辐射理论 (10)2.4 综合传热理论 (11)三、旋流冷却技术原理及特点 (12)3.1 旋流冷却技术基本原理 (13)3.2 旋流冷却技术特点分析 (14)四、燃气轮机透平叶片旋流冷却结构设计 (16)4.1 喷孔结构设计 (17)4.2 油气混合物分布设计 (18)4.3 冷却通道设计 (19)4.4 叶片材料选择 (20)五、燃气轮机透平叶片旋流冷却数值模拟研究 (22)5.1 数值模拟方法概述 (23)5.2 仿真结果与分析 (24)5.3 改进措施探讨 (25)六、实验验证与性能评估 (27)6.1 实验设备与方案 (28)6.2 实验结果与分析 (29)6.3 性能评估方法 (30)6.4 与其他冷却技术的比较 (32)七、结论与展望 (33)7.1 研究成果总结 (34)7.2 存在问题与不足 (35)7.3 未来发展方向与展望 (36)一、内容综述作为一种高效、高功率的发电设备,其透平叶片在高温高压工作环境下长期运行,面临着巨大的热负荷和材料挑战。
透平叶片的冷却技术成为了燃气轮机设计中的重要环节,随着航空发动机技术的快速发展,透平叶片的旋流冷却技术也得到了广泛的研究和应用。
旋流冷却技术是一种利用旋转气流对叶片进行冷却的方法,通过形成强烈的旋流场,使冷却空气在叶片表面形成强烈涡流,从而有效地带走叶片表面的热量。
这种技术具有结构简单、冷却效果好、适应性强等优点,能够显著提高燃气轮机透平叶片的运行寿命和工作效率。
冷却空气流量优化:通过调整冷却空气的流量,可以实现对叶片温度的有效控制。
适当增加冷却空气流量可以提高叶片的冷却效果,但过高的流量也会导致风机功耗的增加和热效率的下降。
燃气轮机透平叶片涂层技术

8
燃气轮机及其内部透平叶片
根据燃气轮机型号用途不同,每一级的叶片数量和材料也不一 样,其中高压燃气室工作条件恶劣,叶片由于腐蚀寿命短于其 疲劳寿命,使用一段时间后必须修复表面抗腐蚀涂层,保证叶 片的服役寿命。
2015/3/20 中国科学院金属研究所 表面工程叶片工作在温度最高、环境最恶劣的高压燃气室内, 对材料要求严格,主要由单晶高温合金、粘结层和陶瓷层组成。 为提高其使用温度,叶片还配有冷却系统。
燃气轮机透平叶片涂层技术
2015/3/20
中国科学院金属研究所 表面工程研究部
1
燃气轮机应用
发电 舰艇 航空器
2015/3/20
中国科学院金属研究所 表面工程研究部
2
世界上主要的航空发动机生产商
2015/3/20
中国科学院金属研究所 表面工程研究部
3
燃气轮机及其内部透平叶片
2015/3/20
中国科学院金属研究所 表面工程研究部
2015/3/20 中国科学院金属研究所 表面工程研究部 10
冷却系统
高压燃气室温度 1700~1850℃
空气冷却后叶片工作温度 1400~1500℃
高温合金工作温度
1000~1100℃
通过空心叶片冷却系统可以将叶片工作温度降低到1400~1500℃ ,而陶瓷隔热层可以进一步将其降低到高温合金允许的工作温 度 1000~1100 ℃ 2015/3/20 11 中国科学院金属研究所 表面工程研究部
三级高压燃气室叶片 四代航空设计: 效率高 空心冷却: 服役寿命长 单晶材料:力学性能优越 耐腐蚀粘结层:良好韧性和耐腐蚀性能 陶瓷涂层:隔热性能良好
2015/3/20
中国科学院金属研究所 表面工程研究部
工业燃气轮机透平轮盘材料研究

DONGFANG TURBINE
工业燃气轮机透平轮盘材料研究
NO.1 Mar.2018
吕振家,彭建强,张宏涛,冯永志
(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司,黑龙江 哈尔滨,150046)
摘 要:从国内外工业燃气轮机轮盘用材可以看出,轮盘材料主要分为合金钢、9%-12%Cr 铁素体耐热钢和高温合金三
类。文章在论述透平轮盘材料种类及其对性能要求的基础上,讨论了三类轮盘材料的制造工艺、化学成分、各项性能等,并指
