燃气轮机透平叶片涂层技术
GE—9FA燃气轮机透平叶片冷却技术分析
GE—9FA燃气轮机透平叶片冷却技术分析燃气轮机在工作的过程中，燃烧室出口温度较高，超过透平叶片最大温度承受值，影响透平叶片的正常工作，如何进行透平叶片冷却至关重要。
本文以GE-9FA燃气轮机为例，从其冷却系统组成及原理分析入手，探讨了透平叶片的冷却技术和冷却原理，并指出了其易出现的故障和故障原因，旨在进一步完善GE-9FA燃气轮机透平叶片冷却技术，促进其应用和发展。
标签：GE-9FA燃气轮机；透平叶片；冷却技术0 前言提升透平进口燃气温度对于提高燃气轮机性能有着重要的作用，但这也对透平叶片的耐温性能提出了更高的要求，采用透平叶片冷却技术来提升其换热效果是保证透平叶片在高温环境下稳定运行的重要手段。
GE公司9FA燃气轮机是国内联合循环机组新型燃机，其采用的透平叶片冷却技术较为先进，冷却效果良好，下面来进行具体分析。
1 GE-9FA燃气轮机透平冷却系统一般来说，保证燃气轮机透平叶片在高温环境下稳定运行的措施有三种，①提升叶片材料耐热性能，例如采取高耐热本体材料，或在叶片表面涂隔热涂层等；②设置超温保护系统来保护叶片，避免其受到高温损坏[1]；③采取叶片冷却技术。
但需要注意的是，叶片材料性能提升毕竟有限，且超温保护系统也已经固化，这两种方式的潜力有限，而透平叶片冷却技术则有着较大发展空间。
在GE-9FA燃气轮机透平冷却系统中，利用压气机内的高压空气能够冷却透平转子、透平叶片及轮盘等相关部件。
其中末级排气冷却第1级静叶，16级抽气冷却沿程轮盘、第1级动叶和第2级动叶，第9级、13级抽气冷却第2级、第3级静叶。
对于第1级静叶来说，其冷却空气流动路径为：燃烧室火焰筒外环腔→前腔、后腔→叶片内部→冷却结构→燃气通道。
对于第2级静叶来说，其冷却空气主要有两股，两股冷气进入叶片路径为：①第一股冷气：前腔→套筒→前缘；②第二股冷气：后腔→套筒→后缘。
需要注意的是，第二股冷气经过后缘之后，一部分由后缘直接排出，另一部分则与冷气进入叶片，从底部排出，在整个排出的过程中对沿路各个部件进行冷却。
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
燃气轮机透平叶片参数化设计及优化
析和方差分析。直观分析就是根据试验的结果分析试验
值随着因素水平的变化而变化的趋势，直观的找出使得
试验目标最优的因素水平的组合
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透平叶片优化设计
响应面方法（RSM）
RSM就是寻求响应和因子集合之间的真实函数关系的一个合适的逼近式。 如果响应适合于因子的线性函数模型，则近似函数是一阶模型: 如果响应非线性，则必须用更高阶的多项式，例如二阶模型:
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透平叶片优化设计
案例
参与正交试验设计的变量为: 其余参数L，a1，和a2取值与原始叶型相同。
和叶片数z，它们的水平设置如表所示，
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透平叶片优化设计
案例
①任一列的所有水平的重复数 相同;②任两列的所有可能的水 平组合的重复数相同。凡满足 这两个条件的表就可以称为正 交表。
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透平叶片参数化表达
二维叶形
控制厚度分布的各参数意义如下: —前缘厚度，定义为中弧线前缘
点圆半径尺与L的比值; —尾缘厚度，定义为中弧线尾缘
点圆半径凡与L的比值; —最大厚度，定义为中弧线上最
大圆的半径凡与L的比值; —最大厚度位置，定义为前缘点
到最大圆圆心的轴向距离瓜与轴向弦 长L的比值;
叶片设计及优化
正问题法
己知叶栅的几何参数，要求解出流场，求得叶片表面的速度、压力等分布。 正问题方法设计叶片，就是利用正问题的计算结果修改几何参数，反复进 行正问题计算直到获得满意的气动参数分布为止。
反问题法
给定叶片表面的压力分布，通过数值方法反求得叶片的几何形状。
数值优化设计 通常需要在某种叶片参数化表达基础之上，通过流场模拟及优化算法，确
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燃气轮机透平动叶异型曲面喷涂程序开发研究
