CN1060890A - 燃气涡轮、其叶片及其叶片的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种重型燃气涡轮，包括一个压气机，一燃烧室 套筒；单级或多级涡轮叶片和配置在相应涡轮叶片位 置上的涡轮喷嘴。涡轮叶片有一固定在涡轮叶片轮 盘上的楔形榫，全长不少于180毫米，并且由单晶体 的镍基合金制成，它的r相是单晶体。工作燃气温度 高于1400℃。金属温度在工作压力情况下不低于 1000℃。

Description

本发明涉及到一种燃气涡轮，一种具有水平伸展凸出部分的重型燃气涡轮的叶片，和该燃气涡轮叶片的制造方法。

早期的镍基耐热合金至今还作为发电燃气轮机转子叶片的材料。为了改进涡轮的热效率，燃气温度逐年提高。

为了应付燃气温度的提高，已经采用了具有复杂冷却孔的传统铸造叶片。

单晶叶片已经被用作飞机喷气发动机的转子叶片。以合金没有晶界，因此也不含有增强晶界的元素如B，Zr和Hf的假设为依据，开发铸造单晶体叶身用的合金。因此，单晶体合金的晶界是不充分的。至少铸件的一部分，在铸件使用之前必须是单晶的。为了使用这种单晶体叶身作为燃气涡轮的转子叶片，完全是单晶体的铸件是必不可少的。大多数单晶体铸件用在日本专利NO51-41851和NO51-26796中已经公开的定向凝固方法来制造。这一方法是把铸件从加热的炉体中往下拉，并从下端开始逐渐地从下而上地凝固的方法。

飞机喷气发动机用的转子叶片长约10厘米，轴的横剖面的最大面积约为10厘米²，从转子叶片主体上水平伸出的平台尺寸很小。因为整个转子叶片的尺寸就很小，所以采用上述定向凝固方法，凝固出叶身形铸件可制造这种单晶体叶身。

然而，在发电燃气轮机中的转子叶片要比飞机喷气发动机中的转子叶片大。发电燃气轮机的转子叶片最短为14-16厘米，根部横剖面的面积最小为15厘米²。因此，制造单晶体结构的发电燃气轮机的转子叶片是困难的。一些部分如凸台和从根部侧面伸出的密封部分，从铸件凝固的方向水平地伸出。甚至当采用普通的定向凝固方法来凝固这种铸件时，整个铸件也不可能完全是单晶。非单晶的理由如下。当铸件凝固时，水平凸出部分开始从铸件的外边缘处凝固，由于水平凸出部分与铸件的其分部分没有关系，所以它的结晶方向与其它部分的结晶方向有所不同。当这部分与铸件其分部分进一步凝固并且两者结晶体相互接触时，接触面就形成了一个晶界，这样就阻止了单晶体的生长。

这样，形成一个单晶结构的、用于发电燃气涡轮机中的完整的大型涡轮叶片是不可能的。

本发明的目的是提供一种大的单晶涡轮叶片，在热和应力状态下，该叶片具有极好的抗拉和蠕变强度及热疲劳性能。本发明的另一个目的是提供这种涡轮叶片的制造方法。本发明进一步的目的是提供一种具有高热效率的重型燃气轮机。

为了达到上述目的，本发明提供了一种燃气涡轮叶片，它包括：一个用作紧固在轮盘上的楔形榫;一个根部，它与楔形榫连接并具有一个或多个整体形成在楔形榫侧面上的凸出部分;一个连接于根部的叶身;其中燃气涡轮叶片是由镍基合金制成的，该合金的r′相在形成单晶结构的r相中析出。

位于涡轮叶片根部的凸出部分可以是单级或多级密封部分，它位于沿叶身转动面的两个面上。密封部分的边缘弯向叶身。在根部的凸出部分，是一个位于与叶身转动面相交的两个面上的凸台。具有突出部分的根部，其横剖面积不小于15厘米²。包括有楔形榫和凸出部分的根部和叶身，是用镍基合金制造的，其中r′相在r相的单晶基体中析出。燃气涡轮叶片在其长度方向全长不小于180毫米。叶身的重量不大于燃气涡轮叶片总重量的30%，特别在20-30%之间。

