一种耐高温汽轮机叶片的制作方法

文档序号:14985852发布日期:2018-07-20 21:13

本发明涉及发电设备技术领域,特别是涉及一种耐高温汽轮机叶片。



背景技术:

汽轮机是将蒸汽的能量转换成为机械功的旋转式动力机械,又称为蒸汽透平,主要用作发电用的原动机,也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等,还可以利用汽轮机的排汽或中间抽汽满足生产和生活上的供热需要。

汽轮机的叶片是汽轮发电机组的重要部件。汽轮机叶片的工作环境复杂多变,它在极苛刻的条件下承受高温、高压、巨大的离心力、蒸汽力、蒸汽振荡力、腐蚀及湿蒸汽区水滴冲蚀的共同作用。在高温下金属的汽轮机叶片的机械性会有明显的下降,主要表现为材料的抗拉、抗扭、抗疲劳等性能会下降,然而当叶片长时间处于高温条件下,则会使叶片内部的组织结构产生变化,造成晶间空洞的生产、聚合,产生高温蠕变破坏,从而极大地影响叶片的使用寿命。



技术实现要素:

本发明所要解决的技术问题是,克服现有技术的缺点,提供一种耐高温汽轮机叶片,通过对液化的高温蒸汽进行降温,然后储存,实现对汽轮机叶片的降温。

为了解决以上技术问题,本发明的技术方案如下:

一种耐高温汽轮机叶片,包括叶根、叶型和叶冠,所述叶根、叶型和叶冠依次固定连接,所述叶型的横截面为弧形,所述叶型的内弧面上形成气道,所述叶型靠近叶冠的一端设置有通孔,所述叶型的外凸面上设置有降温装置,所述降温装置包括水管、冷却箱和降温管,所述水管、冷却箱和降温管均设置在叶型的外凸面上,所述通孔通过水管与冷却箱的进水口连接,所述冷却箱的出水口与降温管的进水口连接。

进一步的,所述降温管呈多层S型设置在叶型的外凸面上。

进一步的,所述冷却箱内设置有冷却管和制冷剂,所述冷却管的进水口与冷却箱的进水口连接,所述冷却管的出水口与冷却箱的出水口连接,所述冷却管呈多层S型设置在冷却箱中,所述制冷剂位于冷却管外。

进一步的,所述通孔位于气道上。

进一步的,所述降温管的出水口可拆卸设置有堵头。

进一步的,所述耐高温汽轮机叶片的化学成分的质量百分比为:C:0.22-0.29%、Mn:0.61-0.64%、W:0.36-0.41%、Nb:0.53-0.58%、Si:1.23-1.56%、Cr:0.98-1.26%、Al:2.68-2.96%、Mo:0.34-0.38%、Ti:0.45-0.51%,稀土金属:0.25-0.32%、余量为Fe。

进一步的,所述稀土金属的组份质量百分比为:Pr:17-21%、Nd:21-23%、Ce:8-11%、Y:25-27%、Tm:11-13%,余量为Ho。

本发明还提供了一种耐高温汽轮机叶片的制备方法,包括以下步骤:

S1:将汽轮机叶片的原料按照质量百分比加入到熔炼炉中,将原料熔炼成合金溶液,然后保温10-15分钟;

S2:将合金溶液通过水冷的方式降温至660-650℃形成合金,然后对合金进行热轧,之后冷却形成合金胚料;

S3:用砂轮切割机对合金胚料进行切割,然后将切割好的合金胚料放入锻模中进行锻造,锻造温度保持在765-806℃之间,锻造得到叶片成型胚料;

S4:将叶片成型胚料放入淬火炉中进行淬火,淬火温度为860-900℃,淬火后冷却至280-300℃,将叶片半成品取出,自然冷却至室温,然后放入加热炉中加热至750-770℃,保温15-20分钟,然后取出,放入回火炉中,将回火炉温度调整至455-465℃,保温10-15分钟,然后取出,冷却至室温;

S5:对S4得到的成型胚料表面进行喷砂处理,使胚料表面达到Sa2.5级,然后在成型胚料表面喷涂耐高温涂料,静置30-45分钟;

S6:将S5得到的成型胚料放入气体氮化炉中,向炉内通入NH3,然后将炉温调整至530-535℃,保温15-20小时;

S7:将S6得到的成型胚料进行超声波探伤处理,没有问题则去除胚料的内外尖角及毛刺,随后进行清洁,得到叶片成品。

进一步的,所述S5中耐高温涂料的成分的质量百分比为:滑石粉:3-6%、石棉粉:5-11%、陶瓷土:2-4%、磷酸铁锌:5-8%、复合型双官能团硅烷:2-7%、醋酸丁酯:6-9%、正丁醇10-16%,余量为环氧改性有机硅树脂。

