CN108301877A - 一种耐高温汽轮机叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了公开了一种耐高温汽轮机叶片，包括叶根、叶型和叶冠，所述叶根、叶型和叶冠依次固定连接，所述叶型的横截面为弧形，所述叶型的内弧面上形成气道，所述叶型靠近叶冠的一端设置有通孔，所述叶型的外凸面上设置有降温装置，所述降温装置包括水管、冷却箱和降温管，所述水管、冷却箱和降温管均设置在叶型的外凸面上，所述通孔通过水管与冷却箱的进水口连接，所述冷却箱的出水口与降温管的进水口连接。本发明通过对液化的高温蒸汽进行降温，然后储存，实现对汽轮机叶片的降温。

Description

一种耐高温汽轮机叶片
技术领域
本发明涉及发电设备技术领域，特别是涉及一种耐高温汽轮机叶片。
背景技术
汽轮机是将蒸汽的能量转换成为机械功的旋转式动力机械，又称为蒸汽透平，主要用作发电用的原动机，也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等，还可以利用汽轮机的排汽或中间抽汽满足生产和生活上的供热需要。
汽轮机的叶片是汽轮发电机组的重要部件。汽轮机叶片的工作环境复杂多变，它在极苛刻的条件下承受高温、高压、巨大的离心力、蒸汽力、蒸汽振荡力、腐蚀及湿蒸汽区水滴冲蚀的共同作用。在高温下金属的汽轮机叶片的机械性会有明显的下降，主要表现为材料的抗拉、抗扭、抗疲劳等性能会下降，然而当叶片长时间处于高温条件下，则会使叶片内部的组织结构产生变化，造成晶间空洞的生产、聚合，产生高温蠕变破坏，从而极大地影响叶片的使用寿命。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种耐高温汽轮机叶片，通过对液化的高温蒸汽进行降温，然后储存，实现对汽轮机叶片的降温。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案如下：
一种耐高温汽轮机叶片，包括叶根、叶型和叶冠，所述叶根、叶型和叶冠依次固定连接，所述叶型的横截面为弧形，所述叶型的内弧面上形成气道，所述叶型靠近叶冠的一端设置有通孔，所述叶型的外凸面上设置有降温装置，所述降温装置包括水管、冷却箱和降温管，所述水管、冷却箱和降温管均设置在叶型的外凸面上，所述通孔通过水管与冷却箱的进水口连接，所述冷却箱的出水口与降温管的进水口连接。
进一步的，所述降温管呈多层S型设置在叶型的外凸面上。
进一步的，所述冷却箱内设置有冷却管和制冷剂，所述冷却管的进水口与冷却箱的进水口连接，所述冷却管的出水口与冷却箱的出水口连接，所述冷却管呈多层S型设置在冷却箱中，所述制冷剂位于冷却管外。
进一步的，所述通孔位于气道上。
进一步的，所述降温管的出水口可拆卸设置有堵头。
进一步的，所述耐高温汽轮机叶片的化学成分的质量百分比为：C：0.22-0.29％、Mn：0.61-0.64％、W：0.36-0.41％、Nb：0.53-0.58％、Si：1.23-1.56％、Cr：0.98-1.26％、Al：2.68-2.96％、Mo：0.34-0.38％、Ti：0.45-0.51％，稀土金属：0.25-0.32％、余量为Fe。
进一步的，所述稀土金属的组份质量百分比为：Pr：17-21％、Nd：21-23％、Ce：8-11％、Y：25-27％、Tm：11-13％，余量为Ho。
本发明还提供了一种耐高温汽轮机叶片的制备方法，包括以下步骤：
S1：将汽轮机叶片的原料按照质量百分比加入到熔炼炉中，将原料熔炼成合金溶液，然后保温10-15分钟；
S2：将合金溶液通过水冷的方式降温至660-650℃形成合金，然后对合金进行热轧，之后冷却形成合金胚料；
S3：用砂轮切割机对合金胚料进行切割，然后将切割好的合金胚料放入锻模中进行锻造，锻造温度保持在765-806℃之间，锻造得到叶片成型胚料；
