日本1700℃級燃氣輪機關(guān)鍵技術(shù)

■ 于洪飛/中國航發(fā)研究院

燃氣輪機對能源系統(tǒng)的高效、清潔和安全利用具有重要意義。為提高燃氣輪機效率，日本正在對1700℃級燃氣輪機的關(guān)鍵技術(shù)開展研究，這些關(guān)鍵技術(shù)可為我國燃氣輪機的研發(fā)攻關(guān)提供借鑒。

日本從20世紀(jì)60年代開始發(fā)展燃氣輪機，用了20多年的時間從引進、消化和吸收美國的技術(shù)到獨立開發(fā)，進入掌握先進燃氣輪機技術(shù)的國家行列。面對未來的挑戰(zhàn)，2002年日本政府通過《能源政策基本法案》，2003年日本內(nèi)閣又通過《基本能源計劃》。與此對應(yīng)，日本產(chǎn)業(yè)省推行更高效率的燃氣輪機開發(fā)，2003年提出了1700℃級燃氣輪機國家工程（簡稱日本國家工程），目標(biāo)是使聯(lián)合循環(huán)熱效率達到62%～65%，渦輪進口溫度1700℃。日本國家工程開展的同期，渦輪進口溫度1600℃級燃氣輪機型號研發(fā)也在同步進行，并在繼承原有燃氣輪機技術(shù)的基礎(chǔ)上大量移植了1700℃級燃氣輪機開發(fā)中的新技術(shù)。日本國家工程的內(nèi)容之一是先期關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)并分四個階段進行實施：第一階段（2004—2007年），完成關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究；第二階段（2008—2011年），實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)研究成果在1600℃級燃氣輪機上的應(yīng)用；第三階段（2012—2015年），實現(xiàn)以1700℃級燃氣輪機為目標(biāo)的技術(shù)成熟度提升；第四階段（2016—2020年），完成新技術(shù)在1700℃級燃氣輪機上的應(yīng)用。截至目前，1700℃級燃氣輪機技術(shù)開發(fā)仍在進行，而1600℃級燃氣輪機已投入商業(yè)運行。

關(guān)鍵技術(shù)

日本的1700℃級燃氣輪機國家工程先期關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)包含六項，分別為：具有廢氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation，EGR）系統(tǒng)的低污染燃燒室、先進渦輪冷卻技術(shù)、超級耐熱材料、熱障涂層、高效高負(fù)荷渦輪技術(shù)、高壓高效壓氣機技術(shù)。

具有廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的低污染燃燒室

低污染燃燒室的開發(fā)是日本國家工程中的重點。隨著燃燒溫度的升高，NOx的排放呈指數(shù)增長。研究表明，采用傳統(tǒng)的貧油預(yù)混燃燒方式，1700℃級燃氣輪機NOx的排放是1500℃級燃氣輪機的兩倍?；谏鲜鲈?，日本國家工程開展了具有廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的低污染燃燒室的研究開發(fā)工作。廢氣再循環(huán)燃燒室的應(yīng)用始于內(nèi)燃機，在燃氣輪機上的應(yīng)用研究是近幾年才開展起來的?；静僮魇菍⑷細廨啓C排放的廢氣與空氣混合，作為混合氣經(jīng)壓氣機加壓后進入燃燒室參與燃燒。減少NOx排放的原理是在燃料燃燒放熱總量不變的情況下，降低最高燃燒溫度，與此同時，廢氣對空氣起到稀釋作用，降低了氧的濃度，從而使NOx的生成受到抑制。廢氣再循環(huán)的優(yōu)點是減少NOx的排放，但有可能會發(fā)生由于氧濃度降低而導(dǎo)致的燃燒不穩(wěn)定的情況。

廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的低污染燃燒室的發(fā)展目標(biāo)如表1所示。該燃燒室采用貧油預(yù)混燃燒和蒸汽冷卻的方式后，NOx排放不超過50×10-6，CO排放不超過10×10-6。

表1 廢氣再循環(huán)燃燒室的發(fā)展目標(biāo)

日本國家工程已開展的內(nèi)容包括：燃燒室EGR系統(tǒng)的有效性初步驗證；試驗器建設(shè)及三維數(shù)值模擬技術(shù)改進；燃燒室雙火焰燃燒和單火焰燃燒的兩種方案并行詳細設(shè)計。