进一步的,所述S5中喷砂处理的原料为钢砂、氧化铝、石英砂中的一种。

本发明的有益效果是:

(1)本发明所述的耐高温汽轮机叶片,在叶型上设置有通孔,当高温蒸汽作用到叶片上时,由于叶片表面温度较低,高温蒸汽会遇冷液化,变成水滴,而叶片高速旋转,水滴受离心力作用向叶冠处移动,从通孔进入水管,经过冷却箱,温度降低后到达降温管,降温管与叶片外凸面接触,可以对叶片进行降温,避免叶片长时间处于高温的工作环境中产生高温蠕变破坏,从而大大延长了叶片的使用寿命;

(2)本发明所述的耐高温汽轮机叶片,降温管呈多层S型设置在叶型的外凸面上,尽可能增大了降温管与叶片的接触面积,加快了热量传递,提高了叶片降温的效果和效率;冷却管也呈多层S型设置在冷却箱中,增加了水在冷却箱的时间,使水达到降温管时水的温度更低,进一步增加了对叶片的降温效果;

(3)本发明所述的耐高温汽轮机叶片,水滴受离心力作用沿着气道向叶冠移动,将通孔设置在气道上,使高温蒸汽液化形成的水更易进入通孔中;在降温管的出水口可拆卸设置有堵头,当汽轮机处于非工作状态时,可以将降温管中的水排出;

(4)本发明所述的耐高温汽轮机叶片,在原料中加入Cr、Si、Al等元素,在熔炼的氧化性气氛中可以很快地生成一层致密的氧化膜,并牢固地附在钢表面,从而有效地提高汽轮机叶片的耐高温性能;加入了Mo、W等元素,属于VⅠB元素,可以增加钢中原子间在高温下的结合力,提高金属键的强度,从而提高了叶片的耐高温性能;还加入稀土元素,由于以上稀土元素的金属原子半径比铁的原子半径大,很容易填补在其晶粒及缺陷中,并生成能阻碍晶粒继续生长的膜,从而使晶粒细化而提高钢的性能,另外,稀土元素与碳、硅等反应形成稀土元素的碳化物、硅化物等,这些化合物硬度高,耐化学腐蚀性好,且熔点高,不仅提高叶片的耐高温性能,还可以提高耐腐蚀性能,从而极大地提高了汽轮机的使用寿命。

(5)本发明所述的耐高温汽轮机叶片,在叶片胚料热处理后进行喷砂处理,使叶片胚料的表面的外表或形状发生变化,由于磨料对叶片胚料表面的冲击和切削作用,使叶片胚料的表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度,使胚料表面的机械性能得到改善,提高了叶片的抗疲劳性,同时增加了胚料表面与耐高温涂料之间的附着力,延长了耐高温涂料的耐久性;耐高温涂料则进一步提高了汽轮机叶片的耐高温性能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为叶型外凸面的结构示意图。

其中:1、叶根;2、叶型;3、叶冠;4、通孔;5、水管;6、冷却箱;7、降温管;8、冷却管;9、制冷剂;10、堵头。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供的一种耐高温汽轮机叶片,结构如图1所示,包括叶根1、叶型2和叶冠3,叶根1、叶型2和叶冠3依次固定连接,叶型2的横截面为弧形,叶型2的内弧面上形成气道,叶型2靠近叶冠3的一端设置有通孔4,通孔4位于气道上,叶型2的外凸面上设置有降温装置,降温装置包括水管5、冷却箱6和降温管7,水管5、冷却箱6和降温管7均设置在叶型2的外凸面上,降温管7呈多层S型设置在叶型2的外凸面上,冷却箱6内设置有冷却管8和制冷剂9,冷却管8的进水口与冷却箱6的进水口连接,冷却管8的出水口与冷却箱6的出水口连接,且冷却管8呈多层S型设置在冷却箱6中,制冷剂9位于冷却管8外,通孔4通过水管5与冷却箱6内的冷却管8的进水口连接,冷却管8的出水口与降温管7的进水口连接,降温管7的出水口可拆卸设置有堵头10。

本实施例提供的耐高温汽轮机叶片的化学成分的质量百分比为:C:0.22%、Mn:0.61%、W:0.36%、Nb:0.53%、Si:1.23%、Cr:0.98%、Al:2.68%、Mo:0.34%、Ti:0.45%,Pr:0.0425%、Nd:0.0525%、Ce:0.02%、Y:0.0625%、Tm:0.0275%、Ho:0.045、Fe:92.35%。

