行业技术|涡轮高温叶片研发成功 其造价仅为进口四分之一

   更新日期:2017-03-25     来源:建材之家    作者:博一建材    浏览:61    评论:0    
核心提示:燃气轮机是现代制造业的“动力之源”,其中的涡轮高温叶片则是燃气轮机的核心部件之一。日前,上海市科委重大专项课题“高温合金叶片制造技术研究”在上海大学通过专家验收,这也标志着该领域的国产技术已接近国际最高水平。叶片技术制约我国燃气轮机发展燃气轮机被公认为世界上最难制造的机械装备,又称制造业“皇冠上的明珠”。它是大型客机、特种船舶

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燃气轮机是现代制造业的“动力之源”,其中的涡轮高温叶片则是燃气轮机的核心部件之一。日前,上海市科委重大专项课题“高温合金叶片制造技术研究”在上海大学通过专家验收,这也标志着该领域的国产技术已接近国际最高水平。

叶片技术制约我国燃气轮机发展

燃气轮机被公认为世界上最难制造的机械装备,又称制造业“皇冠上的明珠”。它是大型客机、特种船舶和民用发电等领域的主要动力源之一,现代燃气轮机的热效率已达到42%以上,是最高效的动力设备之一。

据专家介绍,涡轮高温叶片是燃气轮机的核心部件,在高温、高速、高应力和高腐蚀的环境下工作,其结构复杂,制造难度大,对组织性能和加工质量要求极高,国外对此项技术严格保密,严重制约我国重型燃气轮机的发展。

为解决上述问题并推动上海市高端制造业的创新发展,2008年上海市科委设立重大研究专项课题,针对当前国际上最先进的F级256兆瓦重型燃气轮机涡轮高温叶片开展技术研究和攻关,由上海大学和其它几家单位共同承担。

形成独特的工艺路线

据介绍,涡轮叶片的制造原理是将镍基金属溶液浇铸在模具中,再进行冷却结晶,过程类似于冬天水汽在玻璃窗上遇冷结晶形成“冰花”。涡轮叶片能否耐受高温、是否有足够的强度,和结晶过程中的温度以及晶体形成的数量、甚至方向都有关系。一般来说,晶粒数越少,叶片的耐高温性越好,也越能胜任发电机燃气轮机等高功率设备用途。目前行业内最难的技术,是让整个叶片成为一个晶粒,即“单晶”技术。此外,如果让晶粒有序地向一个方向排列,也能提高叶片强度,避免断裂,此项技术为“定向”技术。

通过四年的努力,课题组在上述两种技术路径上均有突破,还形成了自己独特的工艺路线。例如,通过施加磁场控制,避免金属溶液在结晶过程中无序流动,使成品的材料密度更加均匀;通过设置叶片不同位置的温度梯度,控制晶体生长速度等。

据课题负责人、上海大学教授任忠鸣介绍,课题组在合金净化、精铸控制、工艺优化等领域取得突破性进展,成功研制出F级256兆瓦重型燃气轮机涡轮第二级高温合金定向凝固叶片。同时,在上海大学建立起的高温合金叶片研究中心,已形成燃气轮机等高温合金精密铸造热端部件的制造技术研究、工艺试验、产品检测和小批量生产的能力。目前,课题组已经为微型燃气轮机试生产了三台份(套)高温涡轮叶片,用于试机和试车。同时还为国内精铸企业试生产了燃气轮机高温涡轮动力叶片、导向叶片和矢量喷口导向叶等关键部件。

有望突破国际高价垄断

据了解,由于国外对这项技术的严格封锁,目前我国大部分电厂的燃气轮机都是整机从国外购买,这些设备价格不菲,一台就需要花费十几亿元,而维修设备更是源源不断地巨资投入。

任忠鸣给记者算了笔账:一片进口单晶叶片的造价约在40万元左右,经过中间代理商卖给中国厂家,价格翻了2.8倍,即112万元,一台燃气轮机需要由数级涡轮叶片组成,其中1级涡轮叶片需由96片这种的单晶叶片组成,也就是说,仅1级涡轮叶片的购买价格,就在1亿元左右,也就难怪整台设备开出如此天价。

任忠鸣说,等生产工艺稳定之后,上海大学自主研发的单晶叶片造价大约为10万元/片,仅为国外价格的1/4,这无疑将大大降低电厂、大型客机、特种船舶等使用燃气轮机领域的成本,而国产单晶叶片投入市场,大约还有3―5年的路程要走。

验收专家组对此建议,上海市政府及有关方面对该项目继续给予大力支持,使上述成果进一步实现工艺稳定和工程优化,并加速其在重型燃气轮机开发和制造领域的应用。同时,建议进一步开展F级重型燃气轮机透平的第一级高温合金单晶空心叶片的研制工作,从而为提升我国的高端制造业服务。

仍需重点突破核心技术

据介绍,我国的燃气轮机制造业始于上世纪五十年代,六十至七十年代各汽轮机厂都曾研制生产过燃气轮机。当时主要是参照前苏联技术,进行仿制和自主设计,成功研制了部分燃气轮机。但随着国家能源结构调整,天然气供应不足,燃气轮机研制在逐步失去市场。上汽、哈汽的燃机项目无奈下马,高校的燃机专业关停,大量燃机人才转行。30年的断层让我国燃气轮机技术错过了国外高速发展的时期,迅速与国际水平拉大了差距。近10年来,随着国家能源战略的调整,燃气轮机才重新步入发展的快车道。

此前,记者从中国电机工程学会燃气轮机专业委员会了解到,要加快燃机发展速度,进行跨越式发展,就要引进、消化、创新联动,重点突破核心技术,包括:金属材料冶炼制造、叶片喷嘴加工技术、大型部件热处理、大型部件复合总成、计算机控制、检测仪表,也包括能源综合技术、热电联供技术、燃气蒸汽循环技术、振动测试分析等。

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