燃燒室EGR系統(tǒng)有效性初步驗證的目的是證明概念可行。采用Chemkin軟件，GRI Mech 3.0（53個化學(xué)組分和325個基元反應(yīng)）化學(xué)動力學(xué)機理模型，分析了NOx排放濃度與燃燒室進口EGR濃度的變化特性關(guān)系。證實在燃燒室出口溫度1700℃的條件下，混合氣中廢氣占26.6%時NOx的排放較純空氣時減少了40%，EGR方案可明顯降低燃燒速率，提高燃燒均勻性，最高火焰燃燒溫度降低300℃。

燃燒室EGR系統(tǒng)試驗器的示意圖如圖1所示。上游燃燒室的廢氣與預(yù)熱空氣混合，經(jīng)過冷凝器冷卻形成混合氣進入試驗燃燒室，通過調(diào)節(jié)上游燃燒室廢氣和預(yù)熱空氣的比例來控制混合氣中廢氣的比例。燃燒室初步設(shè)計采用數(shù)值模擬技術(shù)，改進了數(shù)值分析方法。燃燒室的三維數(shù)值模擬采用大渦模擬方法（LES）替代了傳統(tǒng)的雷諾平均方法（RANS）。通過與試驗結(jié)果的比較，證實LES優(yōu)于傳統(tǒng)的RANS，使該方法得以固化。

圖1 燃燒室EGR系統(tǒng)試驗器示意圖

圖2 燃燒室概念圖

在燃燒室詳細設(shè)計階段，對雙火焰燃燒和單火焰燃燒兩種燃燒組織方式的燃燒室概念并行開展研究，如圖2所示。單火焰方案是在雙火焰方案燃燒室結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將外環(huán)旋流器和內(nèi)環(huán)旋流器的預(yù)混流路打通，消除了外環(huán)火焰。

試驗研究表明，雙火焰方案燃燒穩(wěn)定，但是外層火焰緊貼火焰筒壁面，導(dǎo)致火焰筒壁面溫度過高，冷卻困難，不能滿足火焰筒的高溫強度要求。圖3為燃燒室出口CO濃度的變化趨勢，隨著壓力的增大，CO濃度逐漸降低，雙火焰方案的CO濃度與目前在役燃燒室的幾乎一致，單火焰方案的CO排放濃度較雙火焰和目前在役燃燒室的要高，根據(jù)趨勢判斷，在燃燒室實際運行狀態(tài)下，單火焰方案的CO排放可以達到目標(biāo)。如圖4所示，在實際運行狀態(tài)壓力下，采用了廢氣再循環(huán)技術(shù)NOx的排放能夠達到目標(biāo)。

圖3 CO排放數(shù)據(jù)

圖4 NOx排放數(shù)據(jù)

先進渦輪冷卻技術(shù)

渦輪冷卻技術(shù)是現(xiàn)代燃氣輪機最關(guān)鍵的核心技術(shù)之一，其難點：一是渦輪葉片的熱負(fù)荷在不斷提高，而冷氣量卻極為有限；二是葉片表面冷卻空氣分配不合理導(dǎo)致熱斑形成，影響渦輪工作的可靠性和使用壽命。

日本國家工程建設(shè)了渦輪冷卻試驗器，如圖5所示。該試驗器用主流道空氣和二次氣流中的氮氣分別模擬真實情況下高溫燃氣和冷卻氣。冷卻孔附近的氧氣濃度隨氮氣的混合而改變，測量氧氣濃度即可對冷卻結(jié)構(gòu)的效果進行評價，基于上述原理采用壓力敏感漆技術(shù)定量評價冷卻效果。

圖5 渦輪冷卻試驗器示意圖

日本國家工程開展了葉片的葉頂開槽、葉片端壁和葉片前緣冷卻效果的試驗研究。在葉頂開槽處，對冷卻孔的位置分布進行了優(yōu)化，優(yōu)化后的冷卻效果有顯著提高。在葉片端壁處，葉片之間沿軸向設(shè)計了4排馬蹄形冷卻孔，對該處不同冷卻孔位置和數(shù)量狀態(tài)下的冷卻效果進行了試驗研究。上述對葉片端壁冷卻研究還要考慮到對葉片根部的冷卻，要求減少在該位置開孔以降低對葉片本身強度的影響。試驗表明，葉片端壁含冷卻孔時的冷卻效果較不含冷卻孔時的冷卻效果提高了40%。

