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5、微小型燃气涡轮发动机-美国的陶瓷燃气轮机计划

2016-04-13 12:03阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/2499361132

与高温合金相比，结构陶瓷的使用温度提高了200-250℃。在非冷却情况下工作温度可达1370℃。密度仅为3.2g / cm3(高温合金的密度≈8 g / cm3 ) ，相同体积的零件可减轻重量约60 %。特别对高速转子可大大减轻离心力负荷。在高于800℃ 时，高温合金的比强度开始低于结构陶瓷，随着温度升高，陶瓷的优越性越来越明显。因而，航空结构陶瓷已成为发展高效燃气涡轮发动机的关键技术。此外，使用结构陶瓷还可因减少或取消冷却系统而简化结构，使发动机紧凑、轻巧，节省高温合金中镍、铬、钻等战略金属，因合理燃烧而减少空气污染等优点而受到人们青睐。
1970年代初以来，英、美、德、日、瑞典、法、意、中等国在不同规模上对发动机结构陶瓷的研究、试验作出很大努力。

一、脆性材料设计计划

1971年，美国DARPA启动了“脆性材料设计计划”，其主要目的为：发展用脆性材料进行设计的能力。具体要求是：无冷却的小型车辆和大型静止的气体透平陶瓷部件在1375℃下工作200小时。该计划的成果为：
筛选了近30 0 种材料，最后选定SiC、
Si3 N4和LAS (锂铝硅酸盐)。
设计了一台发动机，提供了一个在高的透平进口温度下的设计和评价方法。
根据要求分解了发动机的部件，考虑了用不同的工艺和材料来制造这些部件。
失效预测：用二维有限元方法借助于计算机对轴对称的陶瓷部件进行热传导和热应力的分析，从而预测可能发生的破坏。
陶瓷部件装配：研究了几种技术来装配陶瓷部件。
组件的试验：陶瓷发动机在真实条件下运行，以检查设计、材料和制造过程。
DARPA的“脆性材料设计”计划证实了陶瓷作为发动机材料的可能性从而鼓励了这方面的研究。在该计划中，发动机的定子是反应烧结氮化硅(RBSN)和反应烧结碳化硅(RBSC) ，转子是热压氮化硅(HPSN)和RBSN，燃烧器用的是RBSC。在Ford公司的试验中这个发动机在1373℃下成功地运行了20小时，这就比没有冷却的合金钢发动机工作温度提高了300℃。
二、AGT100，AGT101和CATE计划
下表列出了美国1976年陆续启动的三个陶瓷涡轮计划的预定要求。这些计划分别和美国三个主要的汽车公司合作来发展300磅重的汽车用发动机样机。AGT100（Advanced Gas Turbine）（1979-1987）和AGT101（1980-1986）的基本目标是降低燃油消耗30%，达到425 mpg (英里/加仑)。入口温度分别为1288℃ 和1371℃。
1、AGT100计划
在AGT100计划中，绝大部份部件均采用Carborundum公司的AαSC ( 烧结α- SiC)，转子用注射法成型。
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1988年，大众汽车Allison Division汇报了AGT100计划的进展（ASME 1988-GT-223），由于该计划难度过大，未达成任务书的目标。如下表要求在涡轮前温度2350ºF时输出100HP功率，而实现的发动机样机仅达到2200ºF，输出功率为66.5HP。

5、微小型燃气涡轮发动机-美国的陶瓷燃气轮机计划
AGT100发动机的截面图：

5、微小型燃气涡轮发动机-美国的陶瓷燃气轮机计划
The AGT is very different from aircraft and industrial turbines in design and usage. This fact arises from the driving cycle of an automobile which requires only a small fraction of operating time (less than 0.1%) at full power. Over 95% of the driving cycle is achieved at less than 35% of the rated engine horsepower and 99% of the driving cycle is accomplished at less than 50% of the rated engine horsepower. Thus, the AGT is truly a 'part power' engine. For the combined automotive driving cycle (55% city miles, 45% highway miles), the average horsepower used is 14 hp when the engine is rated at 100 hp and 3 hp is used to drive engine accessories such as power steering and air conditioning. This part power usage of the AGT makes it necessary to recover exhaust heat to achieve desired fuel economy.（作者认为车用燃气轮机难设计的原因）
2、AGT101计划
AGT101计划由Garrett/Ford公司执行，计划的目标类似于AGT100，只是入口温度和转速有所提高。转子材料采用SRBSN，即掺有8%WtY2O3的硅泥浆浇注成型后进行氮化而后进行烧结。定子和涡形管采用SRBSN和SαSC材料，燃烧器与GT100计划类似采用SαSC材料。根据计划还有49个部件采用陶瓷材料。
1987年，Garrett公司汇报了AGT101计划的进展（ASME 1987-GT-228），由于该计划难度过大，未达成任务书1371℃下长期运行的目标。该发动机在1204℃（2200ºF）下全速（100000rpm）运行了85小时。下图为AGT101样机：

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3、CATE计划
CATE（Ceramics Applications in Turbine Engines）计划（1976-1983）是由DOE资助，由NASA主持的。其目标是将陶瓷用于大型车辆的燃气轮机( 300-400马力)。因为服务对象是大型车因而转子采用二轴轴流式，即在金属园片上嵌入陶瓷叶片。叶片材料为SαSC。
1983年，大众汽车公司汇报了其用于CATE研究的Allison IGT 404-4燃气轮机改用陶瓷部件的研究情况（ASME 1983-GT-179）。其发动机陶瓷部件主要由三家公司提供： Carborundum Company-silicon carbide，GTE Laboratories-silicon nitride，Corning Glass Works-aluminum silicate。另外，对Pure Carbon, Norton, Kyocera, NGK, AiResearch, Annawerk, Rosenthal等公司的陶瓷部件也进行了评估。
按照原定计划，该发动机应该首先进行1900°F (1038°C)的试验，然后是2070°F (1132°C)，最后是2265°F (1241°C)。1900°F和2070°F配置的发动机成功进行了试车，但2265° F配置的发动机在1980和1981年期间取消了。发动机结构如下图：

