燃氣輪機透平葉片國產化需解決的關鍵技術問題

陳 偉，任 靜，蔣洪德，王慶韌，李明飛

(1. 四川大學 空天科學與工程學院，成都 610065;2. 清華大學 燃氣輪機研究所，北京 100084;3. 廣東惠州天然氣發電有限公司，廣東 惠州 516082)

重型燃氣輪機是發電領域的高端裝備，代表發電設備設計制造技術水平的金字塔頂端，在國民經濟和能源動力工業中有重要的戰略地位[1-2]。自我國2002年組織重型燃氣輪機打捆招標采購以來，盡管同時引進了燃氣輪機制造技術，實現了燃氣輪機的本地化生產制造，但以透平葉片為代表的熱端部件，如圖1所示，由于技術含量高，加工制造難度大，依然被牢牢控制在國外燃氣輪機廠商手中[3]。熱端部件極為昂貴，在燃氣輪機總價中所占比重很高，按照其使用壽命和運行條件，需要定期進行檢修和更換。目前，熱端部件的維護費用已成為燃氣輪機電廠后期運行維護主要成本之一，也是國外燃氣輪機廠商主要的利潤來源[4]。

圖1 西門子V94.3A重型燃氣輪機透平靜葉、動葉[14]

盡管G/H/J級重型燃氣輪機已經成熟，并逐漸開始進入國內市場[5]。但目前國內的燃氣輪機電廠中占主流的還是F級燃氣輪機，主要為通用電氣的9FA機型，西門子的V94.3A機型和三菱的M701F機型[6-7]，截至2018年6月底，僅三菱燃氣輪機就達68臺。為了降低燃氣輪機電廠高昂的熱端部件維護費用，也由于燃氣輪機熱端部件備品備件有著很大的利潤空間和市場前景，近年來，一些燃氣輪機電廠、燃氣輪機制造企業、社會資本、地方政府均開始探索重型燃氣輪機透平葉片的國產化，期望在促進產業轉型升級的同時，也能獲得巨大的經濟效益和社會效益。

國際上有成功通過逆向工程設計而提供透平葉片備件的廠家，如：PSM，Wood Group[8]。但也需要看到，透平葉片逆向工程設計過程極為復雜，涉及到：高溫合金及涂層材料；氣動、傳熱、結構、強度等多學科計算分析；無余量精密鑄造、機械加工及特種加工、特殊涂層的噴涂等多種加工工藝；以及不同條件的試驗驗證環節。因此技術門檻高，投資風險大。

本文基于以往的工作經歷及對上述技術內容的理解，結合國內的現有條件，探討重型燃氣輪機透平葉片國產化過程中所需解決的關鍵技術問題，為此項工作的開展提供一些參考和建議。

1 透平葉片的測繪

透平葉片逆向工程設計，離不開詳細的測繪?，F有光學測量和高精度三坐標測量技術均能獲得良好的測量效果[9-11]。需要注意的是，根據測量獲得的點云數據擬合成葉片型面數據時易產生一定的擬合誤差。對于影響葉片氣動和強度性能的葉型表面(葉片型面需考慮熱障涂層的厚度)、葉型前尾緣半徑、葉型與上下端壁連接處的復合圓角、葉根齒型表面，需進行細致的分析和修正，如圖2所示。

圖2 某型重型燃氣輪機透平葉片測繪點云及型面重構

現有F級燃氣輪機透平葉片通常有復雜的內、外冷卻結構[12]。葉片表面大量的氣膜冷卻孔，其孔型、孔位、孔徑、射流角、復合角等幾何參數均對葉片的氣膜冷卻效果有重要的影響，需要借助量規等精確的輔助工具進行測量。葉片內部的復雜冷卻通道，可采用高精度工業CT進行測繪和積疊重構[13]，但局部冷卻結構只能將葉片剖切才能準確測量。由于冷卻結構是影響葉片冷卻和強度性能的關鍵，需結合多種測繪手段才可獲得全面的數據。同時，為了開展后續透平葉片的逆向分析和優化，除測繪葉片本身，還需測繪透平的通流尺寸，空氣系統關鍵限流結構尺寸等。

需要注意的是，國外燃氣輪機廠商在不斷地采用新技術提升其燃氣輪機產品的性能，以西門子V94.3A燃氣輪機為例，經幾次性能升級后，其功率增加了約20%，效率絕對值提升了近3%[14]，如圖3所示。所用透平葉片，尤其是冷卻結構進行了局部優化，葉片所用冷氣量和冷卻性能有所差異。因此，測繪時需注意葉片適用于哪種版本的燃氣輪機，而不能隨意混用。

圖3 西門子V94.3A重型燃氣輪機性能升級歷史[14]

