【正文】 對(duì)技術(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制、保密，另一方面又積極投入資金和人力，竭力提高這一技術(shù)水平。例如，美國(guó)從 1991 年開(kāi)始的先進(jìn)透平系統(tǒng) (ATS)計(jì)劃，投資 7 億美元，目標(biāo)就是提高燃?xì)廨啓C(jī)效率，降低成本和污染，并且研究煤制氣燃料等。在此計(jì)劃期間，美國(guó)的 GE 公司 在 20 世紀(jì)末 21 世紀(jì)初成功推出了蒸汽 冷卻技術(shù)的MS9001H 聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組 ，循環(huán)熱效率接近 60%, ATS 項(xiàng)目完成之后，美國(guó)能源部又提出簡(jiǎn)單循環(huán)效率至少達(dá)到 47%，聯(lián)合循環(huán)效率達(dá)到 70%的下一代燃?xì)廨啓C(jī)計(jì)劃和 Vision21 規(guī)劃 ]5,1[ 。 國(guó)內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r 我國(guó) 的燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)起步較早，在理論研究和工業(yè)實(shí)踐方面都有著一定的經(jīng)驗(yàn)積累 ，但由于受到我國(guó)目前的技術(shù)水平、 能源政策等條件的限制，對(duì)于這種高難度的大型 設(shè)備的研發(fā)和制造一直進(jìn)展緩慢。 “十五”規(guī)劃期間，國(guó)家發(fā)改委明確“組織國(guó)內(nèi)市場(chǎng)資源，集中招標(biāo)，引進(jìn)技術(shù)，促進(jìn)國(guó)內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和制造水平提高”的戰(zhàn)略目標(biāo) ]1[ 。 在此期間，通過(guò) 3 次捆綁招標(biāo)，共引進(jìn)包括美國(guó)通用、 日本三菱 及 德國(guó)西門子 三家公司的 F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī) 54 套。同時(shí)，由于國(guó)家大力開(kāi)發(fā)天然氣資源， 西氣東輸工程以及近海天然氣開(kāi)發(fā)工程的開(kāi)展，也為燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。我國(guó) 的三大動(dòng)力集團(tuán) —— 哈爾 濱動(dòng)力集團(tuán)、東方電氣集團(tuán)和上海電氣集團(tuán) 在 9F 系列的燃?xì)廨啓C(jī)國(guó)產(chǎn)化研究方面都做出了巨大的貢獻(xiàn)，分別 與上述三家外國(guó)公司聯(lián)合生產(chǎn)109FA 機(jī)型 、 M701 機(jī)型以及 機(jī)型。 5 與此同時(shí)，我國(guó)還建成了大型燃?xì)廨啓C(jī)的組裝、試車中心，一大批國(guó)內(nèi)著名大學(xué)紛紛成立了燃?xì)廨啓C(jī)的研發(fā)中心，使得我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)的自主研發(fā)能力和制造水平有了顯著地提高。主機(jī)的國(guó)產(chǎn)化同時(shí)帶動(dòng)了以燃?xì)廨啓C(jī)為核心的 產(chǎn)業(yè)鏈的形成。與捆綁招標(biāo)同時(shí)進(jìn)行的的國(guó)家“ 863”大型燃機(jī)技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目，也在組織樣機(jī)研制、核心技術(shù)消化、自主創(chuàng)新及設(shè)計(jì)制造方面取得了豐厚的成果 。 研究的目的 及意義 我國(guó)的燃?xì)廨啓C(jī)雖然已經(jīng)經(jīng)過(guò)了 50 多年的發(fā)展，但是至今在大型燃機(jī)產(chǎn)品的整套設(shè)計(jì)、制造方面 與國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)存在很大的差距。 在燃?xì)廨啓C(jī)的國(guó)產(chǎn)化加工過(guò)程中，我們 仍然 面臨著許多技術(shù)難關(guān)和加工難點(diǎn) 尚待解決 ，其中，壓氣機(jī)靜葉環(huán)的國(guó)產(chǎn)化加工也是一大難題。由于靜葉環(huán)的結(jié)構(gòu)特殊，加工精度要求非常高，對(duì)加工刀具、夾具 、 機(jī)床 以及加工工藝 等條件 都提出了十分高的要求。