S4：将叶片成型胚料放入淬火炉中进行淬火，淬火温度为860-900℃，淬火后冷却至280-300℃，将叶片半成品取出，自然冷却至室温，然后放入加热炉中加热至750-770℃，保温15-20分钟，然后取出，放入回火炉中，将回火炉温度调整至455-465℃，保温10-15分钟，然后取出，冷却至室温；
S5：对S4得到的成型胚料表面进行喷砂处理，使胚料表面达到Sa2.5级，然后在成型胚料表面喷涂耐高温涂料，静置30-45分钟；
S6：将S5得到的成型胚料放入气体氮化炉中，向炉内通入NH3，然后将炉温调整至530-535℃，保温15-20小时；
S7：将S6得到的成型胚料进行超声波探伤处理，没有问题则去除胚料的内外尖角及毛刺，随后进行清洁，得到叶片成品。
进一步的，所述S5中耐高温涂料的成分的质量百分比为：滑石粉：3-6％、石棉粉：5-11％、陶瓷土：2-4％、磷酸铁锌：5-8％、复合型双官能团硅烷：2-7％、醋酸丁酯：6-9％、正丁醇10-16％，余量为环氧改性有机硅树脂。
进一步的，所述S5中喷砂处理的原料为钢砂、氧化铝、石英砂中的一种。
本发明的有益效果是：
(1)本发明所述的耐高温汽轮机叶片，在叶型上设置有通孔，当高温蒸汽作用到叶片上时，由于叶片表面温度较低，高温蒸汽会遇冷液化，变成水滴，而叶片高速旋转，水滴受离心力作用向叶冠处移动，从通孔进入水管，经过冷却箱，温度降低后到达降温管，降温管与叶片外凸面接触，可以对叶片进行降温，避免叶片长时间处于高温的工作环境中产生高温蠕变破坏，从而大大延长了叶片的使用寿命；
(2)本发明所述的耐高温汽轮机叶片，降温管呈多层S型设置在叶型的外凸面上，尽可能增大了降温管与叶片的接触面积，加快了热量传递，提高了叶片降温的效果和效率；冷却管也呈多层S型设置在冷却箱中，增加了水在冷却箱的时间，使水达到降温管时水的温度更低，进一步增加了对叶片的降温效果；
(3)本发明所述的耐高温汽轮机叶片，水滴受离心力作用沿着气道向叶冠移动，将通孔设置在气道上，使高温蒸汽液化形成的水更易进入通孔中；在降温管的出水口可拆卸设置有堵头，当汽轮机处于非工作状态时，可以将降温管中的水排出；
(4)本发明所述的耐高温汽轮机叶片，在原料中加入Cr、Si、Al等元素，在熔炼的氧化性气氛中可以很快地生成一层致密的氧化膜，并牢固地附在钢表面，从而有效地提高汽轮机叶片的耐高温性能；加入了Mo、W等元素，属于VⅠB元素，可以增加钢中原子间在高温下的结合力，提高金属键的强度，从而提高了叶片的耐高温性能；还加入稀土元素，由于以上稀土元素的金属原子半径比铁的原子半径大，很容易填补在其晶粒及缺陷中，并生成能阻碍晶粒继续生长的膜，从而使晶粒细化而提高钢的性能，另外，稀土元素与碳、硅等反应形成稀土元素的碳化物、硅化物等，这些化合物硬度高，耐化学腐蚀性好，且熔点高，不仅提高叶片的耐高温性能，还可以提高耐腐蚀性能，从而极大地提高了汽轮机的使用寿命。
(5)本发明所述的耐高温汽轮机叶片，在叶片胚料热处理后进行喷砂处理，使叶片胚料的表面的外表或形状发生变化，由于磨料对叶片胚料表面的冲击和切削作用，使叶片胚料的表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度，使胚料表面的机械性能得到改善，提高了叶片的抗疲劳性，同时增加了胚料表面与耐高温涂料之间的附着力，延长了耐高温涂料的耐久性；耐高温涂料则进一步提高了汽轮机叶片的耐高温性能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为叶型外凸面的结构示意图。
其中：1、叶根；2、叶型；3、叶冠；4、通孔；5、水管；6、冷却箱；7、降温管；8、冷却管；9、制冷剂；10、堵头。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供的一种耐高温汽轮机叶片，结构如图1所示，包括叶根1、叶型2和叶冠3，叶根1、叶型2和叶冠3依次固定连接，叶型2的横截面为弧形，叶型2的内弧面上形成气道，叶型2靠近叶冠3的一端设置有通孔4，通孔4位于气道上，叶型2的外凸面上设置有降温装置，降温装置包括水管5、冷却箱6和降温管7，水管5、冷却箱6和降温管7均设置在叶型2的外凸面上，降温管7呈多层S型设置在叶型2的外凸面上，冷却箱6内设置有冷却管8和制冷剂9，冷却管8的进水口与冷却箱6的进水口连接，冷却管8的出水口与冷却箱6的出水口连接，且冷却管8呈多层S型设置在冷却箱6中，制冷剂9位于冷却管8外，通孔4通过水管5与冷却箱6内的冷却管8的进水口连接，冷却管8的出水口与降温管7的进水口连接，降温管7的出水口可拆卸设置有堵头10。
