專利名稱：：燃氣渦輪、其葉片及其葉片的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及到一種燃氣渦輪，一種具有水平伸展凸出部分的重型燃氣渦輪的葉片，和該燃氣渦輪葉片的制造方法。早期的鎳基耐熱合金至今還作為發(fā)電燃氣輪機轉(zhuǎn)子葉片的材料。為了改進渦輪的熱效率，燃氣溫度逐年提高。為了應付燃氣溫度的提高，已經(jīng)采用了具有復雜冷卻孔的傳統(tǒng)鑄造葉片。單晶葉片已經(jīng)被用作飛機噴氣發(fā)動機的轉(zhuǎn)子葉片。以合金沒有晶界，因此也不含有增強晶界的元素如B，Zr和Hf的假設(shè)為依據(jù)，開發(fā)鑄造單晶體葉身用的合金。因此，單晶體合金的晶界是不充分的。至少鑄件的一部分，在鑄件使用之前必須是單晶的。為了使用這種單晶體葉身作為燃氣渦輪的轉(zhuǎn)子葉片，完全是單晶體的鑄件是必不可少的。大多數(shù)單晶體鑄件用在日本專利NO51-41851和NO51-26796中已經(jīng)公開的定向凝固方法來制造。這一方法是把鑄件從加熱的爐體中往下拉，并從下端開始逐漸地從下而上地凝固的方法。飛機噴氣發(fā)動機用的轉(zhuǎn)子葉片長約10厘米，軸的橫剖面的最大面積約為10厘米2，從轉(zhuǎn)子葉片主體上水平伸出的平臺尺寸很小。因為整個轉(zhuǎn)子葉片的尺寸就很小，所以采用上述定向凝固方法，凝固出葉身形鑄件可制造這種單晶體葉身。然而，在發(fā)電燃氣輪機中的轉(zhuǎn)子葉片要比飛機噴氣發(fā)動機中的轉(zhuǎn)子葉片大。發(fā)電燃氣輪機的轉(zhuǎn)子葉片最短為14-16厘米，根部橫剖面的面積最小為15厘米2。因此，制造單晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)電燃氣輪機的轉(zhuǎn)子葉片是困難的。一些部分如凸臺和從根部側(cè)面伸出的密封部分，從鑄件凝固的方向水平地伸出。甚至當采用普通的定向凝固方法來凝固這種鑄件時，整個鑄件也不可能完全是單晶。非單晶的理由如下。當鑄件凝固時，水平凸出部分開始從鑄件的外邊緣處凝固，由于水平凸出部分與鑄件的其分部分沒有關(guān)系，所以它的結(jié)晶方向與其它部分的結(jié)晶方向有所不同。當這部分與鑄件其分部分進一步凝固并且兩者結(jié)晶體相互接觸時，接觸面就形成了一個晶界，這樣就阻止了單晶體的生長。這樣，形成一個單晶結(jié)構(gòu)的、用于發(fā)電燃氣渦輪機中的完整的大型渦輪葉片是不可能的。本發(fā)明的目的是提供一種大的單晶渦輪葉片，在熱和應力狀態(tài)下，該葉片具有極好的抗拉和蠕變強度及熱疲勞性能。本發(fā)明的另一個目的是提供這種渦輪葉片的制造方法。本發(fā)明進一步的目的是提供一種具有高熱效率的重型燃氣輪機。為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種燃氣渦輪葉片，它包括一個用作緊固在輪盤上的楔形榫;一個根部，它與楔形榫連接并具有一個或多個整體形成在楔形榫側(cè)面上的凸出部分;一個連接于根部的葉身;其中燃氣渦輪葉片是由鎳基合金制成的，該合金的r′相在形成單晶結(jié)構(gòu)的r相中析出。位于渦輪葉片根部的凸出部分可以是單級或多級密封部分，它位于沿葉身轉(zhuǎn)動面的兩個面上。密封部分的邊緣彎向葉身。在根部的凸出部分，是一個位于與葉身轉(zhuǎn)動面相交的兩個面上的凸臺。