燃气轮机透平动叶异型曲面喷涂程序开发研究袁小虎;李定骏;刁金艳;冯文【摘要】文章用RobotStudio离线编程软件研究解决了机器人在燃机透平动叶片异型曲面上涂层制备的均匀性问题.其方法是首先在RobotStudio软件中建立模拟喷涂工作站,用微积分原理将异型叶身曲面剪截分成16个小部分,用联动计算、轨迹修正、外轴转角修正等优化方法,编制出透平动叶片叶身的喷涂程序.最后,用挂样方法验证喷涂程序,喷涂结果显示涂层厚度在0.11~0.15 mm,非常均匀,证实了编制程序的可喷涂性.【期刊名称】《东方汽轮机》【年(卷),期】2017(000)003【总页数】4页(P38-41)【关键词】RobotStudio离线编程软件;透平动叶;机器人;涂层【作者】袁小虎;李定骏;刁金艳;冯文【作者单位】东方汽轮机有限公司,四川德阳,618000;东方汽轮机有限公司,四川德阳,618000;东方汽轮机有限公司,四川德阳,618000;东方汽轮机有限公司,四川德阳,618000【正文语种】中文【中图分类】TG174Abstract：The article uses RobotStudio software to solve the problem of uniformity of coating preparation in the gas turbine blade differentsurface．Firstly,simulation workstation is established in RobotStudio software．Secondly,the blade body is divided into 16 pieces with the calculus principle．Thirdly,whole spraying process of blade surface is worked out by linkage,trajectory correction,external axis angle correction．Finally,the spraying process is verified by sample method,the results show that the coating thickness is between 0．11 ～ 0．15 mm,and very uniform,It confirms the spraying of the program．Key words：RobotStudio software,turbine blade,robot,coating热喷涂中，常常伴随高温、粉尘、有毒气体等损害人身心健康的因素，故适用于机器人作业。
浅谈燃气涡轮发动机热障涂层技术发展
强化主轴承和裙部的结合部，同时用加强筋加强油底壳的安装部分，在缸体两侧面布置网状的筋也可以有效降低表面辐射噪音。
在布置加强筋时，重点考虑数量、高度以及分布。
加强筋被布置成“井”字形的长方形网格结构，缸体的气缸孔上部更加有利于承受爆发压力的拉伸传递，而在裙部则有利于承受曲轴支承的反作用力和整个机体的弯曲刚度和扭转刚度。
加强筋设计的厚度大致等于壁厚，较矮加强筋的高度都大于壁厚，避免承载截面的增加不足以抵偿由加强筋引起的应力分布不均，而较高的将强筋也尽量控制其高度，避免材料浪费以及局部区域应力增加和铸造困难。
（图8）4总结本设计结合增压发动机整体要求，在参考机型的基础上完成了对缸体主要结构参数的优化和主要部位的设计。
可靠性是基本要求，设计始终围绕着最小的摩擦损失、最优NVH （振动和噪音）以及轻量化三个方向进行。
设计中缸体用铝合金低压铸造，整体采用全支承、龙门结构，水套采用开放式短水套设计，轴承座应用隔震式结构，曲轴孔偏置，通风回油设计和加强筋的布置完美结合，全面体现了我司最新的设计思路和理念。
参考文献:[1]袁兆成主编.内燃机设计[M].机械工业出版社，2008.[2]杨连生主编.内燃机设计[M].中国农业机械出版社，1981.[3]朱仙鼎主编.内燃机工程师手册[M].上海科学技术出版社，2006.[4]王文斌主编.机械设计手册[M].机械工业出版社，2004.图8加强筋的布置图7缸间通气孔0引言半个多世纪以来，燃气涡轮发动机（如航空发动机、燃气轮机等）技术迅速发展，燃气涡轮发动机设计工作温度不断提高，目的是提高热效率。
目前，涡轮叶片所用单晶高温合金使用温度已经接近极限，可以说金属耐高温性能进一步提高是非常困难的，因此，开发热障涂层（TBC ）新技术变得非常关键。
热障涂层是将某种抗高温、耐腐蚀、隔热性能好的陶瓷材料涂覆在高温合金基体表面，来降低基体金属表面温度、提高基体金属耐高温氧化腐蚀能力的热防护技术，是燃气涡轮发动机领域关键技术之一。
03-3燃气透平原理
工作气体温度高； 燃气透平级焓降高、转换能量大、燃气透 平级的气动负荷大，整个透平的级数少
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燃气透平的工作原理 燃气透平的特性曲线 燃气透平零部件的冷却 燃气透平高温部件的材料和涂层
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§5.1 燃气透平的工作原理
当高温高压的燃气流过透平静叶（喷嘴） 时，使气流加速，相应地燃气的压力和 温度却会逐渐下降。在静叶中燃气的部 分焓值转化成为动能，当这股具有相当 速度的燃气以一定的方向喷射到工作轮 上的动叶流道中去时，就会在动叶片上 产生周向分力，从而推动工作叶轮连续 旋转，并使燃气速度下降，在这个过程 中，燃气就把部分能量传递给了工作叶 轮，使叶轮在高速旋转中对外界作出机 械功。
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§5.2 燃气透平的特性曲线
