由于安裝條件、使用期限、使用燃料和工作環(huán)境不同，燃?xì)廨啓C(jī)與航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片存在一定的聯(lián)系與差異， 主要體現(xiàn)在尺寸、質(zhì)量、運(yùn)行環(huán)境、壽命等方面，如下表所示。

      高溫合金材料在燃?xì)廨啓C(jī)及航空發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比增大，渦輪前溫度不斷提高，要求高溫合金的力學(xué)性能也相應(yīng)提高。燃?xì)廨啓C(jī)功率和效率的不斷提高，是靠提高渦輪初溫（相當(dāng)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，同樣需要采用承溫能力越來(lái)越高的高溫合金。

      高溫合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片中的應(yīng)用如下圖所示，二者所用高溫合金成分基本類似。

      先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片需要在高溫?zé)岣g環(huán)境下長(zhǎng)期工作，而且尺寸較大，為了保證長(zhǎng)期工作的可靠性，必須考慮葉片材料組織和性能的穩(wěn)定性，特別是工業(yè)燃?xì)鉁u輪使用含硫（S） 和釩（V）較高的低級(jí)燃料， 會(huì)對(duì)合金產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕。

      燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片高溫合金的成分設(shè)計(jì)差異主要有以下幾個(gè)特點(diǎn) ：

•  燃?xì)廨啓C(jī)用高溫合金中Cr含量明顯高于航空發(fā)動(dòng)機(jī)， 因?yàn)镃r能生成Cr₂O₃保護(hù)性氧化膜，有效地減慢合金的熱腐蝕和硫化腐蝕；
• 燃?xì)廨啓C(jī)用高溫合金中Al、Ti的加入總量和航空發(fā)動(dòng)機(jī)相差不大，但是Ti/Al高于航空發(fā)動(dòng)機(jī)， 高Ti/Al合金對(duì)于良好的抗熱腐蝕性能是必要的，但Ti/Al過(guò)高，會(huì)顯著提高定向合金的熱裂傾向 ；
• 燃?xì)廨啓C(jī)用高溫合金中Mo元素含量較低，Mo在熱腐蝕環(huán)境中容易引起酸性熔融反應(yīng)， 產(chǎn)生嚴(yán)重的熱腐蝕，因此在燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)用單晶高溫合金中的重要強(qiáng)化元素，可以顯著提升合金的高溫強(qiáng)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(jīng)達(dá)到6%左右， 但是貴金屬元素的價(jià)格昂貴、資源稀缺，考慮燃?xì)廨啓C(jī)的制造成本，目前大規(guī)模商業(yè)化的燃?xì)廨啓C(jī)使用的葉片材料以及正在研制的高強(qiáng)抗熱腐蝕單晶高溫合金中均不含Re， 正在推向市場(chǎng)的G/H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中，僅有美國(guó)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展歷程是 ：從簡(jiǎn)單的對(duì)流冷卻結(jié)構(gòu)，到?jīng)_擊冷卻、氣膜冷卻，再到復(fù)合冷卻、鑄造冷卻結(jié)構(gòu)，并不斷發(fā)展新材料、新涂層、新工藝。

      在燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)中， 對(duì)流冷卻和沖擊冷卻是最早開(kāi)發(fā)并得到采用的冷卻技術(shù)，冷卻效力較低，但不需要在葉片表面開(kāi)孔，能保證更長(zhǎng)的葉片壽命，因此現(xiàn)有的E級(jí)、F級(jí)、G級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的后幾級(jí)渦輪葉片和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓渦輪葉片，仍然在使用純對(duì)流和沖擊冷卻。

      隨著燃?xì)鉁囟鹊纳撸壳暗暮娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉片已經(jīng)采用了全氣膜覆蓋的設(shè)計(jì)，能在葉片表面形成完整覆蓋、幾乎無(wú)間斷的氣膜保護(hù)，大幅提高了葉片承受高溫的能力。燃?xì)廨啓C(jī)由于渦輪初溫相對(duì)較低，對(duì)冷卻氣體的需求量相對(duì)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(qū)域很少設(shè)置氣膜孔。但近20年來(lái)，隨著渦輪進(jìn)口溫度不斷上升，葉型不斷優(yōu)化，H級(jí)、J級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)也逐漸采用了全氣膜的葉片冷卻設(shè)計(jì)，例如西門(mén)子SGT5-8000H燃?xì)廨啓C(jī)的第1級(jí)靜子葉片和轉(zhuǎn)子葉片。

      燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的冷卻設(shè)計(jì)理論和原理是通用的。但二者在冷卻設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)上卻有較大的不同：

• 一般來(lái)說(shuō)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片小，冷卻結(jié)構(gòu)復(fù)雜、緊湊，在先進(jìn)冷卻技術(shù)的使用上比較超前。而燃?xì)廨啓C(jī)渦輪的進(jìn)口溫度相對(duì)較低，葉片大，設(shè)計(jì)時(shí)注重高氣動(dòng)效率和長(zhǎng)壽命，因此冷卻設(shè)計(jì)更偏向于高可靠性和耐用性。

• 從結(jié)構(gòu)布置看，燃?xì)廨啓C(jī)葉片冷卻設(shè)計(jì)尺寸限制相對(duì)較少，設(shè)計(jì)自由度相對(duì)較大、壁較厚，以保證更長(zhǎng)的壽命 ；

• 從各種冷卻技術(shù)的應(yīng)用來(lái)看， 燃?xì)廨啓C(jī)在新技術(shù)、新材料的使用上較為滯后，傾向于更可靠、更低成本的設(shè)計(jì) ；

• 從冷氣量來(lái)看，F(xiàn)級(jí)、G級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的冷卻空氣占?jí)簹鈾C(jī)進(jìn)口流量的16% ～ 20%，而航空發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻空氣可達(dá)20% ～ 30% ；

• 從氣膜孔尺寸來(lái)看，常見(jiàn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片葉身上的氣膜孔、縫數(shù)量很多，氣膜孔孔徑也較小，一般尺寸為0.1 ～ 0.8mm，而燃?xì)廨啓C(jī)的氣膜孔數(shù)少，孔徑較大，一般為0.5 ～ 1mm。
   

      在過(guò)去的數(shù)十年中，制造熔鑄工藝的改進(jìn)與革新對(duì)渦輪葉片的發(fā)展起到了重要的推進(jìn)作用。其中， 定向凝固技術(shù)的發(fā)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(xiàn)將材料的高溫力學(xué)性能提升到了全新的高度。渦輪葉片模具與型芯制造技術(shù)的發(fā)展，使各種復(fù)雜冷卻結(jié)構(gòu)葉片從設(shè)計(jì)到成品的工藝可操作性更強(qiáng)。

      由于燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片無(wú)論在幾何尺寸還是質(zhì)量上都大于航空發(fā)動(dòng)機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片的熔鑄工藝又出現(xiàn)了一些自身獨(dú)有的新特性。

      在燃?xì)廨啓C(jī)所涉及的大型定向結(jié)晶葉片制造工藝中，定向凝固技術(shù)（HRS）是關(guān)鍵技術(shù)之一。HRS從20世紀(jì)80年代開(kāi)始已經(jīng)被廣泛用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)定向結(jié)晶與單晶葉片制造中。此后，燃?xì)廨啓C(jī)也沿用了HRS技術(shù)，用以制造大型定向結(jié)晶葉片。但是，隨著葉片尺寸的增加，大型定向結(jié)晶葉片的工藝窗口很小，在鑄造過(guò)程中極易出現(xiàn)等軸晶、縮孔、雀斑等缺陷，如下圖所示。

      在制造模具過(guò)程中，蠟?zāi)Ｙ|(zhì)量直接決定了最終葉片的尺寸精度。對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片的鑄造，蠟?zāi)３叽绱螅糠秩~片尺寸超過(guò)600mm， 葉身部分冷卻結(jié)構(gòu)復(fù)雜且厚度不均，冷卻速率緩慢，導(dǎo)致葉身部分收縮變化大，對(duì)尺寸精度控制帶來(lái)了很大的困難。蠟?zāi)＜傩镜膽?yīng)用很好的解決了這一問(wèn)題，通過(guò)預(yù)先壓制的假芯來(lái)減少蠟?zāi)５谋诤瘢环矫姹ＷC了蠟?zāi)３湫偷耐暾硪环矫鏈p少了蠟?zāi)５氖湛s量，防止縮限與尺寸變化過(guò)大，通過(guò)壓制參數(shù)的調(diào)整配合，可以有效地解決壓蠟時(shí)因體積收縮帶來(lái)的尺寸問(wèn)題。

      隨著燃?xì)廨啓C(jī)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(jié)構(gòu)尺寸細(xì)小， 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，只能通過(guò)預(yù)制陶芯來(lái)實(shí)現(xiàn)。陶芯根據(jù)材料的不同可以分為硅基和鋁基。

 

文章轉(zhuǎn)自：燃?xì)廨啓C(jī)聚焦

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