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东方汽轮机有限公司院士专家工作站建设项目—重 型燃汽轮机用高温合金热端部件研发

发布时间: 2016-02-14 浏览次数: 15

一、案例简介

 

(一)案例背景。重型燃气轮机是关系到国计民生的重大装备,其发电效率、可靠性和寿命代表着一个国家的工业制造水平。重型燃机具有高效率、低排放等优点,是21世纪能源高效清洁利用的核心动力设备,对于解决我国日益突出的能源、环境问题至关重要,同时对于我国的国防建设也有着重要的战略意义。

 

(二)存在困难。目前我国能源装备制造集团都能造出重型燃气轮机组,基本形成了较为完整的研发、设计、制造技术体系,但核心热端部件尚未完全实现国产化,关键核心技术被西方国家垄断,长期对我国实行封锁,其整机制造最为关键的透平高温合金叶片、燃烧室都是从国外进口,后续的备件提供以及零件维修也只能依靠国外公司。在这种情况下,这些关键零部件的价格都非常昂贵,导致国内企业的利润大部分被国外企业拿走。

 

(三)实施院士专家工作站模式。为打破行业垄断,彻底摆脱西方国家对我们的技术封锁,实现燃气轮机100%中国制造。东方汽轮机有限公司于2013年12月建立院士专家工作站,通过建站引进中国金属学会翁宇庆院士、涂铭旌院士,中国机械工程学会柳百成院士,中国材料研究学会周克崧院士及“国家千人计划”马德新教授组成联合研发团队,通过实施项目攻关模式(重型燃机透平高温合金叶片研发)、“5+1”强强联合模式(4位院士、1名国家千人计划专家+东汽研发团队),在重型燃机用陶瓷型芯研发、定向和单晶叶片铸件凝固过程数值模拟、重型燃机单晶和定向叶片先进制造、700℃超超临界汽轮机用高温合金材料研制、高温涂层等方向展开联合研发。

 

二、案例目前情况介绍

 

(一)基本情况。目前,东汽院士专家工作站已将重型燃机的高温叶片的制造技术自主研发列为当前重大科研攻关任务,并先后投入数亿元资金建成了一个集重燃叶片科研、试制、检测、评价的实验基地,通过“5+1”强强联手模式,已成功在重型燃机热端部件研发和高参数超超临界机组高温合金材料等方面取得突破性进展,被国家认证为“长寿命高温材料国家重点实验室”,取得了系列阶段成果。

 

      (二)实施助力工程后,对案例的助推加速情况

 

1.高温合金叶片精铸数值模拟

 

东汽院士专家工作站与清华大学柳百成院士团队结合各自优势,在高温合金叶片研发方面开展合作,并为公司技术研发和申请国家重点实验室等方面提供咨询。柳百成院士在开拓铸造过程宏观及微观模拟仿真新领域做出了重要贡献。基于射线追踪法处理热辐射模拟温度场分布,采用三维宏/微观网格嵌套和改进的CA方法模拟微观组织,提出分层计算方法实现整体叶片的微观组织计算,从而可以准确地模拟定向和单晶叶片铸件凝固过程的温度分布,在预测定向及单晶叶片凝固组织和杂晶缺陷方面有着重大的理论成就。2015年,通过四川省科技支撑计划,以公司自主设计的50MW重型燃机透平叶片为研究对象,双方开展了高温叶片定向凝固模拟研究合作,致力于提高流场、温度场、应力场模拟仿真与实际过程的吻合度,充分发挥计算机数值模拟技术在高温合金叶片研发过程中的促进作用,缩短研发周期,降低研发成本。

 

 

 

图1 柳百成院士在东汽做专题报告

 

 

 

图2 柳百成院士在东汽进行技术交流

 

2.透平叶片定向凝固和单晶技术研发

 