(2)在折合流量一 折合流量一 定时， 定时，折合转速随 膨胀比提高而增加， 膨胀比提高而增加， 但膨胀比的增加会 有一个最大值。 有一个最大值。相 同膨胀比对应的大 折合转速点为低效 率点。 率点。
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§5.2 燃气透平的特性曲线
(3)在膨胀比一定 膨胀比一定 时，小的折合流 量与较大的折合 转速对应。 转速对应。
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§5.1.3 透平级中工质能量的转化关系
燃气流过动叶时，燃 气压力继续下降（同 时会引起温度和焓值 的降低），可以促使 相对速度w2增高，其 结果在工作叶轮上将 会有一部分压力势能 转化为膨胀功。
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§5.1.3 透平级中工质能量的转化关系
在透平级中， 在透平级中，动叶 流道的通流面积为 等截面的燃气透平 等截面的燃气透平 级，称为冲动式透 称为冲动式透 平级， 平级，反动度=0 反动度=0
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涡轮新技术的发展和应用
1、叶型技术
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涡轮新技术的发展和应用
燃机电厂燃气轮机热端部件涂层技术研究与实践
燃机电厂燃气轮机热端部件涂层技术研究与实践燃机电厂燃气轮机热端部件涂层技术研究与实践随着全球能源需求的不断增长，燃机电厂作为一种高效能源转换方式得到了广泛应用。
燃气轮机作为燃机电厂的核心设备之一，其热端部件承受着高温高压和恶劣工作环境的考验。
为了提高燃气轮机的性能和寿命，研究和实践燃气轮机热端部件涂层技术显得尤为重要。
一、燃气轮机热端部件涂层技术简介在燃气轮机的热端部件上应用涂层技术，可以提高其抗氧化、抗热腐蚀和耐磨损的能力。
常见的涂层材料包括镍基合金、钴基合金、陶瓷材料等。
这些涂层用于燃气轮机热端部件的加工制造中，可以提高部件的耐高温、耐腐蚀和抗磨损性能，从而延长部件的使用寿命。
二、燃气轮机热端部件涂层技术的研究进展1. 涂层材料的研究：随着科学技术的不断发展，涂层材料的研究也在不断深入。
目前，钼铝质涂层、钨铯质涂层、陶瓷涂层等都获得了较好的应用效果。
2. 涂层制备工艺的研究：在燃气轮机热端部件的涂层制备过程中，涂层制备工艺是十分关键的。
采用真空喷涂、电弧喷涂、等离子射流喷涂等方法，结合合适的制备参数，可以获得高质量的涂层。
3. 涂层性能的评价与测试：为了准确评价涂层性能，需要进行涂层的物理性能、化学性能、机械性能等方面的测试。
能够通过扫描电子显微镜、摩擦磨损试验、高温氧化实验等手段来评价涂层的性能。
三、燃气轮机热端部件涂层技术在实践中的应用燃气轮机热端部件涂层技术在实践中得到了广泛的应用。
通过应用涂层技术，燃气轮机的热端部件可以获得更好的抗氧化和抗热腐蚀能力，降低了部件的磨损率和维修次数，从而提高了燃气轮机的可靠性和可维修性。
四、燃气轮机热端部件涂层技术的发展趋势1. 涂层材料的多元化：未来涂层材料的研发将会更加注重多元化。
不仅在材料的种类上有所突破，还会研究新材料的组合使用，以实现更好的涂层效果。
2. 涂层工艺的智能化：随着智能制造的不断发展，涂层工艺也将向智能化方向发展。
采用先进的涂层制备设备和自动化生产线，可以提高涂层的制备效率和质量。
国内外地面燃气轮机涡轮叶片材料及涂层技术PPT课件下载精选全文完整版
100MW以上
20-100MW
中型燃气轮机
燃气轮机发展背景 ——柴油机、蒸汽轮机、燃气轮机比较
动力装置
柴油机
蒸汽轮机
燃气轮机
重量
大
大（金属耗量比燃机多3-5倍）
小
体积
大
很大（厂房比燃机大2.5-4倍）
小
功率
小
大
大
单位重量
大
很大
小
燃料消耗率 （热效率）
低 （热效率高）
较高 （热效率较高）
舰船 动力
军用舰艇 舰载机 商用豪华客轮 豪华游艇动力
军用坦克、装甲车辆 油田注水、注气、气举采油 输油和输气管道增压 铁路机车动力驱动
机械 驱动
主要 应用 领域
燃气轮机发展背景 ——燃气轮机主要应用领域
工业 电力
预计2020年全世界燃气轮机发电将占50%
单轴重型结构，初期高温合金，简单空冷技术。性能参数特征：涡轮进口温度小于1000℃，简单循环效率小于30%，增压比4-10。 涡轮进口温度达到1260-1300℃，增压比10-30，简单循环效率36-40%，联合循环效率55-58%。 第三代：使用最先进的高温合金和少量现有的超级合金、陶瓷材料，涡轮进口温度在1400℃～1500℃，短时达到1600℃。 第四代：涡轮进口温度达1600-1800℃，新材料应是密度小于5g/cm3、具有更好的综合性能，也许陶瓷材料是一种选择。
Ni Superalloy Turbine Airfoils: Significant Advances in Alloys and Casting Processes…
