【正文】 對技術(shù)進行嚴格控制、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，美國從 1991 年開始的先進透平系統(tǒng) (ATS)計劃，投資 7 億美元，目標就是提高燃氣輪機效率，降低成本和污染，并且研究煤制氣燃料等。在此計劃期間，美國的 GE 公司 在 20 世紀末 21 世紀初成功推出了蒸汽 冷卻技術(shù)的MS9001H 聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組 ，循環(huán)熱效率接近 60%, ATS 項目完成之后，美國能源部又提出簡單循環(huán)效率至少達到 47%，聯(lián)合循環(huán)效率達到 70%的下一代燃氣輪機計劃和 Vision21 規(guī)劃 ]5,1[ 。 國內(nèi)燃氣輪機技術(shù)發(fā)展狀況 我國 的燃氣輪機技術(shù)起步較早，在理論研究和工業(yè)實踐方面都有著一定的經(jīng)驗積累 ，但由于受到我國目前的技術(shù)水平、 能源政策等條件的限制，對于這種高難度的大型 設(shè)備的研發(fā)和制造一直進展緩慢。 “十五”規(guī)劃期間，國家發(fā)改委明確“組織國內(nèi)市場資源，集中招標，引進技術(shù)，促進國內(nèi)燃氣輪機產(chǎn)業(yè)發(fā)展和制造水平提高”的戰(zhàn)略目標 ]1[ 。 在此期間，通過 3 次捆綁招標，共引進包括美國通用、 日本三菱 及 德國西門子 三家公司的 F級燃氣輪機 54 套。同時，由于國家大力開發(fā)天然氣資源， 西氣東輸工程以及近海天然氣開發(fā)工程的開展，也為燃氣輪機技術(shù)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。我國 的三大動力集團 —— 哈爾 濱動力集團、東方電氣集團和上海電氣集團 在 9F 系列的燃氣輪機國產(chǎn)化研究方面都做出了巨大的貢獻，分別 與上述三家外國公司聯(lián)合生產(chǎn)109FA 機型 、 M701 機型以及 機型。 5 與此同時，我國還建成了大型燃氣輪機的組裝、試車中心，一大批國內(nèi)著名大學紛紛成立了燃氣輪機的研發(fā)中心，使得我國燃氣輪機的自主研發(fā)能力和制造水平有了顯著地提高。主機的國產(chǎn)化同時帶動了以燃氣輪機為核心的 產(chǎn)業(yè)鏈的形成。與捆綁招標同時進行的的國家“ 863”大型燃機技術(shù)攻關(guān)項目，也在組織樣機研制、核心技術(shù)消化、自主創(chuàng)新及設(shè)計制造方面取得了豐厚的成果 。 研究的目的 及意義 我國的燃氣輪機雖然已經(jīng)經(jīng)過了 50 多年的發(fā)展，但是至今在大型燃機產(chǎn)品的整套設(shè)計、制造方面 與國外的先進技術(shù)存在很大的差距。 在燃氣輪機的國產(chǎn)化加工過程中，我們 仍然 面臨著許多技術(shù)難關(guān)和加工難點 尚待解決 ，其中，壓氣機靜葉環(huán)的國產(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，對加工刀具、夾具 、 機床 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) 加工過程中仍然存在一些加工難點和尚需解決 的問題，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， 目前沒有一套完整的針對靜 葉環(huán)加工的質(zhì)量控制方法等問題，產(chǎn)品加工完成后裝配時經(jīng)常出現(xiàn)不合 格情況，返工返修造成巨大的人力、物力、財力損失，因此迫切需要 一套與靜葉環(huán)加工 相 對應的質(zhì)量控制方法。 而質(zhì)量控制無非在零件加工過程中的質(zhì)量控制工藝措施和加工內(nèi)容完成之后的質(zhì)量檢測兩個部分， 本文就將結(jié)合靜葉環(huán)加工過程中的這兩個方面進行研究。 6 2 燃氣輪機概述 燃氣輪機 燃氣輪機 （ Gas Turbine） 的定義： 由壓氣機、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 為機械能的旋轉(zhuǎn)原動機 ， 屬于內(nèi)燃式渦輪機。 圖 燃氣輪機實物圖 燃氣輪機的工作原理 燃機 的工作原理是先通過壓氣機將空氣壓縮 ，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，生成高溫高壓的燃氣 ，最后 進 入 透平中膨脹做功， 通過透平部分的動葉推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動向外輸出功率。 