具有突出部分的根部，其橫剖面積不小于15厘米2。包括有楔形榫和凸出部分的根部和葉身，是用鎳基合金制造的，其中r′相在r相的單晶基體中析出。燃氣渦輪葉片在其長度方向全長不小于180毫米。葉身的重量不大于燃氣渦輪葉片總重量的30%，特別在20-30%之間。本發(fā)明也提供了一種燃氣渦輪葉片的制造方法;該葉片包括有作為緊固在輪盤上的楔形榫，一個連接于楔形榫并具有在楔形榫側(cè)面上整體形成的凸出部分的根部;一個連接于該根部的葉身，該制造方法包括以下步驟將相應于凸出部分的旁通模連接到相應于楔形榫、根部和葉身的主模上;以相同速度沿一個方向把在主模和旁通模中的熔化的鎳基合金逐漸凝固，鑄成一個單晶結(jié)構(gòu)。本發(fā)明進一步提供一種燃氣渦輪葉片，它包括作為緊固輪盤上的楔形榫;連接于該楔形榫并在楔形榫側(cè)面上整體形成有一個或多個凸出部分的根部;一個連接于根部的葉身;其中燃氣渦輪葉片從葉身端部到楔形榫單向地被凝固，由單晶鎳基合金制成r相。本發(fā)明提供一種重型燃氣渦輪機，它包括壓氣機;燃燒套筒;單級或多級渦輪葉片，它具有緊固在渦輪盤上的楔形榫，其總長不小于180毫米，它由單晶鎳基合金制成，它的r相是單晶體;相應于渦輪葉片處設(shè)置渦輪噴嘴;其燃氣工作溫度不低于1400℃，在工作應力狀態(tài)下，第一級葉片的金屬溫度不低于1000℃。為了使燃氣渦輪葉片沿一個方向凝固，使用了與用于楔形榫，根部和葉身的另一模分開的在凸出部分形成的具有旁通的模。按照本發(fā)明的燃氣輪機葉片的制造方法，能夠制造具有復雜外形和單晶體結(jié)構(gòu)的大的燃氣渦輪葉片。雖然本發(fā)明渦輪葉片是具有凸出部分形狀的大型葉片，設(shè)置凸出部分處葉片橫剖面面積是15厘米2或更多，但它比具有多晶界的多晶粒的葉片強度更好，因為它是單晶體結(jié)構(gòu)。最好采用鎳基合金作為本發(fā)明的渦輪葉片，每種合金的重量成份為碳C等于或小于0.15%，作為雜質(zhì)最好為0.02%;硅Si等于或小于0.03%;最好作為一種雜質(zhì);錳Mn等于或小于2.0%;鉻Cr等于5-14%;鋁Al等于1-7%;鈦Ti等于1-5%;鈮Nb等于或小于2.0%;鎢W等于2-15%;鉬Mo等于或小于5%;鉭Ta等于或小于12%，最好為2-10%;鈷Co等于或小于10%;鉿Hf等于或小于0.2%;錸Re等于或小于3.0%;硼B(yǎng)等于或小于0.02%。表1表示了上述鎳基合金，合金中表示的是重量百分比。希望鈷基合金可用于本發(fā)明，每種合金所含重量比例是碳C＝0.2-0.6%;硅Si≤0.5%;錳Mn≤2%;鉻Cr＝20-30%;鎳Ni≤20%;鉬Mo≤5%;鎢W＝2-15%;鈮Nb≤5%;鈦Ti≤0.5%;鋁Al≤0.5%;鐵Fe≤5%;硼B(yǎng)≤0.02%;鋯Zr≤0.5%;鉭Ta≤5%;其余為鈷Co。表2表示了用于定子葉片的渦輪噴嘴的鈷基合金，給出了合金元素的重量百分比。本發(fā)明的燃氣渦輪有較高的效率，因為它很大，并允許燃氣工作溫度在運行初始階段可達1400℃或更多。在水平凸出部分中，結(jié)晶方向與凝固推進的方向相應，所以在鑄件中可以有相同的晶體定向。因此，有效制地造大的單晶體轉(zhuǎn)子葉片是可能的。由于本發(fā)明的單晶體轉(zhuǎn)子葉片有極好的高溫特性，因此葉片使用壽命延長了，并且燃氣渦輪的熱效率，由于燃氣溫度的增加而提高到34%。