2 透平葉片的材料

材料是透平葉片國產化的基礎。透平葉片工作在高溫高壓的環境中，其基體材料通常為鎳基或鈷基高溫合金。其中，透平靜葉由于燃氣熱負荷更高，燃氣溫度不均勻性更突出，要求具有良好抗高溫熱疲勞性能、良好的抗高溫氧化和腐蝕性能等，常采用鈷基高溫合金。同時，一級靜葉表面的氣膜孔數量最多，通常還需要焊接葉片沖擊冷卻襯套和端壁冷卻沖擊板。鈷基高溫合金良好的可焊性和可加工性，也有利于一級靜葉組件的加工和裝配。透平動葉雖然燃氣熱負荷相對于靜葉較低，但需承受高離心應力、振動應力和高溫燃氣的高速沖蝕，要求具有良好的高溫持久強度和抗蠕變性能、良好的高溫強度和韌性等，一般選擇鎳基高溫合金[15-18]。

為了提高透平葉片耐高溫、抗氧化及腐蝕的能力，透平前兩級葉片表面通常噴涂有50～600 μm的熱障涂層(Thermal Barrier Coating，TBC)。熱障涂層由金屬粘結底層和陶瓷面層組成，粘結底層通常采用MCrAlY(M為Ni、Co或Ni+Co)，主要擔負著熱膨脹匹配過渡、抗氧化、抗腐蝕的多重功效，而陶瓷面層通常采用Y2O3穩定的ZrO2，主要起隔熱作用[19-21]。透平3～4級葉片由于燃氣溫度較低，表面通常僅噴涂有抗氧化涂層。此外，為了改善葉片的強度振動特性，透平3～4級葉片葉頂通常設計有鋸齒葉冠，其結合面涂覆高溫耐磨涂層，防止葉冠因磨損而過早失效[22]。

幾種典型F級重型燃氣輪機透平葉片所用高溫合金材料和涂層材料如表1所示。

表1 幾種典型F級重型燃氣輪機透平葉片所用高溫合金材料和涂層材料[15]

注:1) 通用電氣-9FA燃氣輪機透平為三級；

2) 本表信息來源于文獻[15]，與文獻[16-18]略有不同，可能是由于燃氣輪機型號版本有所差異。

上述透平葉片材料中，前兩級葉片材料要求耐溫能力更高，主要為國外燃氣輪機廠商經過長時間持續發展而來 (其中西門子V94.3A燃機透平葉片所用的材料PWA1483由普惠公司研制)。若國產化透平葉片繼續采用相同材料，既涉及到專利問題，同時采購也極為困難，因此需選擇替代材料。

選擇替代材料前，需充分了解原始葉片材料，并結合其化學成分、物理化學性能、力學性能、可加工性選擇合適材料進行替代。若選擇可公開采購且經燃氣輪機長期使用考核的國外高溫合金材料，需確定該材料采購的可行性及采購成本。我國材料研究部門從仿制到自主創新，經過幾十年的發展，質量不斷提高，并逐步形成了具有自主知識產權的燃氣輪機抗熱腐蝕高溫合金體系，例如：多晶合金K444、K452，定向合金DZ38G、DZ411，單晶合金DD8、DD10等[23-24]。但材料純凈度、合金性能的穩定性還需進一步提高[25]，尤其是長壽命周期要求，在重型燃氣輪機透平葉片上進行應用還需經受嚴格的部件試驗、樣機驗證、實際長期運行考核等。因此，選擇國產材料要更為慎重。

不論采用何種替代材料，材料差異將不可避免地對透平葉片的性能造成影響，嚴重時將造成透平葉片與其他部件不匹配，影響燃氣輪機的安全可靠運行。因此需對采用替代材料后的透平葉片性能進行詳細分析和評估，必要時需進行設計上的優化。

3 透平葉片的逆向分析及優化

透平葉片材料替換后，其重量、理化性能、溫度及應力分布、熱伸長、強度振動特性等均將與原始葉片不同，需評估材料替換后的葉片各項性能能否達到使用要求。另一方面，國外燃氣輪機廠商就燃氣輪機和航空發動機技術在中國進行了充分的專利布局，其中以透平葉片為代表的熱端部件是專利保護的重點[26-27]。透平葉片國產化時，還需考慮設計上的升級改變以規避相應的專利內容。