超級耐熱材料

航空發(fā)動機已廣泛使用單晶渦輪葉片，但由于地面重型燃氣輪機的渦輪葉片尺寸比航空發(fā)動機的大很多，增加了單晶葉片的制造難度，因此地面燃氣輪機的渦輪葉片普遍采用鑄造和定向凝固鎳基合金。在1700℃級燃氣輪機國家工程中，三菱重工研究創(chuàng)新中心與日本國家材料研究所開展了單晶葉片材料MGA1700項目研究（簡稱項目），項目內(nèi)容主要包含MGA1700的材料設(shè)計和鑄造技術(shù)研究。

此前日本研制了三種渦輪葉片高溫合金，分別為MGA1400、MGA1400DS、MGA2400，其中MGA1400和MGA2400為傳統(tǒng)高溫合金，MGA1400DS為定向凝固高溫合金。新一代高溫合金MGA1700為單晶合金。由于單晶合金的γ′相體積分?jǐn)?shù)大且無晶界，相較于傳統(tǒng)合金和其他已成熟的高溫合金，MGA1700具有優(yōu)異的蠕變性能和熱疲勞性能，如圖6所示。MGA1700合金的成分中不含其他單晶合金所含有的稀有貴金屬錸，降低了材料成本。該項目還對MGA1700合金進行了較多的性能試驗，擴大的材料性能數(shù)據(jù)庫，為部件的強度研究提供了基礎(chǔ)。

大尺寸單晶渦輪鑄造技術(shù)為該項目中重要的一部分，開發(fā)了雜晶形成、晶體生長、黑斑形成、再結(jié)晶過程的數(shù)值仿真程序，指導(dǎo)了鑄造過程中模具構(gòu)型設(shè)計，開展了不同凝固速度和溫度梯度對鑄造性能影響的研究。新的鑄造工藝使大尺寸的單晶渦輪葉片均勻無缺陷，滿足多種高溫強度要求，如蠕變、熱疲勞和高溫抗氧化性。前期試制了重型燃氣輪機渦輪葉片，如圖7所示，無明顯的晶體缺陷和鑄造缺陷。截至目前，MGA1700材料研究仍在進行中，后續(xù)需要開展大量的優(yōu)化材料鑄造工藝工作和性能試驗。

熱障涂層

圖6 MGA1700合金的微觀組織和高溫強度性能

熱障涂層需具備高熱穩(wěn)定性和低導(dǎo)熱性。日本國家工程中設(shè)計涂層材料成分采用了基于電子結(jié)構(gòu)尺度的材料計算方法。經(jīng)試驗驗證，制備的涂層材料能抑制高溫環(huán)境下單斜相的形成，保證高溫穩(wěn)定性。實施過程中，熱障涂層制備的一個矛盾是涂層內(nèi)部的微孔問題，即微孔的存在，可有效降低熱導(dǎo)率，但過多的微孔會導(dǎo)致涂層在高溫和高流率燃氣的作用下磨損和開裂。因此，熱障涂層研究的核心問題之一就是優(yōu)化熱噴涂的工藝。

日本國家工程中設(shè)計了兩臺熱障涂層的試驗器：第一臺是激光熱循環(huán)試驗器，對涂層的抗熱疲勞性能進行了評估，同時測量了涂層加熱區(qū)的溫度，對涂層的導(dǎo)熱性進行了考察；第二臺是設(shè)計了高溫腐蝕試驗器，考察了渦輪葉片高溫高熱流率環(huán)境下腐蝕顆粒沖擊涂層表面的效果。經(jīng)過大量的試驗，材料成分設(shè)計和熱噴涂工藝得到優(yōu)化，涂層滿足可靠性和隔熱效果標(biāo)準(zhǔn)的要求。為便于在復(fù)雜的渦輪葉片表面噴涂，開發(fā)了精密的類似于機器人手臂的噴涂系統(tǒng)。

高效高負(fù)荷渦輪技術(shù)