本发明也提供了一种燃气涡轮叶片的制造方法;该叶片包括有作为紧固在轮盘上的楔形榫，一个连接于楔形榫并具有在楔形榫侧面上整体形成的凸出部分的根部;一个连接于该根部的叶身，该制造方法包括以下步骤：将相应于凸出部分的旁通模连接到相应于楔形榫、根部和叶身的主模上;以相同速度沿一个方向把在主模和旁通模中的熔化的镍基合金逐渐凝固，铸成一个单晶结构。

本发明进一步提供一种燃气涡轮叶片，它包括：作为紧固轮盘上的楔形榫;连接于该楔形榫并在楔形榫侧面上整体形成有一个或多个凸出部分的根部;一个连接于根部的叶身;其中燃气涡轮叶片从叶身端部到楔形榫单向地被凝固，由单晶镍基合金制成r相。

本发明提供一种重型燃气涡轮机，它包括：压气机;燃烧套筒;单级或多级涡轮叶片，它具有紧固在涡轮盘上的楔形榫，其总长不小于180毫米，它由单晶镍基合金制成，它的r相是单晶体;相应于涡轮叶片处设置涡轮喷嘴;其燃气工作温度不低于1400℃，在工作应力状态下，第一级叶片的金属温度不低于1000℃。

为了使燃气涡轮叶片沿一个方向凝固，使用了与用于楔形榫，根部和叶身的另一模分开的在凸出部分形成的具有旁通的模。按照本发明的燃气轮机叶片的制造方法，能够制造具有复杂外形和单晶体结构的大的燃气涡轮叶片。

虽然本发明涡轮叶片是具有凸出部分形状的大型叶片，设置凸出部分处叶片横剖面面积是15厘米²或更多，但它比具有多晶界的多晶粒的叶片强度更好，因为它是单晶体结构。

最好采用镍基合金作为本发明的涡轮叶片，每种合金的重量成份为：碳C等于或小于0.15%，作为杂质最好为0.02%;硅Si等于或小于0.03%;最好作为一种杂质;锰Mn等于或小于2.0%;铬Cr等于5-14%;铝Al等于1-7%;钛Ti等于1-5%;铌Nb等于或小于2.0%;钨W等于2-15%;钼Mo等于或小于5%;钽Ta等于或小于12%，最好为2-10%;钴Co等于或小于10%;铪Hf等于或小于0.2%;铼Re等于或小于3.0%;硼B等于或小于0.02%。表1表示了上述镍基合金，合金中表示的是重量百分比。

希望钴基合金可用于本发明，每种合金所含重量比例是：碳C＝0.2-0.6%;硅Si≤0.5%;锰Mn≤2%;铬Cr＝20-30%;镍Ni≤20%;钼Mo≤5%;钨W＝2-15%;铌Nb≤5%;钛Ti≤0.5%;铝Al≤0.5%;铁Fe≤5%;硼B≤0.02%;锆Zr≤0.5%;钽Ta≤5%;其余为钴Co。表2表示了用于定子叶片的涡轮喷嘴的钴基合金，给出了合金元素的重量百分比。

本发明的燃气涡轮有较高的效率，因为它很大，并允许燃气工作温度在运行初始阶段可达1400℃或更多。

在水平凸出部分中，结晶方向与凝固推进的方向相应，所以在铸件中可以有相同的晶体定向。因此，有效制地造大的单晶体转子叶片是可能的。

由于本发明的单晶体转子叶片有极好的高温特性，因此叶片使用寿命延长了，并且燃气涡轮的热效率，由于燃气温度的增加而提高到34%。

图1是本发明的一个实施例的涡轮转子叶片的透视图;

图2是一个铸模的垂直横剖面图，表示图1所示转子叶片的制造方法;