目前，靜葉環(huán) 加工過(guò)程中仍然存在一些加工難點(diǎn)和尚需解決 的問(wèn)題，如靜葉環(huán)屬于大尺寸、薄壁零件，加工易變性，缺少加工刀具， 目前沒(méi)有一套完整的針對(duì)靜 葉環(huán)加工的質(zhì)量控制方法等問(wèn)題，產(chǎn)品加工完成后裝配時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)不合 格情況，返工返修造成巨大的人力、物力、財(cái)力損失，因此迫切需要 一套與靜葉環(huán)加工 相 對(duì)應(yīng)的質(zhì)量控制方法。 而質(zhì)量控制無(wú)非在零件加工過(guò)程中的質(zhì)量控制工藝措施和加工內(nèi)容完成之后的質(zhì)量檢測(cè)兩個(gè)部分， 本文就將結(jié)合靜葉環(huán)加工過(guò)程中的這兩個(gè)方面進(jìn)行研究。 6 2 燃?xì)廨啓C(jī)概述 燃?xì)廨啓C(jī) 燃?xì)廨啓C(jī) （ Gas Turbine） 的定義： 由壓氣機(jī)、加熱工質(zhì)的設(shè)備 (如燃燒室 )、透平、控制系統(tǒng)和輔助設(shè)備組成，將氣體壓縮、加熱后送入透平中膨脹做功，把一部分熱能轉(zhuǎn)變 為機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)原動(dòng)機(jī) ， 屬于內(nèi)燃式渦輪機(jī)。 圖 燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)物圖 燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理 燃機(jī) 的工作原理是先通過(guò)壓氣機(jī)將空氣壓縮 ，使之升溫升壓 ， 壓縮的空氣被壓送到 燃燒室內(nèi) 與噴入的燃料 (天然氣或重油 等 )混合燃燒，生成高溫高壓的燃?xì)?，最后 進(jìn) 入 透平中膨脹做功， 通過(guò)透平部分的動(dòng)葉推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)向外輸出功率。 燃?xì)廨啓C(jī)的循環(huán)是一個(gè)等流量，熱量持續(xù)增加的循環(huán)，通常稱之為布雷登循環(huán)。如圖 所示，為用溫熵坐標(biāo)系表示的布雷頓循環(huán)。 其中等壓線隨溫度值和熵值的增大而上升 ,等壓線的上升使簡(jiǎn)單循環(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)做功得以 實(shí)現(xiàn) ,等壓線低壓端代表大氣壓力 ,而其高壓端代表壓縮后的空氣壓力 ,空氣在軸流壓氣機(jī)中從狀態(tài) 1 被壓縮到狀態(tài) 2； 然后在燃燒室中吸收了熱量，便從狀態(tài) 2 到狀態(tài) 3；高溫燃?xì)馀蛎涀龉r(shí)，從狀態(tài) 3 到狀態(tài) 4； 由于從狀態(tài) 3 到狀態(tài) 4 所做的功大于把空氣從狀態(tài) 1 壓縮到狀態(tài) 2 所需要的功，于是就產(chǎn)生了有效功，來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)載荷 ]6[ 。燃燒溫度越高，壓縮比越高，則出力越大，燃料越省。 7 圖 燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)做功原理圖 早期的燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣口溫度僅僅 600~700℃，隨著新材料和新技術(shù)的運(yùn)用，目前一 般都超過(guò) 1100℃，高的甚至已經(jīng)超過(guò) 1500℃。同時(shí)，由于 燃?xì)廨啓C(jī)初始溫度的提高，其簡(jiǎn)單循環(huán)熱效率也由早期的 16%~25%升高到目前的 40%左右。燃?xì)廨啓C(jī)初始溫度的提高主要依賴于渦輪、透平靜葉、動(dòng)葉等高溫部件的材料性能，早期使用的一般為 GJ450、 V500、 In738 等合金材料，目前已經(jīng)發(fā)展到使用同向結(jié)晶或定向結(jié)晶的 GTD11 DSGTD111 等合金金相結(jié)構(gòu)控制的材料，最新的機(jī)組已經(jīng)使用單晶工藝 ； 同時(shí)，由于涂層技術(shù)的應(yīng)用，大大降低了透平高溫部件的腐蝕和氧化，從早期的鉑鋁涂層發(fā)展到等離子保護(hù) GT29 及 GT29 INPLUSTM 等，再到如今的陶瓷絕熱涂層，使得燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣口溫度大幅度提升，使用壽命增長(zhǎng)了數(shù)十倍 ]5[ 。 