马德新教授是国际上著名的高温合金定向凝固技术专家,长期从事燃机叶片定向凝固、单晶生长等技术的研究,获得了多项定向凝固技术方面的专利。2012年2月回国后,任东方电气集团东方汽轮机有限公司特聘专家,进驻院士专家工作站,主要负责重型燃机单晶和定向叶片先进制造技术的研究,马教授带领团队在大尺寸高温合金叶片定向凝固过程中的三维温度场控制、组织生长、缺陷抑制等共性技术难题上取得重大进展,揭示了凝固界面的形态演变规律,突破了重燃透平叶片定向凝固和单晶制造关键技术。他带领团队制备的300mm单晶实心动叶处于国内领先水平。

 

 

 

图3 马德新教授在车间检查蜡模质量

 

 

 

图4 马德新教授与翁宇庆院士讨论压蜡情况

 

3.重燃透平叶片研发进展

 

通过几年的研究,公司已在重型燃机透平叶片研发领域取得多项突破性进展。空心叶片用陶瓷型芯初步实现了自主化制备,通过院士专家工作站进站院士及专家团队的努力,目前已完成了50MW燃机实心等轴晶动叶片精铸工艺研发,冶金质量和尺寸均达到设计要求,空心动叶片已解决了偏芯、断芯的问题;制备的定向柱晶叶片组织均匀细小,不存在大角度偏晶;单晶叶片雀斑、杂晶等缺陷已经消除,晶体取向和微观组织均符合标准。

 

 

 

图5 大尺寸等轴晶叶片和定向凝固柱晶叶片(总高约380mm)

 

在数值模拟方面,通过测量计算合金、陶瓷模壳等材料物性参数,以及凝固过程中边界条件,不断反算,高温合金叶片数值模拟精度不断提高。如图6所示,实线表示实测温度,虚线表示模拟计算的温度,在1500℃~1300℃的范围内,模拟计算温度值和实测温度值非常接近,两者吻合度很高。尽管在温度低于1300℃时,两者差别较大,但此时合金液已经凝固,对于凝固过程没有任何影响。

 

(三)合作协议

 

通过建立院士专家工作站进行项目研发,东汽公司分别与涂铭旌院士研究团队和清华大学材料学院柳百成院士研究团队签订了合作协议,目前东汽院士专家工作站正在和周克崧院士就透平叶片涂层技术展开交流和沟通,争取尽快开展项目合作。

 

(四)工作方式及运作机制

 

以创新驱动发展战略为中心,围绕创新驱动示范市建设,基于实施创新驱动助力工程中的服务(工作站)模式,即在企业建立院士专家工作站,通过中、省科协及全国学会等多方渠道,为企业柔性引进院士、专家等高层次人才,强化企业作为技术创新的主体地位,围绕企业重大技术攻关、高端项目研发和创新人才培养等方面开展工作,鼓励和支持企业提高创新能力,提升研发能力和核心竞争力。

 

(五)取得成效

 

东汽通过院士专家工作站、长寿命高温材料国家重点实验室等平台,逐步建立了适合自身特点、符合技术创新需求的技术创新长效机制,重型燃机透平高温合金叶片研发取得了突破性进展,通过院士及专家团队的攻关,完善了精密铸造研发流程,提高了重燃叶片研发团队基础理论水平,促进了公司重燃叶片研发进展,提升了公司的创新能力和研发能力。2015年度,东汽院士专家工作站相关团队新承担四川省科技厅省院科技合作项目两项;公司新授权专利8项,新申请专利15项;公司获四川省人民政府颁发的科技进步二等奖、三等奖各一项;获中国机械工业联合会、中国机械工程协会颁发的中国机械工业联合会科学技术一等奖一项;获德阳市科技奖一等奖、二等奖、三等奖各一项。

 

三、案例的未来规划

 

 工作站将和周克崧院士就透平叶片涂层技术展开进一步交流和沟通,争取尽快开展项目合作。下一步,东汽公司将继续大力加强院士专家工作站建设,继续实施创新驱动助力工程项目,争取引进更多更好的国内外高层次院士及专家人才,助力东汽公司项目研发,突破技术瓶颈,解决一大批技术难题,提升技术创新能力和研发实力。