Alloy Temperature Capability (oF)
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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
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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
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燃气轮机及其内部透平叶片
四级低压涡轮叶片 钛铝合金：重量轻，能耗低
2015/3/20
中国科学院金属研究所 表面工程研究部
叶片使用的涂层历史
简单铝化物涂层
1911, Van Aller Aluminde Coating Patent, USA
改性铝化物涂层
MCrAlY 涂层 热障涂层
1972, GE Platinum aluminide coating Patent, USA
1942, World War II Germany first used it in planes
4
燃气轮机及其内部透平叶片
一级进气涡轮叶片 低油耗 韧性好 抗外物损伤 耐腐蚀，不需要润滑油 无需维护
2015/3/20
中国科学院金属研究所 表面工程研究部
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燃气轮机及其内部透平叶片
二级压缩室叶片 压缩比:10倍，最高热效率 低油耗
2015/3/20
中国科学院金属研究所 表面工程研究部
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燃气轮机及其内部透平叶片
金属研究所表面工程部制备简单 铝化物涂层
2015/3/20
中国科学院金属研究所 表面工程研究部
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改性铝化物涂层
改性铝化物涂层分为： 铬改性铝化物涂层； 硅改性铝化物涂层； 钴改性铝化物涂层； 铂改性铝化物涂层； 稀土元素改性铝化物涂层等。 其中铂改性铝化物涂层抗腐蚀 性能最为优良，是一种重型防 护涂层。 表面工程研究部成功研制单相 铂铝涂层，具有较好的韧性， 更加适应航空发动机的工作条 件。
2015/3/20
金属研究所表面工程部制备 MCrAlY涂层+热障涂层
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中国科学院金属研究所 表面工程研究部
叶片涂层制备技术-CVD
Chemical Vapor Deposition 化学气象沉积 主要用于在叶片表面涂覆铝化 物涂层和改性铝化物涂层。 优点：结合力优异 沉积速度快 可沉积叶片内腔
MCrAlY Coating
Thermal Barrier Coating 2014
2015/3/20
中国科学院金属研究所 表面工程研究部
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简单铝化物涂层
简单铝化物涂层利用化学气相 沉积、包埋法等方式高温下在 叶片表面渗铝，形成一层富含 铝元素的涂层，为叶片提供防 护。 金属研究所表面工程部制备简 单铝化物涂层满足ASTM B87596美国标准，并可根据用户需 求定制特殊涂层。
左：表面镀铂后的叶片 右：电化学工作槽
2015/3/20 中国科学院金属研究所 表面工程研究部 17
透平叶片涂层技术
谢谢！
2015/3/20
中国科学院金属研究所 表面工程研究部
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2015/3/20
美国通用电气生产铂铝涂层
金属研究所表面工程部 制备铂铝涂层
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中国科学院金属研究所 表面工程研究部
MCrAlY涂层+热障涂层
MCrAlY涂层和铂铝涂层既可以作为粘结层与顶层 热障涂层一起使用，也可以单独使用。提高叶片 使用温度，同时提高其耐腐蚀性能。
热障涂层
MCrAlY涂层
金属研究所表面工程部EB-PVD设备 用于制备生产热障涂层和MCrAlY涂 层
表面工程部工业用大型CVD渗 铝炉，可以满足大部分部件渗 铝要求
气相渗铝装置及粉末、部件摆放位置示 意图
中国科学院金属研究所 表面工程研究部
2015/3/20
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叶片涂层修复技术-可修复铂铝和MCrAlY涂层
利用电化学和化学气象沉积技 术，将使用后叶片表面溶解并 再涂覆铂铝/MCrAlY涂层。 主要用于在叶片表面再涂覆铂 铝涂层。 延长叶片使用寿命。