本实施例提供的耐高温汽轮机叶片的化学成分的质量百分比为：C：0.22％、Mn：0.61％、W：0.36％、Nb：0.53％、Si：1.23％、Cr：0.98％、Al：2.68％、Mo：0.34％、Ti：0.45％，Pr：0.0425％、Nd：0.0525％、Ce：0.02％、Y：0.0625％、Tm：0.0275％、Ho：0.045、Fe：92.35％。
本实施例提供的耐高温汽轮机叶片的制备方法，包括以下步骤：
S1：将汽轮机叶片的原料按照质量百分比加入到熔炼炉中，将原料熔炼成合金溶液，然后保温10分钟；
S2：将合金溶液通过水冷的方式降温至660℃形成合金，然后对合金进行热轧，之后冷却形成合金胚料；
S3：用砂轮切割机对合金胚料进行切割，然后将切割好的合金胚料放入锻模中进行锻造，锻造温度保持在765℃之间，锻造得到叶片成型胚料；
S4：将叶片成型胚料放入淬火炉中进行淬火，淬火温度为860℃，淬火后冷却至280℃，将叶片半成品取出，自然冷却至室温，然后放入加热炉中加热至750℃，保温15分钟，然后取出，放入回火炉中，将回火炉温度调整至455℃，保温10分钟，然后取出，冷却至室温；
S5：对S4得到的成型胚料表面进行喷砂处理，喷砂的原料为氧化铝，使胚料表面达到Sa2.5级，然后在成型胚料表面喷涂耐高温涂料，涂料喷涂好后静置30分钟，其中耐高温涂料的成分的质量百分比为：滑石粉：3％、石棉粉：5％、陶瓷土：2％、磷酸铁锌：5％、复合型双官能团硅烷：2％、醋酸丁酯：6％、正丁醇10％、环氧改性有机硅树脂：67％；
S6：将S5得到的成型胚料放入气体氮化炉中，向炉内通入NH3，然后将炉温调整至530℃，保温15小时；
S7：将S6得到的成型胚料进行超声波探伤处理，没有问题则去除胚料的内外尖角及毛刺，随后进行清洁，得到叶片成品一。
实施例2
本实施例提供的一种耐高温汽轮机叶片，结构如图1所示，包括叶根1、叶型2和叶冠3，叶根1、叶型2和叶冠3依次固定连接，叶型2的横截面为弧形，叶型2的内弧面上形成气道，叶型2靠近叶冠3的一端设置有通孔4，通孔4位于气道上，叶型2的外凸面上设置有降温装置，降温装置包括水管5、冷却箱6和降温管7，水管5、冷却箱6和降温管7均设置在叶型2的外凸面上，降温管7呈多层S型设置在叶型2的外凸面上，冷却箱6内设置有冷却管8和制冷剂9，冷却管8的进水口与冷却箱6的进水口连接，冷却管8的出水口与冷却箱6的出水口连接，且冷却管8呈多层S型设置在冷却箱6中，制冷剂9位于冷却管8外，通孔4通过水管5与冷却箱6内的冷却管8的进水口连接，冷却管8的出水口与降温管7的进水口连接，降温管7的出水口可拆卸设置有堵头10。
本实施例提供的耐高温汽轮机叶片的化学成分的质量百分比为：C：0.29％、Mn：0.64％、W：0.41％、Nb：0.58％、Si：1.56％、Cr：1.26％、Al：2.96％、Mo：0.38％、Ti：0.51％、Pr：17-24％、Nd：0.08％、Ce：0.0384％、Y：0.0896％、Tm：0.0448％、Ho：0.016％、Fe：91.09％。
本实施例提供的耐高温汽轮机叶片的制备方法，包括以下步骤：
S1：将汽轮机叶片的原料按照质量百分比加入到熔炼炉中，将原料熔炼成合金溶液，然后保温15分钟；
S2：将合金溶液通过水冷的方式降温至650℃形成合金，然后对合金进行热轧，之后冷却形成合金胚料；
S3：用砂轮切割机对合金胚料进行切割，然后将切割好的合金胚料放入锻模中进行锻造，锻造温度保持在806℃之间，锻造得到叶片成型胚料；