透平葉片的性能與透平部件，乃至燃氣輪機整機都有密不可分的關系[28-30]。開展透平葉片的逆向分析，就需對透平部件進行詳細的計算，如圖4所示。包括：

·透平的通流計算——獲得各葉片排的進出口氣動參數；

·空氣系統及熱分析——計算葉片的冷氣進口條件，透平冷熱態轉換；

·三維氣動計算——計算葉片氣動載荷分布；

·冷卻性能分析——獲得葉片溫度分布；

·強度與振動模態分析——獲得葉片應力分布，振動特性，評估葉片使用壽命。

不難看出，透平葉片逆向分析的內容和流程與葉片正向設計是基本一致的。因此要對透平通流尺寸進行詳實的測繪，同時開展透平熱分析，將冷態尺寸換算至熱態尺寸。

由于逆向分析的各環節均存在計算誤差，尤其現有計算方法還不能準確計算葉片的溫度、應力分布，也就難以準確評估葉片的使用壽命[31-34]。方法之一是對比替代材料葉片和原始葉片的溫度場、應力場、振動避開率，通過優化設計減小兩者偏差，盡量確保替代材料葉片的安全性，并在后續試驗環節中進一步驗證和改進，如圖5所示。

圖4 透平葉片逆向分析

(a) 原始葉片 (b) 材料替代葉片圖5 某型原始葉片與材料替代葉片的溫度分布對比

4 透平葉片的精密鑄造

透平葉片毛坯的精密鑄造是加工制造中最難的環節。現有F級燃氣輪機透平第一級葉片由于溫度和應力水平極高，已采用定向結晶葉片，西門子V94.3A甚至采用了單晶葉片。我國盡管在航空發動機渦輪葉片鑄造工藝上積累了較為豐富的經驗，但重型燃氣輪機透平葉片尺寸和重量更大，運行環境、工作狀態和使用壽命不同，因此葉片的鑄造工藝要求也不盡相同[24，35]。近年來，在相關單位的努力下，我國重型燃氣輪機透平葉片的鑄造工藝取得了較快的發展[24，36-37]，但在工藝成熟度和產品合格率上距離國外先進水平還有一定差距。

葉片鑄件的尺寸、形位公差的保證是需要解決的關鍵問題之一。尤其F級燃氣輪機透平葉片內部冷卻結構復雜，要保證鑄件合格，需在鑄造各環節中對型芯、蠟件以及最終的鑄件進行細致的檢測，以防止內部冷卻結構的缺失、超差，脫芯不凈導致內部通道堵塞等。某型號葉片鑄件及其陶瓷型芯見圖6。此外，葉型表面輪廓度以及端壁型面的公差，由于對葉片喉部尺寸有重要的影響，也需重點關注。

圖6 某型號葉片鑄件及其陶瓷型芯[37]

葉片鑄件的質量，如表面低倍晶粒度、顯微疏松、冶金缺陷分布等均會影響葉片的力學性能。其中，由于空心冷卻葉片存在較多的壁厚不均、轉角、厚凸臺等結構，疏松缺陷較難控制，必要時還需進行熱等靜壓處理[38]。

需要注意的是，葉片鑄件的質量要求與合格率、成本密切相關。而國內還沒有重型燃氣輪機透平葉片經歷過設計—試制—長時間考核—反饋的全過程，鑄件質量對葉片性能的影響關系還未建立，形成成熟的燃氣輪機透平葉片精密鑄造質量驗收規范還需要開展大量的驗證工作。

5 透平葉片的特種加工

由于高溫合金材料的機械加工性差，基于透平葉片鑄件的加工主要采用特種加工，主要包括有：葉片葉冠面、葉根齒型面、葉片定位面、安裝配合面等關鍵表面的緩進磨削加工[39]；氣膜孔的精密電加工(或激光加工)；鈑金件的沖壓成型及與基體的焊接等。

零件表面在磨削加工時，由于受到力和熱的作用，表面材料易發生物理化學和冶金學變化，進而影響零件的力學性能和使用壽命[40]。因此透平葉片的緩進磨削，除了滿足型面加工精度要求外，更需重點關注其加工后的表面完整性。對于關鍵表面的加工，如：葉冠接觸面、葉根齒型面、安裝配合面，需對加工后的表層微觀金相組織進行細致檢驗，不允許有磨削裂紋和表面燒傷[41]。而在葉片精密鑄造階段，所留鑄件加工余量不宜過大，否則會大大增加磨削加工的周期和成本。

