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1、陶瓷燃气轮机的技术开发南方航空动力机械公司陈炳贻摘要陶瓷燃气轮机(CGT)的商品化问题正受到一些发达国家的关注。这些问题包括陶瓷部件的可靠性、陶瓷材料供应、陶瓷部件的设计、加工和试验验证。本文介绍了美国联信发动机公司为陶瓷一级导向器和陶瓷的轮叶片商品化所采取的措施。其中包括设计方法、叶片连接技术、无损评估方法、陶瓷氧化/腐蚀等关键技术的开发、涡轮陶瓷构件的加工、部件和发动机试验等。关键词燃气轮机陶瓷材料技术开发1前言生产的。例如美国的一先进燃气轮机燃烧室衬套就是以NiCalonTM纤维和SiC基体用化学气相浸渍法生产的。陶瓷燃气轮机(缩写为CGT)具有低燃料消耗、低污染排放和对多种
2、燃料的相容性等优点,因而可用于汽车发动机、地面发电动力设备和航空发动机等。本世纪70年代起,日、美、德等发达国家就开始了对其应用目标的研究和开发。通常,在这种燃机中,燃烧室衬套、燃气发生器涡轮、动力涡轮、导向器、涡管、叶冠、过渡管道、换热器、过滤器等零部件均可采用陶瓷材料或陶瓷基复合材料。目前,陶瓷材料主要有Si3N4(例如日本产的SN252、SN253、SN90、SN91、EC152;美国产的NT154Si3N4、GN-10Si3N4)。表1列出了几种涡轮转子用陶瓷材料的性能。陶瓷基复合材料主要有日本产的SiC/Sialone、Si3N4和晶须增韧的Si3N4;美国产的SiC(f
3、)/SiC、Al2O3(f)/SiC等。表2列出了几种陶瓷基复合材料的典型性能。目前Si3N4涡轮转子,多采用加压粉浆铸造成型,而这种材料的涡轮叶片一般采用射模成型。对于SiC(f)/SiC之类的陶瓷基复合材料零部件则是采用化学气相浸渍法表1涡轮转子的材料物理性能2CGT开发中的技术发展2.1制订长远发展规划,夯实技术基础世界上先进国家在发展CGT过程中都先后制订过长远的发展规划。发展规划初期收稿日期:1997-01-30性能材料SN252SN253SN90SN91EC152密度(g/cc),室温3.43.53.53.23.26杨氏模量(GPa)室温314319316310320泊
4、桑比室温0.280.280.270.270.26热膨胀系数(10-6/K)室温～1200℃3.23.83.53.83.3导热性(W/m.K),室温1200℃67227923702240162418比热(J/g.K)室温1200℃0.651.300.641.210.71.20.71.20.721.4表2陶瓷基复合材料性能陶瓷热端构件以及抗冲击的陶瓷涡轮部件。但是,就作为涡轮试验装置的AGT101发动机的可靠性而论,对于长期的耐久性试验和评估是不妥当的。目前正在实施的DOE/NASAATTAP/331-200陶瓷发动机验证规划则是在上述技术的基础上,继续优化陶瓷技术和设计方法,要把陶瓷
5、零部件制造技术的水平提高到能生产样机。为此,要进行6000多小时的耐久性试验以验证陶瓷技术。同时将采用在波音757和767飞机上已成功应用的331-200辅助动力装置进行可靠性试验,该装置已通过长期的耐久性考核。2.2CGT商品化的主要问题和关键技术目前陶瓷商品化的主要障碍是:特别注重基本技术的研究。例如日本在1992年完成了关于精细陶瓷开发的7年规划。该规划的主要目的就是为了完善陶瓷材料的基本技术。其中包括结构陶瓷材料达到预期的性能指标和可靠性,为克服陶瓷脆性技术设计系统的开发。技术发展包括材料合成、成型、烧结、机加和连接技术等。规划分4个阶段进行。第一个阶段是关于简单形状整体陶
6、瓷材料的开发。第二个阶段是具有一定性能指标的实用材料及其制造技术的开发。第三阶段是开发实用的且具有一定性能指标的复杂陶瓷构件。第四阶段是用完整陶瓷部件验证所有研究结果,使这些部件能在燃气轮机中应用。1997年日本制订了要完成利用余热发电的300kWCGT的开发计划。1美国对于CGT的发展,也先后制订了AGT101发动机规划(1980～1987年)、ATTAP/AGT101(1987～1992年)先进涡轮技术应用规划和正在执行的DOE/NASAATTAP/331-200陶瓷发动机验证规划。2AGT101规划探讨了包括未来汽车用陶瓷燃机在内的几项高风险技术。该规划的实施不但论证了许多有
7、关的先进发动机技术,而且发现了未来开发必需的陶瓷发动机技术的最关键领域。ATTAP/AGT101大纲利用AGT101的汽车试验装置开发关键的陶瓷技术。该大纲的实施使在抗冲击的陶瓷涡轮部件设计和制造方面取得了进展。AGT101发动机是作为高风险技术验证而设计的。这些风险技术包括高温陶瓷回热器、低排放陶瓷燃烧室、低磨擦陶瓷轴承、全技术基础薄弱。生产能力开发不充分。论证不完善。(1)(2)(3)美国实施的ATTAP/331-200计划就是为了解决上述问题。已经证实下列技术是