气轮机透平轮盘材料的研发和应用。然而,与航空 发动机不同,工业燃气轮机透平轮盘尺寸很大,对轮 盘锻件材料的冶炼、锻造等制造工艺以及化学成分、 力学性能、蠕变持久、疲劳等各项应用性能提出了更 高要求。从国内外工业燃气轮机轮盘用材可以看 出,轮盘材料主要分为合金钢、9%-12%Cr 铁素体耐 热钢和高温合金三类。本文在论述透平轮盘材料种 类及其对性能要求的基础上,讨论了三类轮盘材料 的制造工艺、化学成分、各项性能等,并指出为了大
3 透平轮盘用耐高温材料
从国内工业燃气轮机透平轮盘用材来看,主要 分为三类高温材料,即合金钢、12%Cr 铁素体耐热 钢和高温合金。
3.1 合金钢 早期的工业燃气轮机蒸汽温度不是很高,且透
平冷却结构设计和动叶片长柄叶根结构设计,使涡 轮盘轮缘温度低于 550 ℃。因此,透平轮盘可以采 用合金钢,比如 CrMoV 和 3.5NiCrMoV 钢。CrMoV 是一种贝氏体钢,是常用的汽轮机高温转子用钢, 具有优异的蠕变性能。但是,其缺点是淬透性不
图4不同轮盘材料线膨胀系数比较54国内外轮盘材料的力学性能对比虽然国内高温合金轮盘材料在冶炼工艺微量杂质元素控制等方面与国外还有一定差距但对于某些高温合金轮盘材料比如gh4698gh4742等通过各种工艺优化国内外锻件性能已经相差不大且国产锻件的部分指标已经优于国外
汽轮机叶片材料及性能研究

汽轮机叶片材料及性能研究1. 引言汽轮机是现代工业中最常见的能源转换设备之一,其核心部件之一就是叶片。
汽轮机叶片材料的选择与性能研究对汽轮机的高效运行和长寿命具有重要意义。
本文将探讨汽轮机叶片材料及性能研究的相关内容。
2. 汽轮机叶片材料的选择2.1 高温合金高温合金由镍、铬、钼、钛等元素组成,具有良好的高温强度、抗氧化性和耐蠕变性。
高温合金叶片能够应对高温高压的工作环境,适合用于汽轮机中的高温涡轮叶片。
2.2 钛合金钛合金具有优异的机械性能和耐腐蚀性能,同时具有较低的密度和良好的加工性能。
钛合金叶片在减小汽轮机重量、提高燃烧效率和增加动力输出方面具有显著的优势。
2.3 新型复合材料新型复合材料由纤维增强基体和树脂基体组成,可以根据实际需求进行定制。
这些材料具有轻量化、高强度、高刚度的特点,适用于汽轮机叶片的中低温区域使用。
3. 汽轮机叶片材料的性能研究3.1 强度性能强度是评价汽轮机叶片材料性能的重要指标之一。
通过拉伸试验、硬度试验和冲击试验等方法来评估材料的强度性能。
同时,研究材料的断裂韧性和疲劳性能也非常重要。
3.2 耐腐蚀性能汽轮机叶片工作在高温高压和恶劣环境下,其材料需要具有良好的耐腐蚀性能。
通过模拟真实工作环境进行腐蚀试验,评估叶片材料的抗腐蚀性能,并寻找提高其抗腐蚀性能的方法。
3.3 疲劳性能汽轮机叶片在工作过程中会受到循环载荷的影响,疲劳性能的研究对于提高叶片的使用寿命至关重要。
通过循环拉伸试验和振动试验等方法来评估叶片材料的疲劳性能,并研究其疲劳寿命。
4. 材料改性与优化4.1 表面改性通过在叶片表面进行涂覆、喷涂等处理,可以提高叶片的抗氧化性能、抗腐蚀性能和摩擦磨损性能,延长叶片的使用寿命。
4.2 复合材料结构优化借助材料科学和力学理论,通过优化叶片的结构设计,可以提高叶片的刚度、强度和疲劳寿命。
例如,采用多层复合结构可以提高叶片的载荷分布均匀性。
4.3 合金成分优化通过合金成分的微调和改良,可以改善叶片的机械性能、耐腐蚀性能和抗蠕变性。
透平叶片

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结构
最小的叶片不过5毫米高,用于每分钟数十万转的微型装置中。一只巨型叶片重达46吨,装在中国葛洲坝水电 站1号转桨式水轮机中,转轮外径达11.3米。叶身的横截面称为叶型,是决定叶片效率的主要因素。叶身与壳体 或转子相连接的部分称为叶根。叶根的样式很多。高速透平机械常用枞树型、T型和双T型叶根。叶片顶部往往覆 以围带或叶冠以提高效率,叶身常穿以拉筋以改善振动性能。