葉片表面氣膜冷卻孔的加工對于葉片冷卻性能有重要的影響，傳統的加工方式有：激光加工、電火花加工和電液束加工(前兩種方式應用更多)[42]。近年來，飛秒激光加工、激光-電火花、電火花-電液束等復合加工得到了發展和應用[43]。不同加工方式在加工精度、表面質量控制、加工效率上各有優缺點。一般而言，首先需保證氣膜孔的孔型、孔位的加工精度，因其直接影響氣膜冷卻覆蓋效果，而隨著扇形孔、扇形后傾孔等高性能孔型的大量應用[44-45]，對孔的加工精度也提出了更高的要求。另一方面，氣膜孔內重熔層、微裂紋是葉片疲勞失效的主要萌生點之一[46]，因此需對孔內重熔層的厚度，以及重熔層內裂紋、浮镕球的尺寸和數量做嚴格的規定，必要時還需采用磨粒流對重熔層進行處理[47]。氣膜冷卻加工完成后，需進行氣流或水流試驗來驗證是否達到設計流量。氣膜孔的電火花加工及孔的橫、縱向電鏡檢測見圖7。

圖7 氣膜孔的電火花加工及孔的橫、縱向電鏡檢測[47]

透平的一級靜葉常采用導流襯套形成內部沖擊冷卻，其與靜葉基體采用氬弧焊或釬焊連接。由于兩者材料不同、溫差較大，易在連接處產生疲勞失效[48]，因此焊接后需進行合理的熱處理，并對焊縫質量和連接強度進行檢驗。

重型燃氣輪機透平葉片與航空發動機渦輪葉片在特種加工工藝上有較強的相似性，因此制定質量驗收標準時可以較大程度地參考借鑒。

6 透平葉片的涂層制備

透平葉片的涂層制備方法主要有：大氣等離子噴涂(APS)、電子束物理氣相沉積(EB-PVD)和超音速火焰噴涂(HVOF)等[20]。不同的工藝方法，制備的涂層特性不同，APS方法制備涂層的效率較高，涂層表現為層狀堆疊式結構，層狀之間的縫隙和空洞使整個涂層呈現出疏松多孔的宏觀特性，因此具有較低的熱導率和一定的應變韌性。EB-PVD制備涂層的效率較低，涂層表現為柱狀晶微結構，柱狀晶相互平行，因此其韌性、熱循環壽命和耐久性較高[49]。HVOF制備的涂層與APS非常接近，但結構更精細、顯微組織更均勻，穩定性更好。三種制備方法在重型燃氣輪機透平葉片上均有應用，通常HVOF用于制備耐磨涂層和TBC涂層的金屬粘結底層，APS用于制備陶瓷面層，EB-PVD則在西門子V94.3A燃氣輪機上得到應用。APS和EB-PVD制備熱障涂層顯微組織結構見圖8 。

圖8 APS和EB-PVD制備熱障涂層顯微組織結構[50]

由于涂層材料與葉片基體材料熱膨脹系數顯著不同，服役過程中涂層受到熱、力和化學等共同作用，燃氣沖蝕、外物沖擊、金屬粘結層內熱生長氧化物(TGO)的形成和膨脹、溫度梯度引起的熱應力等因素均可能導致涂層出現裂紋、剝落的失效情況[51]。因此，研究涂層的破壞機理和壽命預測方法得到了越來越多的關注[52-54]。

為了提高涂層的使用壽命，在葉片涂層的制備過程中，需對涂層的結合強度、氧化率、孔隙率、界面污染率進行嚴格要求，不允許出現平行基體的裂紋。必要時還需開展相應的試樣試驗驗證。需要注意的是，透平葉片表面涂層厚度并不一致，各處厚度需根據隔熱和結合強度要求進行合理設計，并在制備完成后進行細致的涂層厚度檢驗。

7 結論

透平葉片是重型燃氣輪機中的核心零部件，迄今仍被牢牢控制在外方燃氣輪機廠商手中，這也是目前我國燃氣輪機電廠運行維護費用高企的主要原因之一。因此，實現重型燃氣輪機透平葉片的國產化有著巨大的社會效益和經濟效益。

本文探討了透平葉片國產化過程中所需解決的若干關鍵技術問題，試圖說明透平葉片國產化并非簡單的測繪仿制，需要通過嚴謹的逆向工程設計才能降低國產化過程中的技術風險。而逆向工程設計內容和流程與葉片正向設計基本一致。

透平葉片的逆向工程設計極為復雜，涉及到基礎材料；多學科交叉分析和優化；精密加工工藝。此外，還需要開展不同條件下的試驗驗證，受篇幅所限，本文并未對此進行展開探討。因此，要實現透平葉片的國產化，需要國內在材料—設計—制造—試驗等各個環節的企事業單位和科研院所共同合作才可能成功。

需要特別說明的是，逆向工程設計只是重型燃氣輪機透平葉片國產化的基礎，可加速技術學習及研究進程，但歸根結底需形成自主研發體系才能算得上真正成功。目前我國正在實施“航空發動機和燃氣輪機”國家科技重大專項，透平葉片國產化過程中解決的關鍵技術問題對于自主重型燃氣輪機的研制也能提供相應的技術支撐。