燃氣輪機尾筒密封件增設熱障涂層與掛機運行實驗

王慶韌，郭 贊，郭 衡，賀 杰，彭加林，鄒亞鄂

(1. 廣東惠州天然氣發電有限公司，廣東 惠州 516082；2. 北京京豐燃氣發電有限責任公司，北京 100074；3. 成都航利(集團)實業有限公司，成都 610041)

多年來燃氣輪機國產化一直是國內重大科技創新熱點之一。為此，國家“十三五”規劃確定了100 項重大科技項目，其中航空發動機及燃氣輪機(統稱為 “兩機專項”)排在了第一位。

作為燃氣輪機最終用戶，A電廠很早就開始了燃氣輪機國產化嘗試，系統規劃了燃氣輪機國產化戰略[1-3]，有序開展了一系列國產化探索與行動，取得了一系列進展[4-16]。其中，僅燃氣輪機尾筒密封件(其結構及安裝位置參見文獻[4]和文獻[5])就進行了兩輪國產化嘗試。

在第1 輪國產化行動中，采用了全國產化制造方案，樣品僅完成了5 個月的掛機運行實驗，未能達到1 個檢修周期(指燃燒器檢查周期，下同)的實用需求[5]。這說明，雖然國產化的路子是正確的，但較為激進的國產化技術路徑脫離了當時國情，需要加以修正。

本文主要介紹第2 輪國產化案例，分享經驗與教訓。

1 開發思路

遵循既定戰略規劃設計的“先修理、后制造”的技術創新路線，先從新品到貨入手，以燃氣輪機原始供應商(包括其特定合作廠家，下同)銷售的新的尾筒密封件為基礎，走“先增(增加措施)后改(改進措施)”的修理性道路，提高技術開發獲取成功的概率[3]。

正如第1輪國產化那樣，合作開發、軍民融合是最佳途徑[5]。結合考察國內燃氣輪機研究機構的實力與期望，形成了以兩家電廠、一家航空發動機修理廠家(C廠家，含其研究機構)為主的戰略合作與技術開發聯合體。B 電廠在燃氣輪機國產化方面有一定的探索及業績[17-19]。C廠家具有良好的軍用、民用航空發動機修理經驗[20-22]，與A、B電廠具有良好的合作基礎和科研成績。

2 方案

燃氣輪機尾筒密封件是連接尾筒與第1 級靜葉的裝置，在運行中與尾筒、第1 級靜葉一樣處于很高的溫度環境，承受著熱膨脹、熱對中、熱應力、熱沖擊和熱腐蝕等不利影響。仔細觀察發現，燃燒器尾筒的內壁及第1級靜葉都附有高溫涂層，而尾筒密封件沒有，這就使得尾筒出口密封件劣化顯得尤為突出。因此，在尾筒密封件的燃氣通流外表面噴一層高溫涂層(如圖1所示)，有可能使尾筒密封件的溫度梯度減小，從而減小基體金屬所受的熱應力影響，進而減輕尾筒密封件的劣化，延長尾筒密封件的使用壽命。

圖1 尾筒密封件外通流面

文獻[20]介紹了2012 年前存在的數種航空發動機涂層技術，當時正打算研究更為先進的可以在1 250 ℃以上正常工作的航空發動機涂層技術。這與F級重型燃氣輪機尾筒密封件所處的工作溫度相當。后來文獻[23]對燃氣輪機起動過程熱障涂層進行了應力數值分析，認為起動過程中涂層瞬態溫度場的變化主要受燃氣溫度的變化規律影響，起動過程未見熱應力激增現象，陶瓷層燒結和氧化層增厚主要對起動初期尤其是起動過程的初始殘余應力有重要影響，對起動過程中后期的影響可忽略，從而支持了這種涂層技術的可信度。

3 涂層材料

涂層調查。1989 年起涂層技術進入了快速發展期[24]，國內外對燃氣輪機熱障涂層技術的研究很多[25-29]，特別是近幾年國內陸續展示了一些重要的研究成果[30-40]。這些重要的研究成果皆晚于本輪國產化行動開始日期。因此，本輪國產化中的涂層材料研究主要基于航空發動機涂層技術及經驗。