本实施例提供的耐高温汽轮机叶片的制备方法,包括以下步骤:

S1:将汽轮机叶片的原料按照质量百分比加入到熔炼炉中,将原料熔炼成合金溶液,然后保温10分钟;

S2:将合金溶液通过水冷的方式降温至660℃形成合金,然后对合金进行热轧,之后冷却形成合金胚料;

S3:用砂轮切割机对合金胚料进行切割,然后将切割好的合金胚料放入锻模中进行锻造,锻造温度保持在765℃之间,锻造得到叶片成型胚料;

S4:将叶片成型胚料放入淬火炉中进行淬火,淬火温度为860℃,淬火后冷却至280℃,将叶片半成品取出,自然冷却至室温,然后放入加热炉中加热至750℃,保温15分钟,然后取出,放入回火炉中,将回火炉温度调整至455℃,保温10分钟,然后取出,冷却至室温;

S5:对S4得到的成型胚料表面进行喷砂处理,喷砂的原料为氧化铝,使胚料表面达到Sa2.5级,然后在成型胚料表面喷涂耐高温涂料,涂料喷涂好后静置30分钟,其中耐高温涂料的成分的质量百分比为:滑石粉:3%、石棉粉:5%、陶瓷土:2%、磷酸铁锌:5%、复合型双官能团硅烷:2%、醋酸丁酯:6%、正丁醇10%、环氧改性有机硅树脂:67%;

S6:将S5得到的成型胚料放入气体氮化炉中,向炉内通入NH3,然后将炉温调整至530℃,保温15小时;

S7:将S6得到的成型胚料进行超声波探伤处理,没有问题则去除胚料的内外尖角及毛刺,随后进行清洁,得到叶片成品一。

实施例2

本实施例提供的一种耐高温汽轮机叶片,结构如图1所示,包括叶根1、叶型2和叶冠3,叶根1、叶型2和叶冠3依次固定连接,叶型2的横截面为弧形,叶型2的内弧面上形成气道,叶型2靠近叶冠3的一端设置有通孔4,通孔4位于气道上,叶型2的外凸面上设置有降温装置,降温装置包括水管5、冷却箱6和降温管7,水管5、冷却箱6和降温管7均设置在叶型2的外凸面上,降温管7呈多层S型设置在叶型2的外凸面上,冷却箱6内设置有冷却管8和制冷剂9,冷却管8的进水口与冷却箱6的进水口连接,冷却管8的出水口与冷却箱6的出水口连接,且冷却管8呈多层S型设置在冷却箱6中,制冷剂9位于冷却管8外,通孔4通过水管5与冷却箱6内的冷却管8的进水口连接,冷却管8的出水口与降温管7的进水口连接,降温管7的出水口可拆卸设置有堵头10。

本实施例提供的耐高温汽轮机叶片的化学成分的质量百分比为:C:0.29%、Mn:0.64%、W:0.41%、Nb:0.58%、Si:1.56%、Cr:1.26%、Al:2.96%、Mo:0.38%、Ti:0.51%、Pr:17-24%、Nd:0.08%、Ce:0.0384%、Y:0.0896%、Tm:0.0448%、Ho:0.016%、Fe:91.09%。

本实施例提供的耐高温汽轮机叶片的制备方法,包括以下步骤:

S1:将汽轮机叶片的原料按照质量百分比加入到熔炼炉中,将原料熔炼成合金溶液,然后保温15分钟;

S2:将合金溶液通过水冷的方式降温至650℃形成合金,然后对合金进行热轧,之后冷却形成合金胚料;

S3:用砂轮切割机对合金胚料进行切割,然后将切割好的合金胚料放入锻模中进行锻造,锻造温度保持在806℃之间,锻造得到叶片成型胚料;

S4:将叶片成型胚料放入淬火炉中进行淬火,淬火温度为900℃,淬火后冷却至300℃,将叶片半成品取出,自然冷却至室温,然后放入加热炉中加热至770℃,保温20分钟,然后取出,放入回火炉中,将回火炉温度调整至465℃,保温15分钟,然后取出,冷却至室温;

S5:对S4得到的成型胚料表面进行喷砂处理,喷砂的原料为氧化铝,使胚料表面达到Sa2.5级,然后在成型胚料表面喷涂耐高温涂料,涂料喷涂好后静置45分钟,其中耐高温涂料的成分的质量百分比为:滑石粉:6%、石棉粉:11%、陶瓷土:4%、磷酸铁锌:8%、复合型双官能团硅烷:7%、醋酸丁酯:9%、正丁醇16%、环氧改性有机硅树脂:39%;