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三、ATTAP、CTEDP和HVTE-TS计划
DOE/NASA Advanced Turbine Technology Project–ATTAP/AGT101计划从1987年开始，在1992年前，强调继续使用已有的AGT101发展车用关键陶瓷技术，这一阶段取得了丰硕的成果（ATTAP/AGT101—Year 2 Progress in Ceramic Technology Development，90-GT-305 ）。但是AGT101发动机在开展进一步工作前，显得不足。这是因为AGT101包含了太多的高风险演示技术，如高温陶瓷回热器、低排放陶瓷燃烧室、低摩擦气体轴承、全部热端部件的陶瓷化和耐冲击的陶瓷涡轮等。
1994年，ATTAP计划被改为Ceramic TurbineEngine Demonstration Project- CTEDP计划，其采用的验证平台也改为Honeywell的331-200 APU。1979-1982年DARPA/海军支持的Ceramic Gas Turbine Engine Demonstration Program，1979年USAF支持的Ceramic Components For Turbine Engines Program采用了与Honeywell的331-200 APU相似的验证平台，这为CTEDP计划采用本验证平台提供了基础。发动机结构如下图：

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其设计参数如下表：

5、微小型燃气涡轮发动机-美国的陶瓷燃气轮机计划
美国支持的陶瓷涡轮发动机计划的目的是使其商业化。经过以前的计划及CTEDP等的支持，已经使得发动机的陶瓷部件从小批试制发展为固定工艺的批量生产，其成品率已经由20%以下提升至79%，制成件的体积也越来越大。对发动机换装陶瓷涡轮喷嘴、涡轮叶片，叶盘等已经进行了6800小时的试验，收集了大量性能数据和评价信息，这将会促进陶瓷发动机的进一步发展。陶瓷喷嘴在商业航空运输服务领域的评估已经开始，2001年，陶瓷盘将开始现场试验。对燃烧器进行了氧化试验并分析了试验后的微观结果。
HVTE-TS（HYBRID VEHICLE TURBINE ENGINE TECHNOLOGY SUPPORT PROGRAM）计划 是由美国能源部支持的用于发展混合动力汽车用燃气轮机动力系统的计划，该计划基于1994年ATTAP计划的成果，使用AGT-5燃气轮机作为测试用基准，用以验证陶瓷部件的设计、测试、耐久性能。除了AGT-5外，也使用了其它基准燃气轮机进行测试（ASME 1997-GT-88）。


四、CSGT计划
美国能源部的CSGT(陶瓷静止燃气轮机)计划（1992-2001）的目标是把Solar公司的一台功率为4MW的工业燃气轮机(Centaur 50S)的输出提高到5MW，热效率从28.8%提高到39.1%，同时保持NOx排放量在25ppmv以下(Solar公司的目标是接近于10ppmv)。这需要把透平进气温度从1010℃(1850°F)提高到1121℃(2050°F)。
Solar公司考虑了两种类型的材料：一种是整体烧结陶瓷，尤其是氮化硅和碳化硅，另一种是纤维强化复合材料，可以用碳化硅纤维加碳化硅基料，或氧化铝纤维加氧化铝基料。
在1995年底以前，他们分别在试验台和加州KearneyMesa电站的实验室中一台专门用于该项研究的Centaur50S燃气轮机上对陶瓷部件进行了试验。
CSGT计划的最后一步是在加州Bakersfield的ARCO石油和天然气进行现场运行试验。运行试验分两个阶段。第一阶段：陶瓷动叶、陶瓷燃烧室内衬、透平转子进口温度1010℃、2000小时；第二阶段：陶瓷喷嘴、陶瓷动叶、陶瓷燃烧室内衬、透平转子进口温度1120℃、4000小时。
2001年4月26日，完成了所有的测试，发动机性能在1010°C (1850°F)、1066°C (1950°F)、1121°C (2050°F)下进行了评估。达到的目标包括：
装有三个陶瓷部件的Centaur 50在1010°C (1850°F)下稳态运行100小时；同一发动机在1121°C (2050°F)下运行1小时，经检查，所有部件完好。涡轮前温度由1010°C (1850°F)提升后，发动机性能提升如下表所示：
5、微小型燃气涡轮发动机-美国的陶瓷燃气轮机计划
 2003年，Solar公司对其结果进行了报告（ASME 2003-GT-38978）.如下图为其报告中的一个结果图。

5、微小型燃气涡轮发动机-美国的陶瓷燃气轮机计划
五、陶瓷燃气轮机后续发展

在上述工作之后，Solar等公司又开展了进一步的陶瓷燃气轮机研究，2008年，该公司以CERAMIC GAS TURBINE DEVELOPMENT – NEED FOR A 10-YEAR PLAN（ASME GT-2008-51378）为题发表了一片陶瓷燃气轮机的综述性文章，认为仍需在10年之内投资1亿美元才有可能使陶瓷燃气轮机真正商业化，并在文中给出了详细的不同大小和用途的陶瓷燃气轮机需要解决的问题。



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