图3是本发明另一个实施例的转子叶片的前视图;

图4是图3所示的转子叶片另一种制造方法的铸模的垂直横剖面图;

图5是图4中所示铸模的平面图;

图6是与图4中所示铸模相比较的一个铸模平面图;

图7表示本发明的燃气涡轮转子部件的横剖面图。

第一个实施例：

图1是本发明所述发电燃气轮机转子叶片的透视图。图2是一个垂直横剖面图示出了本发明的发电燃气涡轮的转子叶片的制造方法，这种方法采用本发明的一种铸模来制造转子叶片。

如图2所示，首先一个由氧化铝制的壳模2固定在一个用水冷却的冷铁1上，并把它放在壳模加热器3上加热，在加热器内部它被加热到不低于镍基合金的熔化温度。接着将被熔化的合金浇注入壳模2中，然后向下拉水冷的冷铁1，以定向凝固方法使其凝固。这样，当合金凝固时，在壳模2下部的起动器4中首先形成许多晶粒，然后在选择器5中形成一个单晶，可以转过360°，这时合金仍在凝固。该单晶在扩大的截面6处变大。合金凝固并形成铸件7，该铸件包括一个具有冷却孔的叶身8，一个在叶身8上的根部9和一个在根部9上的圣诞树状的楔形榫10。（三个部件8、9、10在图1中从上往下表示）其端部向着叶身8弯曲的密封部分或凸出部分11，从楔形榫10凸出。如图2所示，涡轮叶片是从涡轮转子叶片的叶身8到根部9和楔形榫铸造而成的，如图1所示。

在这个实施例中，一个与铸件7不同的旁通模12配置在从扩大截面6到密封部分或凸出部分11处。所配置的旁通模12使整个涡轮转子叶片成为单晶体。图1所示涡轮叶片的高×宽×长为180毫米×40毫米×100毫米，图中分别用序号13、14和15表示。叶身8约90毫米高，重量约占整个涡轮转子叶片重量的30%，根部9形成密封部分或凸出部分11处的横剖面面积为40厘米²，密封部分11每端伸出约15毫米。

铸件加热器3保持高温，直到铸件7完全拉出并完全凝固为止，上述铸造过程是在真空中完成的。单晶体制造的涡轮转子叶片被铸成之后，下一步在真空中在温度为1300-1350℃下保持，2-10小时进行固溶热处理。由凝固合金形成的共晶体的r′相溶入r相。然后在温变980-1080℃保温4-15小时，和温度800-900℃保温10-25小时，进行涡轮转子叶片的时效处理。平均尺寸为3-5微米的角状r′相在r相中析出。

表3给出了铸造单晶体叶身的条件。

表4给出了用本发明方法制造的单晶体叶身与用一般方法制造的这种叶身的比较。

涡轮转子叶片在凸台上部收缩，在凸台下部生长出次生的细长树枝状的晶体。

如表2所示，本发明使得用普通方法不能制造的大的单晶体叶身的铸造成为可能。在这个实施例中，由于需要高强度和韧性的涡轮转子叶片的叶身首先凝固，与铸模相接触的时间被缩短了。这样可以得到一种含合金元素变化很小的，且几乎没有缺陷的涡轮转子叶片，因此就能制造具有所需特性的涡轮转子叶片。叶身约用一小时凝固，其它部分和楔形榫用两个小时凝固。但是在合金中元素是有变化的，尤其是铬Cr的变化很大。如本实施例中所述，如果铬Cr的含量在合金中大到8.5%，特别是到10%或更多，它变化很小并且很有效地用于涡轮转子叶片。相反，如果Cr的含量小于或等于8.5%，它的变化就很大。

与成形涡轮转子叶片的壳模不同的旁通模12，在用选择器法时，可配置在选择器5的上面，在用籽晶法时，可配置在籽晶上面，但它们总在位于在密封部分或凸出部分11以下的任一位置上。然而在单晶体铸成以后，必须把旁通模12除出，根据要求旁通模应设置在如图2所示的扩大断图6处，也就是在选择器或籽晶以上，在叶身8以下。

