高温材料在发电燃气轮机中的应用和发展分析

高温材料在发电燃气轮机中的应用和发展分析

徐智徐双全杜成忠周科伟

江苏扬子江船业集团公司江苏泰州225300

摘要：高温材料是燃气轮机材料中极其重要的组成部分。在燃气轮机燃烧室、导向叶片以及涡轮动叶片等部位有着极其广泛的应用。本文通过分析燃气轮机热部件对材料性能的要求，提出了热部件材料的选择标准。并结合世界四大制作商及我国燃气轮机热端部件使用高温材料的现状，对下一代燃气轮机使用材料的发展趋势进行了讨论，重在为我国重型燃气轮机高温材料的开发和研究提供参考。

关键词：发电燃气轮机；高温材料；新型材料

前言

燃气轮机在过去十几年中取得了突飞猛进的发展。我国燃气轮机的发展中一直都把污染最低、效率更高、使用寿命更长作为重要的发展目标。要实现这一目标就一定要采取相关措施提高透平的进气温度。众所周知，进气温度的提高在于燃气轮机构件材料的选择。根据其特点应该选择高温材料，所以当前出现了很多新型的高温材料，如金属间化合物、难熔合金、碳—碳复合材料等，这些材料可减少部件冷却的时间，更加有效地提高燃气轮机的性能。当前很多发达国家已经在这一领域取得较大进展，可以为我国燃气轮机的发展提供参考。本文结合世界四大制作商和我国燃气轮机热端部件使用高温材料的现状，以及高温材料未来发展和运用的趋势，提出了我国燃气轮机高温材料的发展方向。

1.热部件对材料的要求

1.1燃烧筒和过渡段

燃烧室是燃气轮机三大核心部件之一，是整个燃气轮机运行温度最高的部件，其工作环境极其恶劣。在燃气轮机运行时为了使燃烧筒和过渡段保持筒体的可靠性，其周围必须要有充足的气体回流，同时筒壁厚度要薄，筒壁中要留下大大小小的冷却孔或缝隙，筒体内部要采取热障涂层进行保护，使得燃烧筒和过渡段处于安全的使用温度范围内，进而提高部件传热和冷却性能。除此之外，为承受来自结构的重量，筒体要具备一定的强度和刚度，同时为解决燃烧室燃烧时热胀冷缩问题，筒体设计时要有预留空间。

为满足以上要求，选作燃烧筒和过渡段的材料必须具备良好的耐高温性能、抗腐蚀性能、抗氧化性能、足够的刚度和强度、良好的稳定性和安全性，一般选择变形镍基高温合金材料。

1.2透平导向叶片

透平导向叶片的主要作用是促进高温气体流动速度，一级叶片直接面对燃烧室放出的热气，是透平部分中承载温度最高的零件。由于温度过高，冷却后普通材料极易出现裂纹，所以所选材料要具备抗高温气体冲击、冷却后不出现裂纹的性能。同时，透平导叶两端较固定，工作时无法像燃烧筒那样自由膨胀，所以选作导向叶片的材料，也一定要具备在高温气体冲击下不易变形或不会被腐蚀的性能。然而在实际中，导向叶片易受到热应力影响，发生变形或裂纹现象，加之温度过高，很容易造成叶片损坏，机组出现故障，机器无法正常运转现象。

为满足以上要求，选作透平导向叶片的材料必须具备良好的导热性、耐高温氧化性、抗腐蚀性、良好的稳定性，最佳材料一般选择钴基合金，由于成本高昂，一般选择镍基高温合金作为替代材料。

1.3透平动叶片

透平动叶片是燃气轮机最关键的一个构件，在高速运转中需要承受高温、离心力、震动应力、侵蚀力等冲击。目前运行中的燃气轮机释放的一级高温气体高达1300度，接近金属材料的熔点，所以为了保证叶片在高温环境中高速运转的刚度和强度，必须要对叶片采取冷却和涂层处理，这就要求叶片要具有复杂的冷却通道及涂层手段[1]。众所周知，普通的冷却通道不可能采取铸造合金方法获得，那么只能采取铸造方法。

为满足以上要求，选作透平动叶片的材料必须具备良好的耐高温性能、良好的铸造性能、足够的韧性和强度、很好的耐久性和抗腐性，一般选择沉淀硬化型镍基高温合金。

2.国际通用燃气轮机热端部件应用高温材料情况

2.1通用电气情况（GE）

从上世纪五十年代以来，燃气轮机得到了开发和发展，经过GE不断的提高技术创新，且从应用材料方面也在不断完善，在一定程度上推动了燃气轮机得到了更快发展。

目前，GE所采取的燃烧室材料具有的优势主要是以高效、持久为主，且在应用中还具有一定的抗氧化性。而其最初所应用的燃气轮机火焰筒材料主要是以HastelloyX/HS188作为主要材料应用，而随着技术上的变革，所应用的材料也开始融合部分合金，以此在强度方面有了进一步保障。GE燃气轮机在不断发展中所应用的材料在温度上能保持到1400℃左右，明显得到了进步和提高。

2.2西门子

西门子材料最初的燃气轮机温度为1170℃，且从最初的E级温度提高到了后期F级的1320℃，以此能够进一步达到温度的需求。对西门子这两个级别的叶片进行了解，其都以PWA1483单晶叶片作为主要材料，其中还含有部分合金材质，在一定程度上能够达到抗腐蚀的作用。但是，公司从成本方面进行考虑，为了能减少成本方面的支出，该公司在F级燃气轮机叶片材料选择上了E级燃气轮叶片材料，但是在实际应用中效果尚可。西门子公司这两极燃烧室在材质的选择上主要是以陶瓷隔热瓦块为主，在一定程度上能够将燃烧室的温度将温度过高燃气所隔离，保护金属材料不被高温所氧化。

3.新型高温材料应用和未来发展

现今，对热部件实行降温采取的主要方法就是使冷却功能更高，且在提高冷却功能时也会使用热障涂层来阻隔热量。但是，虽然热障涂层以及冷却功能等能够起到一定降温作用，但是在降热过程中其本身温度并未得到有效降低，仍无法达到今后燃气轮机的发展。基于此，国际上一些相关研究人员希望能通过开发和创新一种新的高温材料，用以达到今后燃气轮机的应用[2]。但是，在开发过程中考虑到材料问题，仍倾向于陶瓷、复合材料、金属复合材料、高熔点合金等传统材料作为首要选择。

4.结束语

在发电燃气轮机不断创新和发展中一直想要寻找效率更高、使用寿命更长的高温材料作为今后材料的首要选择，也希望能在发电燃气轮机不断创新中能找到更加匹配方向。所以，对于高温材料的选择上一定要多方考证，且根据不同发电燃气轮机特点选择合适高温材料，以此才能促进发电燃气轮机得到更多应用。

参考文献：

[1]赵志强.高温材料在发电燃气轮机中的应用和发展[J].硅谷，2015，（02）：144+147.

[2]汪超，沈红卫，梅林波.高温材料在发电燃气轮机中的应用和发展[J].热力透平，2014，（02）：94-100.