种类
透平叶片种类繁多。现代大型电站汽轮机使用几十级由短到长的静、动叶片,使高达30兆帕压力的蒸汽逐级 膨胀到约 0.005兆帕的出口压力。末级叶片的长度可达1.5米。燃气轮机叶片承受1000℃上下的高温,故常制成 内有孔道的空心结构,使冷却介质流过孔道,以降低叶片温度。水轮机转速不高,又是单级,低水头的用螺旋桨式 动叶片;中等水头的用混流式转轮,这种转轮的叶片扭曲度很大,常与转轴制成一体;而高水头水轮机用的冲击 式动叶片,则形如两瓣瓢勺。
①按机械振动学原理,将叶片设计成自振频率调开共振区的“调频叶片”;
②加固结构、增加阻尼、提高强度,将叶片设计或不必调开共振区的“不调频叶片”。离心载荷正比于材料 密度和叶片圆周速度的平方。在高速透平机械中,为了减小离心载荷,常将较长叶片制成顶薄底厚并使叶型沿高 度逐渐扭转,以适应相应的流动角度的变化。这种叶片称为扭叶片。
对透平机械效率的影响 流体流过叶片时会引起能量损失。叶片能量损失越大,透平机械的效率越低。能量 损失主要有叶型损失和端部损失。通过风洞实验等流体动力学的研究,叶型损失已降低到2%左右。端部损失产生 于叶顶和叶根两端,随叶高Байду номын сангаас叶宽之比的减小而增加,故装有短叶片的透平机械效率较低。
可靠性
在高速透平机械中,任何动叶的断落都会引起振动,甚至造成损毁,需要紧急停机检修。因此,叶片的可靠性 至关重要。叶片在运行中承受周期性的脉动力和稳态离心力两种载荷。脉动载荷是由透平机械中流场不均匀所激 发。转子每转一周,叶片就受到一次或多次脉冲。当脉冲频率接近叶片的自振频率时便会出现共振。叶片强烈振 动常是发生事故的根源。解决的办法,除消灭脉冲源外,还可采取:
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1 透 平叶片对 材料 性 能的要 求
1.1 蠕变强度 透平 叶片材料 的使用 温度主要取 决于材料 的
蠕变强度 。材料蠕 变强度 的提高主要 通过合 金化 和制造工艺实现 。提高难 熔金属 (比如 W 、Nb、Ta 和 Mo等)的含 量可 以提高镍 基合金 的蠕变 强度 , 因为这些难熔金属的原子质量很大 ,在合金中很难 扩散 。这些难熔金 属 的添加 量主要取 决于其 在合 金 中的溶解度 和形成有 害第二相 的倾 向性 。在 叶 片的使用温度 (超过熔点 的 2/3)下 ,主要 的蠕变变 形模型为晶界滑移。通过开发先进的铸造工艺 ,已 经可 以制造定 向凝固合金和单 晶叶片精密铸件 ,显 著提高了叶片 的蠕变强度 。 目前 ,定 向合金和单晶 叶片 已经广泛运用于先进 的工业燃气轮机中。
文 献 标识 码 :A
doi:10.13707/j.cnki.31~1922/th.2016.02.015
A Review of Blade M aterials for Industrial Gas Turbines
PENG Jian—qiang,ZHANG H ong-tao,ZH OU H uan—huan,M A Xin—bo,FEN G Tian—shu
金和单晶合金的性能比较表明,定向合金 已经成为先进 高参数 工业燃 气轮机透平叶片用主 流材料 ,高温性 能
更加优异的单晶材料将成 为参数更 高的工业燃气轮机 透平叶片材料研 究的重点 。
关键 词 :工 业燃 气 轮机 ;叶 片 材料 ;高温合 金 ;精 密铸 件 ;蠕 变 强度
中 图分 类号 :TK475
(Harbin Turbine Company,Ltd.,Harbin 150046,China)