转子叶片从叶身8凝固到楔形榫，其理由如下。燃气涡轮转子叶片的叶身8是转子叶片基本部分，受到高温和高应力。因此，必须具有极少的缺陷，和比其它部分高的质量。叶身8首先被凝固，因此它在高温区的时间较短。为了使元素变化较小，这种铸件对于对于制造燃气涡轮转子叶片是适合的。一组冷却孔自叶身8引到楔形榫10，用来用冷却液冷却部件。一个冷却孔的型芯被当作模使用。根据被凝固的铸件尺寸，合金凝固的速度在1至50厘米/小时内变化。叶身8比根部9和楔形榫10凝固要快。

虽然已经叙述了燃气涡轮转子叶片的制造方法，但是利用上述相同方法也能使定子叶片单晶体的生长。

第二个实施例。

具有基本上同第一个实施例中转子叶片形状相同的一种转子叶片，用2号合金来铸造。与第一个实施例相同的铸造条件和定向凝固方法，被用于第二个实施例中。叶片高160毫米，叶身高70毫米，根部和楔形榫高90毫米。

图3表示这种叶片的前视图。由于转子叶片有一宽的平台17，当用定向凝固方法来凝固它时，一个新的晶体在平台17上形成，这样就阻止了单晶体的增长。为了解决这一问题，本发明用于一种转子叶片的制造方法。如图4所示，靠近平台17边缘部分通过旁通模12被连接到选择器5的上部，该旁通模12与形成铸件7的模不同。这样连接可以使单晶体生长。旁通模12厚度为1毫米，宽20毫米。图4表示转子叶片横剖面的形状。图5表示在普通方法中新晶体如何增长，如从叶身8上部所看到的。图6表示了本发明方法新的晶体如何没有增长，从叶身8上部也可以看到。在图6中，序号18表示一个晶界，序号19表示新晶体。本发明使得用单晶体生长代替新晶体生长成为可能。

第三个实施例。

图7是一台燃气涡轮转动部分横剖面图。在图中，用本发明第一个实施例的方法所得到的单晶体制成的镍基2号合金，被用在第一级涡轮叶片20上。在这个实施例，涡轮叶轮21有两级。第一级配置在燃气流的上游、具有一中心22的第二级被配置在燃气流的下游。一种含有12%铬Cr的马氏体耐热钢被用于压气机最后一级轮盘23，隔离件24，涡轮隔板25、涡轮组合螺栓26和压气机组合螺栓27上。第二级涡轮叶片20，涡轮喷嘴28，燃烧室29的套筒30，压气机叶片31，压缩机喷嘴32，隔板33和护罩34都是用合金制造的。这些合金包含的元素表示在表5中。第一级涡轮喷嘴28和涡轮叶片20是单晶体铸造的。

第一级涡轮喷嘴28是用13号合金制造的，它包括与涡轮叶片同样的形式的叶身段。涡轮喷嘴28被安装在一圆周上，并具有一隔板，隔板的长度基本上等于叶片的叶身。序号35表示涡轮主轴，序号36表示压气机主轴。本实施例中的压气机共17级，表示在表5中的涡轮叶片，涡轮喷嘴，护罩（1）和隔板都用于第一级的燃气流的上游，而护罩（2）被用于第二级。

在这个实施例中，用包括铝Al，铬Cr和其它元素的高度浓缩合金、或包含氧化物的混合物制成的一种覆盖层，可以用来抗高温氧化和腐蚀，它比由一种作为基体材料的合金抗氧化和腐蚀的温度更高。