S4：将叶片成型胚料放入淬火炉中进行淬火，淬火温度为900℃，淬火后冷却至300℃，将叶片半成品取出，自然冷却至室温，然后放入加热炉中加热至770℃，保温20分钟，然后取出，放入回火炉中，将回火炉温度调整至465℃，保温15分钟，然后取出，冷却至室温；
S5：对S4得到的成型胚料表面进行喷砂处理，喷砂的原料为氧化铝，使胚料表面达到Sa2.5级，然后在成型胚料表面喷涂耐高温涂料，涂料喷涂好后静置45分钟，其中耐高温涂料的成分的质量百分比为：滑石粉：6％、石棉粉：11％、陶瓷土：4％、磷酸铁锌：8％、复合型双官能团硅烷：7％、醋酸丁酯：9％、正丁醇16％、环氧改性有机硅树脂：39％；
S6：将S5得到的成型胚料放入气体氮化炉中，向炉内通入NH3，然后将炉温调整至535℃，保温20小时；
S7：将S6得到的成型胚料进行超声波探伤处理，没有问题则去除胚料的内外尖角及毛刺，随后进行清洁，得到叶片成品二。
实施例3
本实施例提供的一种耐高温汽轮机叶片，结构如图1所示，包括叶根1、叶型2和叶冠3，叶根1、叶型2和叶冠3依次固定连接，叶型2的横截面为弧形，叶型2的内弧面上形成气道，叶型2靠近叶冠3的一端设置有通孔4，通孔4位于气道上，叶型2的外凸面上设置有降温装置，降温装置包括水管5、冷却箱6和降温管7，水管5、冷却箱6和降温管7均设置在叶型2的外凸面上，降温管7呈多层S型设置在叶型2的外凸面上，冷却箱6内设置有冷却管8和制冷剂9，冷却管8的进水口与冷却箱6的进水口连接，冷却管8的出水口与冷却箱6的出水口连接，且冷却管8呈多层S型设置在冷却箱6中，制冷剂9位于冷却管8外，通孔4通过水管5与冷却箱6内的冷却管8的进水口连接，冷却管8的出水口与降温管7的进水口连接，降温管7的出水口可拆卸设置有堵头10。
本实施例提供的耐高温汽轮机叶片的化学成分的质量百分比为：C：0.26％、Mn：0.63％、W：0.38％、Nb：0.56％、Si：1.39％、Cr：1.18％、Al：2.80％、Mo：0.36％、Ti：0.48％，Pr：0.0532％、Nd：0.0616％、Ce：0.028％、Y：0.0728％、Tm：0.0336％、Ho：0.0308％、Fe：91.68％。
本实施例提供的耐高温汽轮机叶片的制备方法，包括以下步骤：
S1：将汽轮机叶片的原料按照质量百分比加入到熔炼炉中，将原料熔炼成合金溶液，然后保温13分钟；
S2：将合金溶液通过水冷的方式降温至655℃形成合金，然后对合金进行热轧，之后冷却形成合金胚料；
S3：用砂轮切割机对合金胚料进行切割，然后将切割好的合金胚料放入锻模中进行锻造，锻造温度保持在780℃之间，锻造得到叶片成型胚料；
S4：将叶片成型胚料放入淬火炉中进行淬火，淬火温度为880℃，淬火后冷却至290℃，将叶片半成品取出，自然冷却至室温，然后放入加热炉中加热至760℃，保温18分钟，然后取出，放入回火炉中，将回火炉温度调整至460℃，保温13分钟，然后取出，冷却至室温；
S5：对S4得到的成型胚料表面进行喷砂处理，喷砂的原料为氧化铝，使胚料表面达到Sa2.5级，然后在成型胚料表面喷涂耐高温涂料，涂料喷涂好后静置40分钟，其中耐高温涂料的成分的质量百分比为：滑石粉：5％、石棉粉：8％、陶瓷土：3％、磷酸铁锌：7％、复合型双官能团硅烷：5％、醋酸丁酯：8％、正丁醇13％、环氧改性有机硅树脂：51％；
S6：将S5得到的成型胚料放入气体氮化炉中，向炉内通入NH3，然后将炉温调整至533℃，保温17小时；
S7：将S6得到的成型胚料进行超声波探伤处理，没有问题则去除胚料的内外尖角及毛刺，随后进行清洁，得到叶片成品三。
对比例：市售江苏欧美达汽轮机配件有限公司生产的工业汽轮机433动叶片。
将叶片成品一～三和对比例的433动叶片进行对比试验测试，各项性能按国标进行测定，试验条件及其他实验材料均相同，测试结果如表1和表2所示：
表1在常温下进行试验：
表1
由表1可以看出，在常温下本发明制备的汽轮机叶片，与对比例相比，无论是叶片的硬度、抗拉强度，还是断面收缩率，性能都要更为优越。
表2在高温条件下进行试验：
表2