圖1是本發(fā)明的一個實施例的渦輪轉(zhuǎn)子葉片的透視圖;圖2是一個鑄模的垂直橫剖面圖，表示圖1所示轉(zhuǎn)子葉片的制造方法;圖3是本發(fā)明另一個實施例的轉(zhuǎn)子葉片的前視圖;圖4是圖3所示的轉(zhuǎn)子葉片另一種制造方法的鑄模的垂直橫剖面圖;圖5是圖4中所示鑄模的平面圖;圖6是與圖4中所示鑄模相比較的一個鑄模平面圖;圖7表示本發(fā)明的燃氣渦輪轉(zhuǎn)子部件的橫剖面圖。第一個實施例圖1是本發(fā)明所述發(fā)電燃氣輪機轉(zhuǎn)子葉片的透視圖。圖2是一個垂直橫剖面圖示出了本發(fā)明的發(fā)電燃氣渦輪的轉(zhuǎn)子葉片的制造方法，這種方法采用本發(fā)明的一種鑄模來制造轉(zhuǎn)子葉片。如圖2所示，首先一個由氧化鋁制的殼模2固定在一個用水冷卻的冷鐵1上，并把它放在殼模加熱器3上加熱，在加熱器內(nèi)部它被加熱到不低于鎳基合金的熔化溫度。接著將被熔化的合金澆注入殼模2中，然后向下拉水冷的冷鐵1，以定向凝固方法使其凝固。這樣，當合金凝固時，在殼模2下部的起動器4中首先形成許多晶粒，然后在選擇器5中形成一個單晶，可以轉(zhuǎn)過360°，這時合金仍在凝固。該單晶在擴大的截面6處變大。合金凝固并形成鑄件7，該鑄件包括一個具有冷卻孔的葉身8，一個在葉身8上的根部9和一個在根部9上的圣誕樹狀的楔形榫10。(三個部件8、9、10在圖1中從上往下表示)其端部向著葉身8彎曲的密封部分或凸出部分11，從楔形榫10凸出。如圖2所示，渦輪葉片是從渦輪轉(zhuǎn)子葉片的葉身8到根部9和楔形榫鑄造而成的，如圖1所示。在這個實施例中，一個與鑄件7不同的旁通模12配置在從擴大截面6到密封部分或凸出部分11處。所配置的旁通模12使整個渦輪轉(zhuǎn)子葉片成為單晶體。圖1所示渦輪葉片的高×寬×長為180毫米×40毫米×100毫米，圖中分別用序號13、14和15表示。葉身8約90毫米高，重量約占整個渦輪轉(zhuǎn)子葉片重量的30%，根部9形成密封部分或凸出部分11處的橫剖面面積為40厘米2，密封部分11每端伸出約15毫米。鑄件加熱器3保持高溫，直到鑄件7完全拉出并完全凝固為止，上述鑄造過程是在真空中完成的。單晶體制造的渦輪轉(zhuǎn)子葉片被鑄成之后，下一步在真空中在溫度為1300-1350℃下保持，2-10小時進行固溶熱處理。由凝固合金形成的共晶體的r′相溶入r相。然后在溫變980-1080℃保溫4-15小時，和溫度800-900℃保溫10-25小時，進行渦輪轉(zhuǎn)子葉片的時效處理。平均尺寸為3-5微米的角狀r′相在r相中析出。表3給出了鑄造單晶體葉身的條件。表4給出了用本發(fā)明方法制造的單晶體葉身與用一般方法制造的這種葉身的比較。渦輪轉(zhuǎn)子葉片在凸臺上部收縮，在凸臺下部生長出次生的細長樹枝狀的晶體。如表2所示，本發(fā)明使得用普通方法不能制造的大的單晶體葉身的鑄造成為可能。在這個實施例中，由于需要高強度和韌性的渦輪轉(zhuǎn)子葉片的葉身首先凝固，與鑄模相接觸的時間被縮短了。這樣可以得到一種含合金元素變化很小的，且?guī)缀鯖]有缺陷的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，因此就能制造具有所需特性的渦輪轉(zhuǎn)子葉片。葉身約用一小時凝固，其它部分和楔形榫用兩個小時凝固。但是在合金中元素是有變化的，尤其是鉻Cr的變化很大。如本實施例中所述，如果鉻Cr的含量在合金中大到8.5%，特別是到10%或更多，它變化很小并且很有效地用于渦輪轉(zhuǎn)子葉片。相反，如果Cr的含量小于或等于8.5%，它的變化就很大。