應用熔融生長復合材料的超高效燃氣輪機的先期研究

張懷翼， 付玥， 付國強

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱 150046）

0 引言

近年來，正開發一種熔融生長復合材料MGC（Melt-Growth Composites），這種材料在1 700℃時也可保持很高的強度，并且耐氧化性能優良。目前正將這種MGC材料應用于燃氣輪機，以提高其溫度及壓力，有望在效率提高方面有所突破。以提高MGC性能及評價MGC應用于燃氣輪機的可行性為目的，開始進行了MGC超高效透平系統技術先期研究開發項目。

1 MGC應用于燃氣輪機的研究

1.1 M G C應用于透平靜葉時的熱沖擊應力研究

用MGC材料制造透平靜葉，在透平入口溫度為1 700℃的嚴酷條件下無需冷卻，但應會產生很大的熱應力。特別是燃氣輪機緊急停機時產生的熱沖擊應力，可對MGC的透平靜葉造成致命性的破壞，危險性極高。因此，在1 700℃額定運行狀態下緊急停機，1 s內降低1 000℃，即降至700℃，以這種極其嚴酷的條件下的熱沖擊應力分析，對MGC應用于透平靜葉的可行性進行研究。

1.2 燃氣輪機性能的研究

由于MGC材料在1 700℃下強度也不會降低，可用于透平靜葉，且無需冷卻。研究對象是5MW等級的中小型燃氣輪機。循環計算結果中可以算出：在以往金屬材料的空冷燃氣輪機中，總壓比在30左右時效率達到了峰值；而在壓比大于40時效率就要降低。與此相比，透平靜葉使用了MGC材料時，效率及比功率都得到大幅提高。即總壓比為30，透平入口溫度為1 700℃時，燃氣輪機效率可達38%左右，與現有中小型燃氣輪機（壓比15，透平入口溫度1 100℃）效率29%相比，提高了9%。

2 葉片振動預測方法

2.1 葉片振動預測方法概述

在使用了MGC材料的燃氣輪機中，由于提高了工作流體的壓力，同以往機型相比，可能導致透平和壓氣機中的葉片氣動激振力增大。因此，開發了可預測葉片振動的、集氣動分析和結構分析為一體的綜合預測方法，并對預測精度時行了驗證。即是這種已開發的預測方法的概要。在這種預測方法中：1）對于葉片進行激振的方式（上游葉片的尾流等）；2）以葉片自身的固有振型為邊界條件求二維非定常CFD的非定常氣動力，并將求得非定常氣動力及結構減振性能同時作為邊界條件，對葉片進行結構響應FEM分析，預測葉片共振時的振動水平。

2.2 葉片振動預測方法的精度驗證

為驗證上述預測方法的精度，大型高速回轉葉柵試驗裝置進行試驗。在試驗中，用熱線流速儀測量動葉尾流。另一方面，在下游靜葉葉高的中央位置，在相對的2枚靜葉的壓力面（內弧）和負壓面（背弧）的各自葉弦方向，插入多個小型壓力傳感器，對由動葉尾流碰撞引起的型面非定壓力進行測量，還應用變片測量靜葉振動。

從動葉黏性CFD分析中可獲得葉高中央位置的動葉出口流速的周向分布情況，并同時利用熱線流速儀測得的結果比較。CFD分析能高精度地預測出動葉的尾流波形。因此，將動葉尾流作為入口邊界的干擾，對靜葉周圍進行二維非定常CFD（線性歐拉法）分析。通過與靜葉型面非定常壓力振幅試驗比較，經確認，可高精度地預測非定常壓力。在這種大型高速回轉葉柵試驗裝置中，試驗獲得的坎貝爾在某些轉速下，靜葉的高階振型與動葉振階次共振，葉片產生很大振動。在這里，使用通過CFD預測的非定常氣動力，用FEM預測這個共振點下的葉片振動水平，利用應變與試驗數據進行比較。結構減振方面，則使用另行實施的試驗靜葉激振試驗中獲得數值。經確認，可高精度地預測葉激葉片振動水平。

3 結 語

對應用革新耐熱材料MGC的1 700℃級燃氣輪機中，透平靜葉的熱沖擊應力燃氣輪機效率進行了研究。另外，在提高應用MGC的燃氣輪機壓力時，對重要的葉片振動預測方法的精度進行了驗證。通過驗證結果，可明確以下幾點：1）由于透平靜葉采用的是空心結構，因此緊急停機時的熱沖擊應力可降到MGC允許的強度以下。2）將MGC應用透平靜葉，以達到1 700℃時無需冷卻的目的，且同以往金屬材料空冷燃氣輪機相比，效率可提高9%之多。3）開發了CFD與FEM為一體的葉片振動預測方法，并通過對大型高速回轉葉柵試驗中取得的葉片振動數據的驗證，確認兩者的高階振型與振動水平已非常一致。