S6:将S5得到的成型胚料放入气体氮化炉中,向炉内通入NH3,然后将炉温调整至535℃,保温20小时;

S7:将S6得到的成型胚料进行超声波探伤处理,没有问题则去除胚料的内外尖角及毛刺,随后进行清洁,得到叶片成品二。

实施例3

本实施例提供的一种耐高温汽轮机叶片,结构如图1所示,包括叶根1、叶型2和叶冠3,叶根1、叶型2和叶冠3依次固定连接,叶型2的横截面为弧形,叶型2的内弧面上形成气道,叶型2靠近叶冠3的一端设置有通孔4,通孔4位于气道上,叶型2的外凸面上设置有降温装置,降温装置包括水管5、冷却箱6和降温管7,水管5、冷却箱6和降温管7均设置在叶型2的外凸面上,降温管7呈多层S型设置在叶型2的外凸面上,冷却箱6内设置有冷却管8和制冷剂9,冷却管8的进水口与冷却箱6的进水口连接,冷却管8的出水口与冷却箱6的出水口连接,且冷却管8呈多层S型设置在冷却箱6中,制冷剂9位于冷却管8外,通孔4通过水管5与冷却箱6内的冷却管8的进水口连接,冷却管8的出水口与降温管7的进水口连接,降温管7的出水口可拆卸设置有堵头10。

本实施例提供的耐高温汽轮机叶片的化学成分的质量百分比为:C:0.26%、Mn:0.63%、W:0.38%、Nb:0.56%、Si:1.39%、Cr:1.18%、Al:2.80%、Mo:0.36%、Ti:0.48%,Pr:0.0532%、Nd:0.0616%、Ce:0.028%、Y:0.0728%、Tm:0.0336%、Ho:0.0308%、Fe:91.68%。

本实施例提供的耐高温汽轮机叶片的制备方法,包括以下步骤:

S1:将汽轮机叶片的原料按照质量百分比加入到熔炼炉中,将原料熔炼成合金溶液,然后保温13分钟;

S2:将合金溶液通过水冷的方式降温至655℃形成合金,然后对合金进行热轧,之后冷却形成合金胚料;

S3:用砂轮切割机对合金胚料进行切割,然后将切割好的合金胚料放入锻模中进行锻造,锻造温度保持在780℃之间,锻造得到叶片成型胚料;

S4:将叶片成型胚料放入淬火炉中进行淬火,淬火温度为880℃,淬火后冷却至290℃,将叶片半成品取出,自然冷却至室温,然后放入加热炉中加热至760℃,保温18分钟,然后取出,放入回火炉中,将回火炉温度调整至460℃,保温13分钟,然后取出,冷却至室温;

S5:对S4得到的成型胚料表面进行喷砂处理,喷砂的原料为氧化铝,使胚料表面达到Sa2.5级,然后在成型胚料表面喷涂耐高温涂料,涂料喷涂好后静置40分钟,其中耐高温涂料的成分的质量百分比为:滑石粉:5%、石棉粉:8%、陶瓷土:3%、磷酸铁锌:7%、复合型双官能团硅烷:5%、醋酸丁酯:8%、正丁醇13%、环氧改性有机硅树脂:51%;

S6:将S5得到的成型胚料放入气体氮化炉中,向炉内通入NH3,然后将炉温调整至533℃,保温17小时;

S7:将S6得到的成型胚料进行超声波探伤处理,没有问题则去除胚料的内外尖角及毛刺,随后进行清洁,得到叶片成品三。

对比例:市售江苏欧美达汽轮机配件有限公司生产的工业汽轮机433动叶片。

将叶片成品一~三和对比例的433动叶片进行对比试验测试,各项性能按国标进行测定,试验条件及其他实验材料均相同,测试结果如表1和表2所示:

表1在常温下进行试验:

表1

由表1可以看出,在常温下本发明制备的汽轮机叶片,与对比例相比,无论是叶片的硬度、抗拉强度,还是断面收缩率,性能都要更为优越。

表2在高温条件下进行试验:

表2

由表2可以看出,当温度升高至300℃和500℃时,对比例的各项数据均有大幅度的降低,而本发明制备的汽轮机叶片,虽然性能均有下降,但是下降的幅度较小。本发明制备的耐高温汽轮机叶片,显著地提高了汽轮机叶片的耐高温性能,同时,还提高了叶片的硬度和抗拉强度等性能,各项机械性能优良,使用寿命更长。

除上述实施例外,本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案,均落在本发明要求的保护范围。

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