與成形渦輪轉(zhuǎn)子葉片的殼模不同的旁通模12，在用選擇器法時，可配置在選擇器5的上面，在用籽晶法時，可配置在籽晶上面，但它們總在位于在密封部分或凸出部分11以下的任一位置上。然而在單晶體鑄成以后，必須把旁通模12除出，根據(jù)要求旁通模應設(shè)置在如圖2所示的擴大斷圖6處，也就是在選擇器或籽晶以上，在葉身8以下。轉(zhuǎn)子葉片從葉身8凝固到楔形榫，其理由如下。燃氣渦輪轉(zhuǎn)子葉片的葉身8是轉(zhuǎn)子葉片基本部分，受到高溫和高應力。因此，必須具有極少的缺陷，和比其它部分高的質(zhì)量。葉身8首先被凝固，因此它在高溫區(qū)的時間較短。為了使元素變化較小，這種鑄件對于對于制造燃氣渦輪轉(zhuǎn)子葉片是適合的。一組冷卻孔自葉身8引到楔形榫10，用來用冷卻液冷卻部件。一個冷卻孔的型芯被當作模使用。根據(jù)被凝固的鑄件尺寸，合金凝固的速度在1至50厘米/小時內(nèi)變化。葉身8比根部9和楔形榫10凝固要快。雖然已經(jīng)敘述了燃氣渦輪轉(zhuǎn)子葉片的制造方法，但是利用上述相同方法也能使定子葉片單晶體的生長。第二個實施例。具有基本上同第一個實施例中轉(zhuǎn)子葉片形狀相同的一種轉(zhuǎn)子葉片，用2號合金來鑄造。與第一個實施例相同的鑄造條件和定向凝固方法，被用于第二個實施例中。葉片高160毫米，葉身高70毫米，根部和楔形榫高90毫米。圖3表示這種葉片的前視圖。由于轉(zhuǎn)子葉片有一寬的平臺17，當用定向凝固方法來凝固它時，一個新的晶體在平臺17上形成，這樣就阻止了單晶體的增長。為了解決這一問題，本發(fā)明用于一種轉(zhuǎn)子葉片的制造方法。如圖4所示，靠近平臺17邊緣部分通過旁通模12被連接到選擇器5的上部，該旁通模12與形成鑄件7的模不同。這樣連接可以使單晶體生長。旁通模12厚度為1毫米，寬20毫米。圖4表示轉(zhuǎn)子葉片橫剖面的形狀。圖5表示在普通方法中新晶體如何增長，如從葉身8上部所看到的。圖6表示了本發(fā)明方法新的晶體如何沒有增長，從葉身8上部也可以看到。在圖6中，序號18表示一個晶界，序號19表示新晶體。本發(fā)明使得用單晶體生長代替新晶體生長成為可能。第三個實施例。圖7是一臺燃氣渦輪轉(zhuǎn)動部分橫剖面圖。在圖中，用本發(fā)明第一個實施例的方法所得到的單晶體制成的鎳基2號合金，被用在第一級渦輪葉片20上。在這個實施例，渦輪葉輪21有兩級。第一級配置在燃氣流的上游、具有一中心22的第二級被配置在燃氣流的下游。一種含有12%鉻Cr的馬氏體耐熱鋼被用于壓氣機最后一級輪盤23，隔離件24，渦輪隔板25、渦輪組合螺栓26和壓氣機組合螺栓27上。第二級渦輪葉片20，渦輪噴嘴28，燃燒室29的套筒30，壓氣機葉片31，壓縮機噴嘴32，隔板33和護罩34都是用合金制造的。這些合金包含的元素表示在表5中。第一級渦輪噴嘴28和渦輪葉片20是單晶體鑄造的。第一級渦輪噴嘴28是用13號合金制造的，它包括與渦輪葉片同樣的形式的葉身段。渦輪噴嘴28被安裝在一圓周上，并具有一隔板，隔板的長度基本上等于葉片的葉身。序號35表示渦輪主軸，序號36表示壓氣機主軸。本實施例中的壓氣機共17級，表示在表5中的渦輪葉片，渦輪噴嘴，護罩(1)和隔板都用于第一級的燃氣流的上游，而護罩(2)被用于第二級。在這個實施例中，用包括鋁Al，鉻Cr和其它元素的高度濃縮合金、或包含氧化物的混合物制成的一種覆蓋層，可以用來抗高溫氧化和腐蝕，它比由一種作為基體材料的合金抗氧化和腐蝕的溫度更高。