燃燒室出口溫度的不斷提高，渦輪的氣動載荷系數(shù)也在變大，二次流損失同時也在變大。研究表明，1700℃級燃氣輪機渦輪的氣動載荷系數(shù)是1500℃級燃氣輪機的1.3倍。因此，該項關(guān)鍵技術(shù)的目標(biāo)是在載荷不斷提高的情況下提高渦輪葉片的效率，主要開展非對稱端壁結(jié)構(gòu)設(shè)計、燃燒室轉(zhuǎn)接段與一級導(dǎo)葉位置優(yōu)化研究。

圖7 大尺寸單晶渦輪葉片鑄造試制件

為減少二次流損失，日本國家工程中設(shè)計了新的非對稱端壁造型的渦輪葉片試驗件，如圖8所示。設(shè)計過程中利用CFD對端壁附近的流線進行有效優(yōu)化，跟未采用非對稱端壁造型的葉片相比，葉高5%～20%處總壓損失顯著降低。日本國家工程中建設(shè)了高轉(zhuǎn)速渦輪性能試驗器，并對試驗件進行了試驗，證實了CFD結(jié)果。

日本國家工程中優(yōu)化了燃燒室轉(zhuǎn)接段與一級導(dǎo)葉之間的流動，采用CFD和試驗手段對優(yōu)化后結(jié)構(gòu)進行了驗證，試驗方法是測量進出口的總壓和總溫，轉(zhuǎn)化成一級導(dǎo)葉的效率。通過改變導(dǎo)葉位置，提高了0.5%的級效率。

圖8 非對稱端壁造型的渦輪葉片試驗件

高壓高效壓氣機技術(shù)

為適應(yīng)1700℃級燃氣輪機的發(fā)展，更高壓比、更高性能的壓氣機技術(shù)需求迫切。日本國家工程設(shè)計了新的S形跨聲速壓氣機葉片，即葉頂前掠而葉根及中部后掠的形式，如圖9所示，并在三級高速壓氣機上部分負(fù)荷和起動條件下對壓氣機特性進行了研究。對全三維設(shè)計方法優(yōu)化的亞聲速葉片在四級高速試驗壓氣機上進行了試驗。

日本國家工程前期對跨聲速葉片性能進行了研究和驗證。相對于傳統(tǒng)方法設(shè)計的壓氣機葉片，效率提高約1.5%。

日本國家工程近期對局部負(fù)荷和起動條件下的壓氣機特性進行了研究。在不同的工作條件下，采用可調(diào)進口導(dǎo)葉（IGV）技術(shù)改善燃氣輪機變工況特性。低負(fù)荷運行過程中，可防止壓氣機發(fā)生喘振。部分負(fù)荷時，可提高聯(lián)合循環(huán)的總體熱效率。燃氣輪機起動時，IGV關(guān)閉，減少空氣流量，減少壓氣機的耗功從而有利于起動。

圖9 S形跨聲速壓氣機葉片

日本國家工程研究了在設(shè)計轉(zhuǎn)速下氣動穩(wěn)定性，當(dāng)進口流量減少47%時，未出現(xiàn)氣動和結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)。測量了IGV關(guān)閉時非定常壓力，結(jié)果顯示幅值始終低于限制值，表明該壓氣機擁有足夠的穩(wěn)定裕度。60%轉(zhuǎn)速IGV關(guān)閉情況下，第一級葉片總壓升突然降低，出現(xiàn)壓氣機氣動失穩(wěn)現(xiàn)象。利用CFD計算了第一級葉片的相對馬赫數(shù)分布，葉片壓力面出現(xiàn)流動分離，導(dǎo)致流阻變大，切向速度降低，出口總壓減小。

壓氣機的中間級和后面級也需滿足部分負(fù)荷和起動條件下的特性要求。部分負(fù)荷下，通過改變IGV角度進而調(diào)整壓氣機中間級和后面級的流量和氣流溫度，壓氣機壓比較前期設(shè)計狀態(tài)下增大。起動條件下， IGV有助于壓氣機的運行穩(wěn)定。

