高温合金在工业燃气轮机中应用和发展.pdfVIP

高温合金在工业燃气轮机中的应用和发展 赵光普 （中国钢研科技集团公司，北京 100081 ） ∗ 摘 要 本文阐述了工业燃气轮机热端部件材料的发展历程，分析了目前世界先进工业燃气轮机各主要部件使用高温合 金材料，并对下一代燃气轮机使用材料的发展趋势进行了讨论，为国内当前燃气轮机制造用材料的开发和研究提供参考。 关键词 工业燃气轮机 高温合金 Superalloys for Industrial Gas Turbine Applications and Developments Zhao Guangpu (High Temperature Materials Division, CISRI,Beijing, 100081) Abstract By means of study of materials used in the current world’ s advanced industrial gas turbine, this paper reviews the evolution of hot section materials to further research and develop, along with discussion of next generation of high efficiency gas turbine. Key words industrial gas turbine, superalloys high efficiency 燃气轮机在过去几十年中取得了突飞猛进的发展。燃气轮机具有热效率高、污染少、耗水少、易安装等 优点，联合循环的燃气轮机组还能达到高达 60%的热效率[4]，因而燃气轮机在电力行业的应用越来越广泛。 先进的材料是燃气轮机设计、制造技术的基础和保证条件，特别是燃气轮机热端部位的高温材料，没有先进 的高温材料就不可能设计和制造出先进的燃气轮机。高温合金在燃气轮机材料中占有极其重要的地位，在燃 气轮机燃烧室、过度导管、导向叶片、涡轮工作叶片以及涡轮盘等部件上都有着广泛的应用。本文就当前燃 气轮机用高温合金的主要特点及相关的新技术应用情况予以简要的介绍。 1 燃气轮机工作原理 燃气轮机是以空气为介质，靠高温燃气推动涡轮机械连续做功的大功率、高性能动力机械。它主要是由 压气机、燃烧室和涡轮三大部件组成，图 1 为燃气轮机的简易图。当机组启动成功后，压气机连续不断从外 界大气中吸入大气并增压，不断喷入燃烧室的燃料与空气混合后点火、燃烧，高温高压燃气在涡轮中膨胀做 功，2/3 左右被用来带动压气机，其余通过机组的传输轴带动外界的各种负荷，如发电机、压缩机、螺旋桨、 泵等[1] 。燃气轮机可以看作由燃气发生器和动力涡轮两大部分组成，用来带动压气机和附件的称为燃气发生 器涡轮(也称增压涡轮)，用来带动减速器、螺旋桨或其他外负荷—专做功率输出的称为动力涡轮。图 2 为简 单循环燃气轮机的工作原理图。 赵光普，教授，从事高温合金研发，zhao-g-p@263.net 第八届（2011 ）中国钢铁年会论文集 图 1 燃气轮机结构图 图2 燃气轮机工作原理图 2 高温合金在燃气轮机热端部位上的应用及特点 由于燃气轮机结构较为复杂，而且各部位工作温度和受力情况等差别较大，因此对材料性能的要求和选 用就各不相同。图 3 表示了随着燃烧温度的提高，燃气轮机用材料发生着深刻的变化，图中燃烧温度急速上 升阶段得益于冷却技术的快速发展。 2.1 燃烧室用高温合金 燃烧室是将燃料化学能转化为热能，为动力涡轮提供稳定高压高温气体的装置。燃烧室有三种基本的结 构：圆筒型、环型的和分管型[1] 。现在流行的结构主要是圆筒型和环形，两者的材料选择是一致的。图4 是 燃烧室实物图， 图3 随着燃烧温度的提高材料选择和工艺的进步[3]