晶體可以成形為在離心力作用的方向它的定向可以變成。以這種方法形成的晶體，可以得到高強度葉片。按照這種燃氣渦輪的結(jié)構(gòu)，當發(fā)電量約為50MW時，在第一級噴嘴入口處的燃氣溫度可達1500℃，第一級葉片金屬溫可達1000℃，熱效率可達到34%。如上所述，具有高蠕變斷裂強度和由熱引起極少缺陷的耐熱鋼，可以適合制造渦輪輪盤，隔離件，隔板，壓氣機輪盤的最后一級，組合螺栓。具有高溫強度的合金可用于制造渦輪葉片。具有高溫強度和延性的合金，可用于制造渦輪噴嘴。具有高疲勞性能和高溫強度的合金，可用于制造燃燒室套筒。這樣，可以得到比現(xiàn)有技術(shù)在各方面都更可靠的燃氣渦輪。表1</tables>權(quán)利要求1.一種重型燃氣渦輪包括，一臺壓氣機；一個燃燒室套筒；單級或多級渦輪葉片，該葉片具有緊固在渦輪輪盤上的一楔形榫，葉片全長不少于180毫米；該葉片由單晶體鎳基合金制成，其r相是單晶體；一配置在所述渦輪葉片相應位置上的渦輪噴嘴；其特征是工作燃氣溫度不低于1400℃，并且第一級葉片金屬溫度在工作狀態(tài)下不低于1000℃。2.一種燃氣渦輪葉片，包括用作固定到輪盤上的楔形榫;一個根部它連接于所述楔形榫，并在楔形榫側(cè)面形成一個或多個完整的凸出部分;一個連接于所述根部的葉身，其特征是所述燃氣渦輪葉片是由鎳基合金制成的，其中r′相基本上凝結(jié)在所形成的一種單晶體結(jié)構(gòu)的r相中。3.按照權(quán)利要求2所述的燃氣渦輪，其特征在于，配置在所述根部的突出部分是單級或多級密封部分，配置在沿所述葉片轉(zhuǎn)動面的兩個表面上。4.按照權(quán)利要求3所述的燃氣渦輪葉片，其特征在于有一種結(jié)構(gòu)，其中每個密封部分的邊緣向著所述葉身彎曲，并相對于噴嘴滑動，以便密封流動的燃氣流。5.按照權(quán)利要求2所述的燃氣渦輪葉片，其特征是在所述根部配置的凸出部分，是一個位于與葉身轉(zhuǎn)動面相交的兩表面上的平臺。6.按照權(quán)利要求2所述的燃氣渦輪葉片，其特征在于具有凸出部分的根部，具有不少于15厘米2的橫剖面積。7.按照權(quán)利要求3所述的燃氣渦輪葉片，其特征在于具有凸出部分的根部，具有不少于15厘米2的橫剖面積。8.按照權(quán)利要求4所述的燃氣渦輪葉片，其特征在于具有凸出部分的根部，具有不少于15厘米2的橫剖面積。9.按照權(quán)利要求5所述的燃氣渦輪葉片，其特征在于具有凸部分的根部，具有不于15厘米2的橫剖面積。10.按照權(quán)利要求2所述的燃氣渦輪葉片，其特征在于包括所述楔形榫和凸出部分的所述根部和葉身是用鎳基合金制成的，其中r′相在r相的單晶基體中析出。11.按照權(quán)利要求3所述的燃氣渦輪葉片，其特征在于包括所述楔形榫和凸出部分的所述根部和葉身是由鎳基合金制成的，其中r′相在r相的單晶基體中析出。全文摘要一種重型燃氣渦輪，包括一個壓氣機，一燃燒室套筒；單級或多級渦輪葉片和配置在相應渦輪葉片位置上的渦輪噴嘴。渦輪葉片有一固定在渦輪葉片輪盤上的楔形榫，全長不少于180毫米，并且由單晶體的鎳基合金制成，它的r相是單晶體。工作燃氣溫度高于1400℃。金屬溫度在工作壓力情況下不低于1000℃。文檔編號F01D5/28GK1060890SQ9110958公開日1992年5月6日申請日期1991年9月14日優(yōu)先權(quán)日1990年9月14日發(fā)明者吉成明,斉藤年旦,飯島活己,石田忠美,橋田良造,狩野公男申請人:株式會社日立制作所,東北電力株式會社