晶体可以成形为在离心力作用的方向它的定向可以变成[001]。以这种方法形成的晶体，可以得到高强度叶片。

按照这种燃气涡轮的结构，当发电量约为50MW时，在第一级喷嘴入口处的燃气温度可达1500℃，第一级叶片金属温可达1000℃，热效率可达到34%。如上所述，具有高蠕变断裂强度和由热引起极少缺陷的耐热钢，可以适合制造涡轮轮盘，隔离件，隔板，压气机轮盘的最后一级，组合螺栓。具有高温强度的合金可用于制造涡轮叶片。具有高温强度和延性的合金，可用于制造涡轮喷嘴。具有高疲劳性能和高温强度的合金，可用于制造燃烧室套筒。这样，可以得到比现有技术在各方面都更可靠的燃气涡轮。

表1

	铬Cr	钼Mo	钨W	铼Re	铝Al	钛Ti	钽Ta	钴Co	铪Hf	铌Nb	镍Ni
												1	10.0	-	4.0	-	5.0	1.5	12.0	5.0	-	-	其余
2	9.0	1.0	10.5	-	5.8	1.2	3.3	-	-	-	其余
												3	6.0	1.5	6.0	-	3.7	4.2	4.0	7.5	-	0.5	其余
4	6.6	0.6	6.4	3.0	5.6	1.0	6.5	9.6	0.1	-	其余
												5	5.6	1.9	10.9	-	5.1	-	7.7	8.2	-	-	其余
6	10.0	0.7	6	0.1	5.4	2	5.4	4.5	-	-	其余
												7	18.4	3.0	1.5	-	2.5	5.0	-	15.0	-	0.02	其余
8	8.5	-	9.5	-	5.5	2.2	2.8	5.0	-	-	其余
												9	10.0	0.7	2.0	0.25	12.0	1.2	2.6	-	-	-	其余
10	6.6	-	12.8	-	5.2	-	7.7	-	-	-	其余

Claims (11)

1、一种重型燃气涡轮包括，一台压气机；一个燃烧室套筒；单级或多级涡轮叶片，该叶片具有紧固在涡轮轮盘上的一楔形榫，叶片全长不少于180毫米；该叶片由单晶体镍基合金制成，其r相是单晶体；一配置在所述涡轮叶片相应位置上的涡轮喷嘴；其特征是工作燃气温度不低于1400℃，并且第一级叶片金属温度在工作状态下不低于1000℃。

2、一种燃气涡轮叶片，包括用作固定到轮盘上的楔形榫;一个根部它连接于所述楔形榫，并在楔形榫侧面形成一个或多个完整的凸出部分;一个连接于所述根部的叶身，其特征是所述燃气涡轮叶片是由镍基合金制成的，其中r′相基本上凝结在所形成的一种单晶体结构的r相中。

3、按照权利要求2所述的燃气涡轮，其特征在于，配置在所述根部的突出部分是单级或多级密封部分，配置在沿所述叶片转动面的两个表面上。

4、按照权利要求3所述的燃气涡轮叶片，其特征在于有一种结构，其中每个密封部分的边缘向着所述叶身弯曲，并相对于喷嘴滑动，以便密封流动的燃气流。

5、按照权利要求2所述的燃气涡轮叶片，其特征是在所述根部配置的凸出部分，是一个位于与叶身转动面相交的两表面上的平台。

6、按照权利要求2所述的燃气涡轮叶片，其特征在于具有凸出部分的根部，具有不少于15厘米²的横剖面积。

7、按照权利要求3所述的燃气涡轮叶片，其特征在于具有凸出部分的根部，具有不少于15厘米²的横剖面积。

8、按照权利要求4所述的燃气涡轮叶片，其特征在于具有凸出部分的根部，具有不少于15厘米²的横剖面积。

9、按照权利要求5所述的燃气涡轮叶片，其特征在于具有凸部分的根部，具有不于15厘米²的横剖面积。

10、按照权利要求2所述的燃气涡轮叶片，其特征在于包括所述楔形榫和凸出部分的所述根部和叶身是用镍基合金制成的，其中r′相在r相的单晶基体中析出。

11、按照权利要求3所述的燃气涡轮叶片，其特征在于包括所述楔形榫和凸出部分的所述根部和叶身是由镍基合金制成的，其中r′相在r相的单晶基体中析出。

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