由表2可以看出，当温度升高至300℃和500℃时，对比例的各项数据均有大幅度的降低，而本发明制备的汽轮机叶片，虽然性能均有下降，但是下降的幅度较小。本发明制备的耐高温汽轮机叶片，显著地提高了汽轮机叶片的耐高温性能，同时，还提高了叶片的硬度和抗拉强度等性能，各项机械性能优良，使用寿命更长。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种耐高温汽轮机叶片，包括叶根、叶型和叶冠，所述叶根、叶型和叶冠依次固定连接，所述叶型的横截面为弧形，所述叶型的内弧面上形成气道，其特征在于：所述叶型靠近叶冠的一端设置有通孔，所述叶型的外凸面上设置有降温装置，所述降温装置包括水管、冷却箱和降温管，所述水管、冷却箱和降温管均设置在叶型的外凸面上，所述通孔通过水管与冷却箱的进水口连接，所述冷却箱的出水口与降温管的进水口连接。
2.根据权利要求1所述的耐高温汽轮机叶片，其特征在于：所述降温管呈多层S型设置在叶型的外凸面上。
3.根据权利要求1所述的耐高温汽轮机叶片，其特征在于：所述冷却箱内设置有冷却管和制冷剂，所述冷却管的进水口与冷却箱的进水口连接，所述冷却管的出水口与冷却箱的出水口连接，所述冷却管呈多层S型设置在冷却箱中，所述制冷剂位于冷却管外。
4.根据权利要求1所述的耐高温汽轮机叶片，其特征在于：所述通孔位于气道上。
5.根据权利要求1所述的耐高温汽轮机叶片，其特征在于：所述降温管的出水口可拆卸设置有堵头。
6.根据权利要求1所述的耐高温汽轮机叶片，其特征在于：所述耐高温汽轮机叶片的化学成分的质量百分比为：C：0.22-0.29%、Mn：0.61-0.64%、W：0.36-0.41%、Nb：0.53-0.58%、Si：1.23-1.56%、Cr：0.98-1.26%、Al：2.68-2.96%、Mo：0.34-0.38%、Ti：0.45-0.51%，稀土金属：0.25-0.32%、余量为Fe。
7.根据权利要求6所述的耐高温汽轮机叶片，其特征在于：所述稀土金属的组份质量百分比为：Pr：17-21%、Nd：21-23%、Ce：8-11%、Y：25-27%、Tm：11-13%，余量为Ho。
8.一种如权利要求6所述的耐高温汽轮机叶片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：将汽轮机叶片的原料按照质量百分比加入到熔炼炉中，将原料熔炼成合金溶液，然后保温10-15分钟；
S2：将合金溶液通过水冷的方式降温至660-650℃形成合金，然后对合金进行热轧，之后冷却形成合金胚料；
S3：用砂轮切割机对合金胚料进行切割，然后将切割好的合金胚料放入锻模中进行锻造，锻造温度保持在765-806℃之间，锻造得到叶片成型胚料；
S4：将叶片成型胚料放入淬火炉中进行淬火，淬火温度为860-900℃，淬火后冷却至280-300℃，将叶片半成品取出，自然冷却至室温，然后放入加热炉中加热至750-770℃，保温15-20分钟，然后取出，放入回火炉中，将回火炉温度调整至455-465℃，保温10-15分钟，然后取出，冷却至室温；
S5：对S4得到的成型胚料表面进行喷砂处理，使胚料表面达到Sa2.5级，然后在成型胚料表面喷涂耐高温涂料，静置30-45分钟；
S6：将S5得到的成型胚料放入气体氮化炉中，向炉内通入NH3，然后将炉温调整至530-535℃，保温15-20小时；
S7：将S6得到的成型胚料进行超声波探伤处理，没有问题则去除胚料的内外尖角及毛刺，随后进行清洁，得到叶片成品。
9.根据权利要求8所述的耐高温汽轮机叶片的制备方法，其特征在于：所述S5中耐高温涂料的成分的质量百分比为：滑石粉：3-6%、石棉粉：5-11%、陶瓷土：2-4%、磷酸铁锌：5-8%、复合型双官能团硅烷：2-7%、醋酸丁酯：6-9%、正丁醇10-16%，余量为环氧改性有机硅树脂。
10.根据权利要求8所述的耐高温汽轮机叶片的制备方法，其特征在于：所述S5中喷砂处理的原料为钢砂、氧化铝、石英砂中的一种。
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