燃氣輪機的循環(huán)是一個等流量，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 ,等壓線的上升使簡單循環(huán)的燃氣輪機做功得以 實現(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；高溫燃氣膨脹做功時，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，來驅(qū)動發(fā)電機載荷 ]6[ 。燃燒溫度越高，壓縮比越高，則出力越大，燃料越省。 7 圖 燃氣輪機循環(huán)做功原理圖 早期的燃氣輪機進氣口溫度僅僅 600~700℃，隨著新材料和新技術(shù)的運用，目前一 般都超過 1100℃，高的甚至已經(jīng)超過 1500℃。同時，由于 燃氣輪機初始溫度的提高，其簡單循環(huán)熱效率也由早期的 16%~25%升高到目前的 40%左右。燃氣輪機初始溫度的提高主要依賴于渦輪、透平靜葉、動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，最新的機組已經(jīng)使用單晶工藝 ； 同時，由于涂層技術(shù)的應用，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 GT29 及 GT29 INPLUSTM 等，再到如今的陶瓷絕熱涂層，使得燃氣輪機的進氣口溫度大幅度提升，使用壽命增長了數(shù)十倍 ]5[ 。 表 世界主流 F級燃氣輪機技術(shù)參數(shù) 制造廠家 西門子 美國通用 三菱重工 阿爾斯通 燃氣輪機型號 SGT54000F PG9351 9FA M701F GT26 推出時間 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 燃機毛功率 MW 燃機毛效率 % 287 289 燃氣輪機的特點 和用途 在空氣和燃氣的主要流程中，只有壓氣機（ Compressor）、燃燒室（ Combustor）8 和燃氣透平（ Turbine）這三大部件組成的燃氣輪機循環(huán)，通稱為簡單循環(huán) ]7[ 。大多數(shù)燃氣輪機均采用簡單循環(huán)方案。因為它的結(jié)構(gòu)最簡單，而且最能體現(xiàn)出燃氣輪機所特有的體積小、重量輕、起動快、少用或不用冷卻 水等一系列優(yōu)點。 由于空氣的壓縮耗功量大，因而一般壓氣機的壓縮功大約占透平輸出功的 1/2 到2/3，其余的 1/3 左右的機械功用來驅(qū)動發(fā)電機或動力設(shè)備 ， 這也是燃氣輪機的一大特點 ]8[ 。 在燃氣輪機啟動時，首先需要通過外界動力，一般是起動機來帶動壓氣機，直到燃氣透平產(chǎn)生的機械功大于壓氣機消耗的機械功之后，外界起動機脫扣，燃氣輪機才能獨立工作。 相對柴油機等內(nèi)燃機，由于燃氣輪機的單位功率 /質(zhì)量比值較大，相同輸出功率條件下機器質(zhì)量、體積遠小于柴油機等機器，且其轉(zhuǎn)速 — 扭矩特性相對柴油機平緩得多等優(yōu)點，因此燃氣輪機被大量應用在航空動力，大型軍艦的加速動力等設(shè)備上。而與常規(guī)汽輪機使用的燃煤動力循環(huán)相比較，燃氣輪機由于使用的天然氣、重油等潔凈能源，其排放的污染物遠低于使用燃煤動力循環(huán)；同時由于燃氣輪機的進口溫度高，因而其簡單熱循環(huán)效率目前已達到 40%，而加上后置蒸汽動力循環(huán)的聯(lián)合循環(huán)熱效率目前已經(jīng)接近 60%，遠高于常規(guī)燃煤動力循環(huán)的40~50%，同時負荷調(diào)節(jié)的靈活性更好；且結(jié)合近年來的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（ IGCC）等潔凈燃煤動力循環(huán)的開發(fā)， 再加上燃氣輪機電站自身占地面積小，建設(shè)周期短等優(yōu)點， 因而在許多發(fā)達國家燃氣輪機發(fā)電正在得到迅速發(fā)展 ]9,2[ 。 燃氣輪機與汽輪機的 比較 汽輪機的定義：將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為機械能的葉輪式旋轉(zhuǎn)原動機，又稱蒸汽透平。 汽輪機是目前我國電力工業(yè)應用最廣泛的動力設(shè)備，它屬于一種外燃式渦輪機。其基本原理為利用鍋爐對蒸汽定壓加熱后輸入汽輪機，利用蒸汽在蒸汽輪機內(nèi)的葉片內(nèi)絕熱膨脹，然后通過動葉片推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動從而對外輸出動力 ]10[ 。 燃氣輪機和汽輪機的異同： 一、燃氣輪機工質(zhì)為高溫燃氣，屬于內(nèi)燃 機；汽輪機工質(zhì)為蒸汽，屬于外燃機； 二、燃氣輪機一般不能使用固態(tài)化石燃料，因為會在燃燒室內(nèi)形成固態(tài)殘渣，不利于工作循環(huán)的進行，一般使用液態(tài)或氣態(tài)的燃料，當然也有可以燃燒固態(tài)煤的燃氣輪機?？