A bstract: Based on the analysis of the material property requirements for the industrial gas turbine blade, the development process of superalloy used in the turbine blade is reviewed. The chemical composition of the turbine blade material applied by the main gas turbine manufacturers is discussed,and the mechanical property of the typical alloys is also presented. It is showed that the direetion a lly solidified alloy has become the main blade materials in industrial gas turbines with advanced high parameter by com paring performance between the directiona lly solidified alloy and the single crystal alloy,the research on single crystal material with good high- tem perature performance will become the key point in the industrial gas turbine blade. Key words: industrial gas turbine;blade materials;superalloy;precision castings;creep strength
收 稿 日期 :2o15—06—16 修 订 日期 :2016-o4—03 作者简介 :彭建强(198o一),男,毕业于哈尔滨工业大学 ,研究生 ,工程师,从事汽轮机和燃气轮机材料研发 。
பைடு நூலகம்
为了降低 温室气体排放量 ,提 高机组 的效率 , 满足 市场 对工业燃 气 轮机参 数不 断提 高 的需 求 , 世界各燃 气轮机 制造 商都努 力通 过开 发新技 术 、 新 材料 和新工艺 提高 机组 的参数 ,从 而提高 机组 的效率 。目前 ,世界 最先 进 的 J级工 业燃 气 轮机 透 平进 气参数 已达 1 600℃ ,联合 循 环机 组效 率 超 过 61.5 L1]。透 平 叶片是 工 业 燃气 轮 机 的核 心部件 之一 ,工作温度极高 ,需要 承受 的应力大且 复杂多变 。为 了满足先进工业燃气轮机 对透平 叶 片材料 的需求 ,世 界各 国 的燃 气 轮机制 造商研 发 了各类先进 的 高温合金 精密 铸件 材料 ,并 且开 发 了先进 的铸造工艺 。铸件从多 晶组织发展 到单 晶 组织 ,蠕变 持久强度 、疲劳强度等各项性 能得 到显 著 提高。本文在分析工业燃气轮机透平 叶片对材 料性 能要 求的基 础上 ,对 主要 燃气 轮机 制造 商研 发 和应用 的透平叶片材料进行 了论述 。
(哈 尔滨汽轮 机 厂 有 限 责任 公 司 ,哈 尔滨 150046)
摘 要 :在 分析 工 业燃 气轮 机 透 平叶 片 对材 料 性 能要 求 的基 础上 ,简述 了透平 叶 片 用 高 温合 金 材 料 的发 展 过
程 ,并对 主要 燃 气轮 机 制 造 商研发 和使 用 的透 平 叶 片材料 的成 分和 典 型合 金 的 力 学性 能进 行 了论 述 。 定 向合
第 45卷 第 2期 2016年 6月
文章 编 号 :1672—5549(2016)02—0153—06
热 力 透 平
TH ERM AL TURB lNE
VoL 45 No.2 Jun.2016
工 业燃 号 轮 相 匿 平 叶 片 材料 综 遵
彭建 强,张宏涛 ,周欢欢 ,马新博 ,冯 天澍