基材分析。運用逆向工程對尾筒出口密封件的基材進行了光譜、材料、機理分析，初步掌握了材料性能。

涂層選型。結合尾筒密封件的工作環境溫度和技術要求以及基材成分分析結果，借鑒燃氣輪機透平葉片修理技術經驗，決定采用航空發動機修理用釔穩定氧化鋯涂層[20]。當時市面上廣泛采用性能較好的熱障涂層材料MCrAlY和YSZ，后者隔熱效果最高只有170 ℃，使用溫度低于1 200 ℃，因此選用MCrAlY作為底層、YSZ作為面層的雙層結構。這種涂層在現代軍用、民用航空發動機修理領域廣泛應用，業績優良，但能否推廣應用到地面重型、大型燃氣輪機，尚須通過本研究來實踐驗證。

4 涂層制備工藝

依靠C廠家現有設備能力，開發出高溫保護涂層制備工藝，使涂層性能指標不低于航空技術標準和國外燃氣輪機供應商的技術規范。

針對尾筒出口密封結構，設計制造工裝夾具，用于涂層制備時零件固定，使得涂層制備時能夠牢固地夾持尾筒密封件。

對尾筒出口密封件的燃氣通道面進行涂層制備前的吹砂處理，增大摩擦力，使基體與TBC涂層的底層牢固結合。

采用超音速火焰噴涂制備底層(MCrAlY)，使底層厚度與尾筒燃氣通道面一致，厚度控制為0.1 mm。

采用等離子機械手噴涂工藝制備面層，厚度控制為0.3 mm。

涂層制備工藝經過工廠試驗與檢驗，評估后能夠滿足1 個檢修周期要求。

隨后制備出合格樣品并安裝在機組上進行掛機實驗。

5 掛機實驗

連續運行方式下第1次掛機實驗，只帶了2組4 片尾筒密封件樣品(內、外環尾筒密封件各2 片，配套安裝)，安全運行超過1個檢修周期，達到10 493 EOH(1) 。EOH (Equivalent Operating Hours) 為等效運行時間，EOH(1)為燃燒器等一類熱通道部件的等效運行時間[2]。圖2和圖3分別為運行8 000 EOH(1)后的原件與本樣品關于冷卻孔裂紋的情況比較，前者冷卻孔裂紋很多，后者未見裂紋。

連續運行方式下第2次掛機運行實驗，將以上兩組4 片樣品繼續使用并對其余18 組36 片尾筒密封件增設涂層，重復使用又滿1 個檢修周期(如圖4所示)。此時，樣品運行時間累計達2 個檢修周期15 837 EOH(1)。其中，有2片樣品(均為外環尾筒密封件)的涂層出現了部分脫落，與其余18 片外環尾筒密封件一樣，拆下后有點變形，無法安裝進設備原位置。

連續運行方式下第3次掛機實驗時，更換了20 片外環尾筒密封件并增設了涂層。將第1次、第2次掛機運行實驗后仍然合格的2 片樣品(均為內環尾筒密封件)一起安裝到位，重復使用又滿1個檢修周期，達到21 363 EOH(1)。此時，每片尾筒密封件的冷卻孔出口處均出現了微小裂紋，決定不再修復、利用、實驗。

兩班制運行方式下掛機實驗，對全部20組40 片尾筒密封件增設涂層，安全運行滿1個檢修周期，累計 310 次啟停7 989 EOH(1)。檢查實驗結果發現涂層雖然沒有多少脫落，但內環尾筒密封件與外環尾筒密封件的冷卻孔附近均有裂紋產生，內環尾筒密封件相較外環尾筒密封件明顯嚴重得多，顯然都不能夠繼續修復使用(如圖5所示)。

圖5 尾筒密封件冷卻孔出口處裂紋

6 實驗分析

1) 所有實驗都安全穩定運行了至少1 個檢修周期，說明該航空發動機涂層材料滿足燃氣輪機實際使用要求。

2) 連續運行方式下掛機實驗最長達到3 個檢修周期，說明：涂層材料隔熱效果很好；涂層制備工藝質量也可以做到很好；涂層最長壽命可以達到21 363 EOH(1)，這為航空發動機涂層材料研究提供了可能方向，如大型民用航空發動機TBC壽命普遍要求達到上萬小時[29]，以后可向2 萬多小時邁進；確證基材抗蠕變疲勞的極限壽命約為21 363 EOH(1)。

3) 連續運行方式下掛機實驗結果相差了1～2個檢修周期，說明：涂層對基材的保護效果相差很大；同樣在連續運行方式下，成套外環尾筒密封件的壽命普遍少于樣品的壽命，顯示涂層的批量化制備工藝質量與零星化制備工藝質量有明顯差異。