偟膩砜矗細廨啓C對于燃料要求不高，可以燃燒重油等劣質(zhì)燃料；汽輪機可以使用各種燃料，包括一些固態(tài)的化石燃料；三、汽輪機需要大量的輔助設(shè)備，諸如鍋爐等來產(chǎn)生工質(zhì)蒸汽，但是燃氣輪機作為內(nèi)燃機并不需要，與此同時，汽輪機體積和質(zhì)量都十分巨大，超過燃氣輪機；四、燃氣輪機的熱效率和經(jīng)濟性較汽輪機好，汽輪機的功率大且制造工藝較燃氣輪機簡單。 五、汽輪機大量運用于工業(yè)發(fā)電，而燃氣輪機在發(fā)電方面的應9 用目前還不如汽輪機，一般只用在用電高峰期用于調(diào)峰；汽輪機用于船舶主機，但是體積、質(zhì)量太大，啟動過慢，近年來逐漸被柴油機和燃氣輪機所取代； 燃氣輪機還用于航空工業(yè)，諸如渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪風扇發(fā)動機等都是燃氣輪機中的一種。 燃氣輪機壓氣機 燃氣輪機的壓氣機在工作過程中主要負責從周圍的大氣中吸入空氣，將其增壓后供給燃燒室，按照工作原理來分，主要有軸流式壓氣機和離心式壓氣機。離心式 壓氣機的工作原理與離心式鼓風機相同， 但其在燃氣輪機中應用較少 ]11[ 。軸流式壓氣機的空氣流量可以做的很大，而且多級軸流式壓氣機的效率又比較高，因此，在近代大功率的燃氣輪機中都采用軸流式壓氣機作為空氣壓縮設(shè)備，本文 介紹 的 SGT54000F 燃氣輪機就是采用 軸流式壓氣機。 燃氣輪機壓氣機工作原理 軸流式壓氣機主要由轉(zhuǎn)子和靜葉環(huán)組成，它的工作原理類似電風扇的葉片，電風扇葉片旋轉(zhuǎn)時撥動空氣產(chǎn)生風，壓氣機的葉輪旋轉(zhuǎn)把空氣推進氣缸進行壓縮。因為軸流式壓氣機的單級壓縮比較小， 一級壓縮比一般只有 到 ，因此為了生成高壓空氣，壓氣機在主 軸軸向裝有多級葉輪， 若干級葉輪固定在壓氣機主軸上形成壓氣機轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上的葉片與主軸一起旋轉(zhuǎn)，稱為動葉。 但是，光有動葉并不能有效地進行壓縮空氣。通俗地說，空氣經(jīng)過動葉后運動方向不僅僅是軸向前進，還沿著旋轉(zhuǎn)的方向運動， 這會 使 得 下級動葉的壓縮 比大大降低。如果這樣一級級 進行 下去，壓氣機內(nèi)的空氣就成了跟著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的氣團，無法實現(xiàn)壓氣的目的 。因此，在我們在每一級的動葉后面都插入一級靜葉片，用來改變這種狀況。 圖 壓氣機工作原理圖 上圖 是動葉和靜葉的相對位置以及空氣在其中的流動示意圖（圖中綠色10 葉片代表 動葉，藍色葉片代表靜葉，紅色箭頭表示氣流走向）。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，空氣沿軸向進入 ，經(jīng)過一級動葉后空氣的運動方向轉(zhuǎn)向右下方，如果空氣按這個方向進入下級動葉，壓縮效果會大大降低。但通過靜葉片整流之后，空氣的運動方向重新轉(zhuǎn)回軸向，再進入下級動葉，壓縮效果就得到了極大的改善。 與此同時，靜葉還有使氣流減速以達到增壓的作用。 每一個工作葉輪與其后的靜葉環(huán)一起，組合成一個壓氣機的級，它是壓氣機與外界交換機械軸功，并實現(xiàn)增壓的基本單位。 圖 靜葉環(huán)與持環(huán)裝配 壓氣機的主要參數(shù)是壓縮比，即壓氣機出口空氣壓力與進口空氣壓力 之比，理論上燃氣輪機壓氣機的壓縮比當然是越高越好，但實際上綜合各種因素，一般為 12 至 20，西門子公司 SGT54000F 燃氣輪機壓縮比為 17。 11 3 靜葉環(huán) 的 加工難點 及解決方案設(shè)計 燃氣輪機壓氣機靜葉環(huán) 圖 燃氣輪機壓氣機靜葉環(huán) 本文以西門子公司 SGT54000F，即以前的 燃氣輪機為例進行研究。燃氣輪機的壓氣機靜葉環(huán)與汽輪機 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。它是將壓氣機中的靜葉通過 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。燃汽輪機壓氣機靜葉環(huán)共有 16 級，其中 1~9 級安裝在 1 靜葉持環(huán)中， 10~15 級安裝在 2 靜葉持環(huán)中，第 16 級的出口靜葉環(huán)直接安裝于 2 靜葉持環(huán)外側(cè)端面上，另外第 0 級進氣口導葉環(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 加工難點分析 壓氣機靜葉環(huán)的各級外環(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，各級內(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，屬于薄壁類零件，它在加工時的難點主要體現(xiàn)在裝夾難度比較大，而且其在加工時易產(chǎn)生變形，影響加工質(zhì)量，特別是 靜葉槽 的質(zhì)量。 13 160018002021220024002600