亞聲速葉片采用全三維設(shè)計方法，針對壓氣機葉片的展向葉片稠度和前緣掠造型進行了優(yōu)化。為驗證該設(shè)計方法的有效性，進行了CFD和試驗驗證。驗證結(jié)果顯示經(jīng)過全三維設(shè)計的亞聲速壓氣機在設(shè)計轉(zhuǎn)速下壓比和效率較前期的效率提高1%以上。由于葉片彎掠的作用，使葉片端壁的總壓增大并抑制了附面層增長。

技術(shù)成果轉(zhuǎn)化

與1700℃級燃氣輪機國家工程同步進行的是1600℃級燃氣輪機M501J的型號研制。M501J的渦輪進口溫度1600℃，聯(lián)合循環(huán)熱效率達61.5%。研制過程中，在繼承了1500℃級燃氣輪機技術(shù)的基礎(chǔ)上，還大量采用了已經(jīng)過驗證的最新的1700℃級燃氣輪機技術(shù)，如圖10所示。

圖10 1600℃級燃氣輪機的設(shè)計概念

新的技術(shù)包含先進渦輪冷卻技術(shù)、熱障涂層、高壓高負(fù)荷渦輪技術(shù)，這些技術(shù)主要應(yīng)用于燃氣輪機的渦輪部件。應(yīng)用之前，已開展了在關(guān)鍵技術(shù)研究基礎(chǔ)上的技術(shù)成熟度提升工作：其一，優(yōu)化后的氣膜冷卻孔結(jié)構(gòu)進行了換熱試驗，試驗測量了氣膜冷卻效率和換熱系數(shù)等，冷卻結(jié)構(gòu)效用得到確認(rèn)；其二，對具有新的非對稱端壁結(jié)構(gòu)的渦輪葉片的溫度和壓力分布進行了測量，確保金屬最高溫度低于許用溫度；其三，熱障涂層制備技術(shù)、噴涂工藝進一步優(yōu)化，開發(fā)了自動化設(shè)備，進行了涂層的耐久性試驗。

建議

燃氣輪機具有能源利用的高效性、運行的穩(wěn)定性、使用的靈活性、對資源環(huán)境的友好性等諸多優(yōu)點，是主要的發(fā)電形式之一。燃氣輪機研發(fā)難度大、投資多，在燃氣輪機形成產(chǎn)業(yè)的過程中，需要國家投入大量資金支持。美國、西歐、日本等國家和地區(qū)都制訂了扶持燃氣輪機的產(chǎn)業(yè)政策和發(fā)展計劃。日本從20世紀(jì)60年代開始發(fā)展燃氣輪機，從最初引進、消化和吸收美國西屋公司技術(shù)到自主開發(fā)，將1500℃級的G級和1600℃級的J級燃氣輪機先于對手推向市場。我國燃氣輪機發(fā)展過程是仿制蘇聯(lián)、技術(shù)引進和自主研發(fā)，道路與美國和西歐的不同，但與日本的相似。因此，借鑒日本最新的燃氣輪機技術(shù)發(fā)展經(jīng)驗，提出了當(dāng)前我國發(fā)展燃氣輪機關(guān)鍵技術(shù)的幾點研究建議。

一是采用先進循環(huán)，提高燃氣輪機發(fā)電效率。燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)，發(fā)電效率目標(biāo)62%；熱電冷多聯(lián)供系統(tǒng)，能源利用率達75%。基于我國現(xiàn)狀，研究采用燃氣輪機的煤氣化聯(lián)合循環(huán)較為合理。

二是改進燃燒室設(shè)計，擴展低污染燃燒室研究思路。采用分級燃燒實現(xiàn)燃燒溫度基本恒定；采用變幾何燃燒室，通過控制油氣比保持最優(yōu)火焰溫度；采用貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室設(shè)計降低污染；采用近零排放的富氫燃料/氫燃料燃燒室設(shè)計。

三是提高部件可靠性，延長燃氣輪機壽命。改進燃燒室和渦輪葉片的冷卻技術(shù)；研制能耐更高溫度的高溫材料（單晶合金和高溫陶瓷材料）；研制低導(dǎo)熱、耐沖刷、耐腐蝕的熱障涂層。

四是注重技術(shù)成熟度提升，促進科研成果的轉(zhuǎn)化和應(yīng)用。建立健全技術(shù)工作體系和機制，完善科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化的管理機制。