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燃氣輪機是現代制造業的“動力之源”，其中的渦輪高溫葉片則是燃氣輪機的核心部件之一。日前，上海市科委重大專項課題“高溫合金葉片制造技術研究”在上海大學通過專家驗收，這也標志著該領域的國產技術已接近國際最高水平。
葉片技術制約我國燃氣輪機發展 燃氣輪機被公認為世界上最難制造的機械裝備，又稱制造業“皇冠上的明珠”。它是大型客機、特種船舶和民用發電等領域的主要動力源之一，現代燃氣輪機的熱效率已達到42%以上，是最高效的動力設備之一。 據專家介紹，渦輪高溫葉片是燃氣輪機的核心部件，在高溫、高速、高應力和高腐蝕的環境下工作，其結構復雜，制造難度大，對組織性能和加工質量要求極高，國外對此項技術嚴格保密，嚴重制約我國重型燃氣輪機的發展。 為解決上述問題并推動上海市高端制造業的創新發展，2008年上海市科委設立重大研究專項課題，針對當前國際上最先進的F級256兆瓦重型燃氣輪機渦輪高溫葉片開展技術研究和攻關，由上海大學和其它幾家單位共同承擔。 形成獨特的工藝路線 據介紹，渦輪葉片的制造原理是將鎳基金屬溶液澆鑄在模具中，再進行冷卻結晶，過程類似于冬天水汽在玻璃窗上遇冷結晶形成“冰花”。渦輪葉片能否耐受高溫、是否有足夠的強度，和結晶過程中的溫度以及晶體形成的數量、甚至方向都有關系。一般來說，晶粒數越少，葉片的耐高溫性越好，也越能勝任發電機燃氣輪機等高功率設備用途。目前行業內最難的技術，是讓整個葉片成為一個晶粒，即“單晶”技術。此外，如果讓晶粒有序地向一個方向排列，也能提高葉片強度，避免斷裂，此項技術為“定向”技術。 通過四年的努力，課題組在上述兩種技術路徑上均有突破，還形成了自己獨特的工藝路線。例如，通過施加磁場控制，避免金屬溶液在結晶過程中無序流動，使成品的材料密度更加均勻；通過設置葉片不同位置的溫度梯度，控制晶體生長速度等。 據課題負責人、上海大學教授任忠鳴介紹，課題組在合金凈化、精鑄控制、工藝優化等領域取得突破性進展，成功研制出F級256兆瓦重型燃氣輪機渦輪第二級高溫合金定向凝固葉片。同時，在上海大學建立起的高溫合金葉片研究中心，已形成燃氣輪機等高溫合金精密鑄造熱端部件的制造技術研究、工藝試驗、產品檢測和小批量生產的能力。目前，課題組已經為微型燃氣輪機試生產了三臺份（套）高溫渦輪葉片，用于試機和試車。同時還為國內精鑄企業試生產了燃氣輪機高溫渦輪動力葉片、導向葉片和矢量噴口導向葉等關鍵部件。 有望突破國際高價壟斷 據了解，由于國外對這項技術的嚴格封鎖，目前我國大部分電廠的燃氣輪機都是整機從國外購買，這些設備價格不菲，一臺就需要花費十幾億元，而維修設備更是源源不斷地巨資投入。 任忠鳴給記者算了筆賬：一片進口單晶葉片的造價約在40萬元左右，經過中間代理商賣給中國廠家，價格翻了2.8倍，即112萬元，一臺燃氣輪機需要由數級渦輪葉片組成，其中1級渦輪葉片需由96片這種的單晶葉片組成，也就是說，僅1級渦輪葉片的購買價格，就在1億元左右，也就難怪整臺設備開出如此天價。 任忠鳴說，等生產工藝穩定之后，上海大學自主研發的單晶葉片造價大約為10萬元/片，僅為國外價格的1/4，這無疑將大大降低電廠、大型客機、特種船舶等使用燃氣輪機領域的成本，而國產單晶葉片投入市場，大約還有3―5年的路程要走。 驗收專家組對此建議，上海市政府及有關方面對該項目繼續給予大力支持，使上述成果進一步實現工藝穩定和工程優化，并加速其在重型燃氣輪機開發和制造領域的應用。同時，建議進一步開展F級重型燃氣輪機透平的第一級高溫合金單晶空心葉片的研制工作，從而為提升我國的高端制造業服務。 仍需重點突破核心技術 據介紹，我國的燃氣輪機制造業始于上世紀五十年代，六十至七十年代各汽輪機廠都曾研制生產過燃氣輪機。當時主要是參照前蘇聯技術，進行仿制和自主設計，成功研制了部分燃氣輪機。但隨著國家能源結構調整，天然氣供應不足，燃氣輪機研制在逐步失去市場。上汽、哈汽的燃機項目無奈下馬，高校的燃機專業關停，大量燃機人才轉行。30年的斷層讓我國燃氣輪機技術錯過了國外高速發展的時期，迅速與國際水平拉大了差距。近10年來，隨著國家能源戰略的調整，燃氣輪機才重新步入發展的快車道。 此前，記者從中國電機工程學會燃氣輪機專業委員會了解到，要加快燃機發展速度，進行跨越式發展，就要引進、消化、創新聯動，重點突破核心技術，包括：金屬材料冶煉制造、葉片噴嘴加工技術、大型部件熱處理、大型部件復合總成、計算機控制、檢測儀表，也包括能源綜合技術、熱電聯供技術、燃氣蒸汽循環技術、振動測試分析等。 |
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