表 世界主流 F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)參數(shù) 制造廠家 西門子 美國(guó)通用 三菱重工 阿爾斯通 燃?xì)廨啓C(jī)型號(hào) SGT54000F PG9351 9FA M701F GT26 推出時(shí)間 1995 1996 1992 1994 壓比 17 17 排氣流量 kg/s 689 640 635 排氣溫度 ℃ 557 602 591 615 燃機(jī)毛功率 MW 燃機(jī)毛效率 % 287 289 燃?xì)廨啓C(jī)的特點(diǎn) 和用途 在空氣和燃?xì)獾闹饕鞒讨校挥袎簹鈾C(jī)（ Compressor）、燃燒室（ Combustor）8 和燃?xì)馔钙剑?Turbine）這三大部件組成的燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)，通稱為簡(jiǎn)單循環(huán) ]7[ 。大多數(shù)燃?xì)廨啓C(jī)均采用簡(jiǎn)單循環(huán)方案。因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，而且最能體現(xiàn)出燃?xì)廨啓C(jī)所特有的體積小、重量輕、起動(dòng)快、少用或不用冷卻 水等一系列優(yōu)點(diǎn)。 由于空氣的壓縮耗功量大，因而一般壓氣機(jī)的壓縮功大約占透平輸出功的 1/2 到2/3，其余的 1/3 左右的機(jī)械功用來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)或動(dòng)力設(shè)備 ， 這也是燃?xì)廨啓C(jī)的一大特點(diǎn) ]8[ 。 在燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)時(shí)，首先需要通過(guò)外界動(dòng)力，一般是起動(dòng)機(jī)來(lái)帶動(dòng)壓氣機(jī)，直到燃?xì)馔钙疆a(chǎn)生的機(jī)械功大于壓氣機(jī)消耗的機(jī)械功之后，外界起動(dòng)機(jī)脫扣，燃?xì)廨啓C(jī)才能獨(dú)立工作。 相對(duì)柴油機(jī)等內(nèi)燃機(jī)，由于燃?xì)廨啓C(jī)的單位功率 /質(zhì)量比值較大，相同輸出功率條件下機(jī)器質(zhì)量、體積遠(yuǎn)小于柴油機(jī)等機(jī)器，且其轉(zhuǎn)速 — 扭矩特性相對(duì)柴油機(jī)平緩得多等優(yōu)點(diǎn)，因此燃?xì)廨啓C(jī)被大量應(yīng)用在航空動(dòng)力，大型軍艦的加速動(dòng)力等設(shè)備上。而與常規(guī)汽輪機(jī)使用的燃煤動(dòng)力循環(huán)相比較，燃?xì)廨啓C(jī)由于使用的天然氣、重油等潔凈能源，其排放的污染物遠(yuǎn)低于使用燃煤動(dòng)力循環(huán)；同時(shí)由于燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)口溫度高，因而其簡(jiǎn)單熱循環(huán)效率目前已達(dá)到 40%，而加上后置蒸汽動(dòng)力循環(huán)的聯(lián)合循環(huán)熱效率目前已經(jīng)接近 60%，遠(yuǎn)高于常規(guī)燃煤動(dòng)力循環(huán)的40~50%，同時(shí)負(fù)荷調(diào)節(jié)的靈活性更好；且結(jié)合近年來(lái)的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（ IGCC）等潔凈燃煤動(dòng)力循環(huán)的開(kāi)發(fā)， 再加上燃?xì)廨啓C(jī)電站自身占地面積小，建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)， 因而在許多發(fā)達(dá)國(guó)家燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電正在得到迅速發(fā)展 ]9,2[ 。 燃?xì)廨啓C(jī)與汽輪機(jī)的 比較 汽輪機(jī)的定義：將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的葉輪式旋轉(zhuǎn)原動(dòng)機(jī)，又稱蒸汽透平。 汽輪機(jī)是目前我國(guó)電力工業(yè)應(yīng)用最廣泛的動(dòng)力設(shè)備，它屬于一種外燃式渦輪機(jī)。其基本原理為利用鍋爐對(duì)蒸汽定壓加熱后輸入汽輪機(jī)，利用蒸汽在蒸汽輪機(jī)內(nèi)的葉片內(nèi)絕熱膨脹，然后通過(guò)動(dòng)葉片推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)從而對(duì)外輸出動(dòng)力 ]10[ 。 燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)的異同： 一、燃?xì)廨啓C(jī)工質(zhì)為高溫燃?xì)?，屬于?nèi)燃 機(jī)；汽輪機(jī)工質(zhì)為蒸汽，屬于外燃機(jī)； 二、燃?xì)廨啓C(jī)一般不能使用固態(tài)化石燃料，因?yàn)闀?huì)在燃燒室內(nèi)形成固態(tài)殘?jiān)?，不利于工作循環(huán)的進(jìn)行，一般使用液態(tài)或氣態(tài)的燃料，當(dāng)然也有可以燃燒固態(tài)煤的燃?xì)廨啓C(jī)?？偟膩?lái)看，燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)于燃料要求不高，可以燃燒重油等劣質(zhì)燃料；汽輪機(jī)可以使用各種燃料，包括一些固態(tài)的化石燃料；三、汽輪機(jī)需要大量的輔助設(shè)備，諸如鍋爐等來(lái)產(chǎn)生工質(zhì)蒸汽，但是燃?xì)廨啓C(jī)作為內(nèi)燃機(jī)并不需要，與此同時(shí)，汽輪機(jī)體積和質(zhì)量都十分巨大，超過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)；四、燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率和經(jīng)濟(jì)性較汽輪機(jī)好，汽輪機(jī)的功率大且制造工藝較燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)單。 五、汽輪機(jī)大量運(yùn)用于工業(yè)發(fā)電，而燃?xì)廨啓C(jī)在發(fā)電方面的應(yīng)9 用目前還不如汽輪機(jī)，一般只用在用電高峰期用于調(diào)峰；汽輪機(jī)用于船舶主機(jī)，但是體積、質(zhì)量太大，啟動(dòng)過(guò)慢，近年來(lái)逐漸被柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)所取代； 燃?xì)廨啓C(jī)還用于航空工業(yè)，諸如渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)等都是燃?xì)廨啓C(jī)中的一種。 燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī) 燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)在工作過(guò)程中主要負(fù)責(zé)從周圍的大氣中吸入空氣，將其增壓后供給燃燒室，按照工作原理來(lái)分，主要有軸流式壓氣機(jī)和離心式壓氣機(jī)。離心式 壓氣機(jī)的工作原理與離心式鼓風(fēng)機(jī)相同， 但其在燃?xì)廨啓C(jī)中應(yīng)用較少 ]11[ 。軸流式壓氣機(jī)的空氣流量可以做的很大，而且多級(jí)軸流式壓氣機(jī)的效率又比較高，因此，在近代大功率的燃?xì)廨啓C(jī)中都采用軸流式壓氣機(jī)作為空氣壓縮設(shè)備，本文 介紹 的 SGT54000F 燃?xì)廨啓C(jī)就是采用 軸流式壓氣機(jī)。 燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)工作原理 軸流式壓氣機(jī)主要由轉(zhuǎn)子和靜葉環(huán)組成，它的工作原理類似電風(fēng)扇的葉片，電風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)撥動(dòng)空氣產(chǎn)生風(fēng)，壓氣機(jī)的葉輪旋轉(zhuǎn)把空氣推進(jìn)氣缸進(jìn)行壓縮。因?yàn)檩S流式壓氣機(jī)的單級(jí)壓縮比較小， 一級(jí)壓縮比一般只有 到 ，因此為了生成高壓空氣，壓氣機(jī)在主 軸軸向裝有多級(jí)葉輪， 若干級(jí)葉輪固定在壓氣機(jī)主軸上形成壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上的葉片與主軸一起旋轉(zhuǎn)，稱為動(dòng)葉。 但是，光有動(dòng)葉并不能有效地進(jìn)行壓縮空氣。通俗地說(shuō)，空氣經(jīng)過(guò)動(dòng)葉后運(yùn)動(dòng)方向不僅僅是軸向前進(jìn)，還沿著旋轉(zhuǎn)的方向運(yùn)動(dòng)， 這會(huì) 使 得 下級(jí)動(dòng)葉的壓縮 比大大降低。