4) 連續運行方式下2 片樣品累計掛機運行至15 837 EOH(1)后出現涂層部分脫落，原因可能是涂層制備過程中質量控制不太穩定或者涂層制備工藝技術上還有可以改善之處。2 片外環尾筒密封件累計掛機運行至15 837 EOH(1)后出現彎曲變形，比內環尾筒密封件少運行1 個檢修周期，主要原因可能是外環尾筒密封件基材金屬內、外溫差相對較大所致。

5) 兩班制運行方式下燃氣輪機熱部件及尾筒密封件的損傷(以冷卻孔附近裂紋為主要特征)本來就比連續運行方式下嚴重得多(后者以脹粗及彎曲變形為主要特征)。增設涂層后并沒有改變這一趨勢特征，且運行壽命都只能維持300次啟停次數，說明增設涂層對于尾筒密封件性能的改善依然抵御不了基材自身的性能約束，以后應當在基材材料上多下工夫。

6) 兩班制運行方式下內環尾筒密封件比外環尾筒密封件冷卻孔處的裂紋明顯嚴重得多，主要原因有：內環尾筒密封件更接近于燃燒室中心，工作環境溫度相對較高；涂層制備上，當時沒辦法噴的太厚，太厚結合強度上不去，容易脫落；鑒于各種涂層制備工藝技術的優缺點[30]及制備批次穩定性問題[29]，不能排除本次涂層制備的質量問題，因為TBC制備過程中整體冷卻階段所產生的熱應力在總的熱應力中有著較大的比重，對于TBC質量及其服役壽命有著顯著影響[26]。文獻[31]研究結果表明，相同高溫氧化試驗條件下，振動會使涂層裂紋密度與寬度皆有所增加，熱障涂層由于高溫下的振動疲勞會加速其剝落，但本輪掛機運行實驗中未發現大量涂層脫落現象，因此，可以排除煙氣流動不均勻所導致的振動問題。

7) 比較連續運行方式與兩班制運行方式下的掛機運行實驗結果，可以發現該熱障涂層技術仍有一定的改進余地，如：改進涂層制備工藝，目前性能較好的熱障涂層材料仍然是MCrAlY 和 YSZ[24]，可以考慮對 MCrAlY粘結層進行適當的預氧化處理，容易在 MCrAlY粘結層與陶瓷表層間形成保護性Al2O3氧化物，進一步降低粘結層的氧化，提高陶瓷層與粘結層的結合力，從而提高 TBC的熱循環壽命[40]；研究在冷卻孔出口處的尾筒密封面上增設熱障涂層的制備工藝技術，進一步提高隔熱效果；嘗試研究開發或采用新的更先進的涂層(如LZ7C3涂層[36])和制備工藝技術[37-39]。

7 總結

本輪燃氣輪機尾筒密封件國產化之增設涂層及掛機運行實驗的主要成果有：

1) 在尾筒密封件(燃氣輪機原始供應商供給的新品)通流外表面增設了航空發動機先進涂層，驗證了涂層材料壽命滿足實用要求。

2) 開啟了又一次掛機實驗，取得了部分運行成績，2片樣品在連續運行機組上實現了延壽2個檢修周期的最佳預期目標，2片樣品及成套(20 片)內環尾筒密封件在連續運行機組上實現了延壽1個檢修周期的正常預期目標。。

當然，也有應吸取的教訓與存在的不足：

1) 本輪國產化行動結果與初衷設想的目標落差太大。今后，當直視目標與結果的偏差，從思想與技術上檢討過去的做法，進而結合國內燃氣輪機技術，以更加穩妥的態度、思路適時啟動第3 輪國產化行動，參與國內燃氣輪機創新。

2) 本輪國產化中仍要以燃氣輪機供貨商提供的原始部件為依托，沒有從根本上改變技術依賴的局面，仍需進一步從基材制造上著眼全面的自主化、國產化。

3) 增設涂層后大部分實驗未能實現延壽的初衷，其表層原因是當初對燃氣輪機技術創新難度估計不夠，對自身創新的自信過高，對國內當時具有的航空發動機技術水平估計過高，其深層次的原因尚須探明。

4) 尾筒密封件增設涂層，須要進行更多的掛機實驗來反復驗證，須對涂層材料及制備工藝進行改進。燃氣輪機核心熱部件也應如此。

期許此輪燃氣輪機尾筒密封件國產化成績與經驗能給國內燃氣輪機創新提供點滴參考。