如果這樣一級(jí)級(jí) 進(jìn)行 下去，壓氣機(jī)內(nèi)的空氣就成了跟著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的氣團(tuán)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)壓氣的目的 。因此，在我們?cè)诿恳患?jí)的動(dòng)葉后面都插入一級(jí)靜葉片，用來(lái)改變這種狀況。 圖 壓氣機(jī)工作原理圖 上圖 是動(dòng)葉和靜葉的相對(duì)位置以及空氣在其中的流動(dòng)示意圖（圖中綠色10 葉片代表 動(dòng)葉，藍(lán)色葉片代表靜葉，紅色箭頭表示氣流走向）。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，空氣沿軸向進(jìn)入 ，經(jīng)過(guò)一級(jí)動(dòng)葉后空氣的運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)向右下方，如果空氣按這個(gè)方向進(jìn)入下級(jí)動(dòng)葉，壓縮效果會(huì)大大降低。但通過(guò)靜葉片整流之后，空氣的運(yùn)動(dòng)方向重新轉(zhuǎn)回軸向，再進(jìn)入下級(jí)動(dòng)葉，壓縮效果就得到了極大的改善。 與此同時(shí)，靜葉還有使氣流減速以達(dá)到增壓的作用。 每一個(gè)工作葉輪與其后的靜葉環(huán)一起，組合成一個(gè)壓氣機(jī)的級(jí)，它是壓氣機(jī)與外界交換機(jī)械軸功，并實(shí)現(xiàn)增壓的基本單位。 圖 靜葉環(huán)與持環(huán)裝配 壓氣機(jī)的主要參數(shù)是壓縮比，即壓氣機(jī)出口空氣壓力與進(jìn)口空氣壓力 之比，理論上燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)的壓縮比當(dāng)然是越高越好，但實(shí)際上綜合各種因素，一般為 12 至 20，西門子公司 SGT54000F 燃?xì)廨啓C(jī)壓縮比為 17。 11 3 靜葉環(huán) 的 加工難點(diǎn) 及解決方案設(shè)計(jì) 燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)靜葉環(huán) 圖 燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)靜葉環(huán) 本文以西門子公司 SGT54000F，即以前的 燃?xì)廨啓C(jī)為例進(jìn)行研究。燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)靜葉環(huán)與汽輪機(jī) 中的 各種類型的 隔板 在原理上有相似之處，但是在結(jié)構(gòu)上 存在一定的差異。它是將壓氣機(jī)中的靜葉通過(guò) 內(nèi)、外環(huán)裝配在一起形成靜葉環(huán)，再將靜葉環(huán)裝配到靜葉持環(huán)中，其 中，靜葉環(huán)的 內(nèi)環(huán)由內(nèi)環(huán)Ⅰ、內(nèi)環(huán)Ⅱ焊接組成。燃汽輪機(jī)壓氣機(jī)靜葉環(huán)共有 16 級(jí)，其中 1~9 級(jí)安裝在 1 靜葉持環(huán)中， 10~15 級(jí)安裝在 2 靜葉持環(huán)中，第 16 級(jí)的出口靜葉環(huán)直接安裝于 2 靜葉持環(huán)外側(cè)端面上，另外第 0 級(jí)進(jìn)氣口導(dǎo)葉環(huán)安裝于 1 靜葉持環(huán)內(nèi)。 靜葉環(huán)由外環(huán)、內(nèi)環(huán)Ⅰ、內(nèi)環(huán)Ⅱ、葉片四部分組成， 其加工過(guò)程如下 （圖） ： 12 圖 靜葉環(huán)加工流程示意圖 內(nèi)外環(huán) 加工變形 及其解決方案 加工難點(diǎn)分析 壓氣機(jī)靜葉環(huán)的各級(jí)外環(huán)中外圓直徑最大的有 Φ 2549mm，內(nèi)外圓的壁厚最薄的地方只有 ，同時(shí)，各級(jí)內(nèi)環(huán)中外圓直徑最大為 Φ 1858． 45mm， 內(nèi)外圓最薄的地方只有 。所以，結(jié)合靜葉環(huán)的加工圖紙，我們可以得出以下結(jié)論：壓氣機(jī)靜葉環(huán)的內(nèi)環(huán)和外環(huán)具有 數(shù)量多、直徑尺寸大、壁厚較薄、剛性非常差、易產(chǎn)生變形等特點(diǎn)，屬于薄壁類零件，它在加工時(shí)的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在裝夾難度比較大，而且其在加工時(shí)易產(chǎn)生變形，影響加工質(zhì)量，特別是 靜葉槽 的質(zhì)量。 13 160018002021220024002600