中國(guó)首臺(tái)F級(jí)50 MW重型燃?xì)廨啓C(jī)的自主研制

孔祥林 田曉晶 程國(guó)強(qiáng),3 黎汝堅(jiān)

1.長(zhǎng)壽命高溫材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2.中國(guó)東方電氣集團(tuán)有限公司東方汽輪機(jī)有限公司 3.西安交通大學(xué)

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度大、啟停靈活、清潔高效、燃料適用范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，是航空、艦船和能源領(lǐng)域的核心設(shè)備，具有極高的軍事價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。按照功率等級(jí)來劃分，可以分為功率超過100 MW的大型燃?xì)廨啓C(jī)、功率介于0.3～100 MW的中小型燃?xì)廨啓C(jī)以及功率在0.3 MW以下的微型燃?xì)廨啓C(jī)；其中，中小型燃?xì)廨啓C(jī)有著非常廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，包括發(fā)電（分布式能源、燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)、電網(wǎng)調(diào)峰、備用電源及應(yīng)急機(jī)組、移動(dòng)車載發(fā)電系統(tǒng)、海洋平臺(tái)發(fā)電等）和驅(qū)動(dòng)（天然氣管網(wǎng)增壓、機(jī)械設(shè)備、艦船等）等領(lǐng)域。按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)來劃分，可以分為重型燃?xì)廨啓C(jī)、輕型燃?xì)廨啓C(jī)（航空發(fā)動(dòng)機(jī)或航改燃?xì)廨啓C(jī)），其中重型燃?xì)廨啓C(jī)不過分追求尺寸和重量，追求高效率、長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，而輕型燃?xì)廨啓C(jī)則對(duì)尺寸和重量有著明確的限制，追求高推重比。按照透平前溫度又可以將重型燃?xì)廨啓C(jī)分為不同的級(jí)別，目前廣泛使用的是E級(jí)、F級(jí)和H/J級(jí)，其中H/J級(jí)代表著重型燃?xì)廨啓C(jī)當(dāng)前全球的最高水平。由于燃?xì)廨啓C(jī)研制涉及氣動(dòng)、傳熱、燃燒、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、材料、控制、精密制造等技術(shù)的極限，因而被譽(yù)為裝備制造業(yè)“皇冠上的明珠”，是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的體現(xiàn)，也是關(guān)乎國(guó)家安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“國(guó)之重器”。

21世紀(jì)初，國(guó)內(nèi)“三大動(dòng)力”（中國(guó)東方電氣集團(tuán)有限公司、上海電氣集團(tuán)股份有限公司和哈爾濱電氣集團(tuán)有限公司）分別與日本三菱、德國(guó)西門子和美國(guó)通用電氣（GE）等國(guó)外燃?xì)廨啓C(jī)公司合作，通過以市場(chǎng)換技術(shù)的形式引進(jìn)F級(jí)大型燃?xì)廨啓C(jī)。經(jīng)過多年的發(fā)展，目前東方電氣大型燃?xì)廨啓C(jī)國(guó)產(chǎn)化率已達(dá)79%。然而國(guó)外企業(yè)向我國(guó)轉(zhuǎn)讓的燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)大多數(shù)都局限在冷端部件制造和整機(jī)裝配等低附加值部分，而對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)、熱部件制造、控制系統(tǒng)等核心技術(shù)則嚴(yán)密封鎖，致使國(guó)內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)制造產(chǎn)業(yè)利潤(rùn)偏低、燃?xì)廨啓C(jī)用戶設(shè)備投資和運(yùn)維費(fèi)用高昂，嚴(yán)重制約了我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)及天然氣發(fā)電產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。因此，燃?xì)廨啓C(jī)自主研制勢(shì)在必行。

中國(guó)東方電氣集團(tuán)有限公司東方汽輪機(jī)有限公司（以下簡(jiǎn)稱東汽）從2009年開始自主研制F級(jí)50 MW重型燃?xì)廨啓C(jī)(以下簡(jiǎn)稱G50)。經(jīng)過10余年的研發(fā)，攻克了一系列的關(guān)鍵核心技術(shù)難關(guān)，建立了完整的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)體系，搭建了國(guó)內(nèi)先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)部件和整機(jī)測(cè)試平臺(tái)；2020年11月底，東汽成功完成了G50滿負(fù)荷穩(wěn)定試驗(yàn)運(yùn)行。這既為填補(bǔ)我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)體系空白、培育自主燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，同時(shí)也為天然氣發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了有力的保障。

1 設(shè)計(jì)思路與研制歷程

燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)選型需要綜合考慮研發(fā)成本、技術(shù)基礎(chǔ)、市場(chǎng)需求等多個(gè)方面的因素，因而G50在選型的時(shí)候，定位于F級(jí)（透平入口溫度在1 300℃以上）燃?xì)廨啓C(jī)。這就意味著機(jī)組需要具有較高的參數(shù)水平，同時(shí)也為高溫部件研制的突破提供了一個(gè)良好的載體。功率等級(jí)的選取主要考慮到50 MW在分布式發(fā)電市場(chǎng)的需求量大，并且研發(fā)成本適中。此外，此功率等級(jí)向上可以?；糯蟪蔀橹髁鞯腇級(jí)大型燃?xì)廨啓C(jī)，向下可以?；蔀橹行⌒腿?xì)廨啓C(jī)，具有良好的可拓展性。

東汽G50項(xiàng)目自2009年啟動(dòng)后，經(jīng)過10余年的研發(fā)，攻克了一系列的關(guān)鍵核心技術(shù)難關(guān)。其研制歷程主要如下：

2011年，壓氣機(jī)的詳細(xì)氣動(dòng)設(shè)計(jì)。

2012年，壓氣機(jī)試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及燃燒器詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2013年，燃燒器試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)。

2014年，壓氣機(jī)后半段性能試驗(yàn)；透平氣動(dòng)、二次空氣系統(tǒng)、空心葉片冷卻設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2015年，壓氣機(jī)前半段性能試驗(yàn)；透平葉柵吹風(fēng)試驗(yàn)。

2017年，燃燒器實(shí)壓試驗(yàn)臺(tái)建設(shè)；透平葉片中溫冷效試驗(yàn)臺(tái)建設(shè)和試驗(yàn)。

2018年，燃燒器實(shí)壓試驗(yàn)、全段壓氣機(jī)性能試驗(yàn)。

2019年，原型機(jī)機(jī)組的生產(chǎn)制造及總裝、廠內(nèi)全速空負(fù)荷試車。

2020年9月，機(jī)組首次運(yùn)行至全速滿負(fù)荷。

2 G50機(jī)組特點(diǎn)與關(guān)鍵研制環(huán)節(jié)

2.1 技術(shù)指標(biāo)

G50以天然氣為燃料，冷端驅(qū)動(dòng)，主要應(yīng)用于分布式發(fā)電領(lǐng)域。該機(jī)組的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示，與國(guó)際上同等級(jí)成熟商業(yè)機(jī)組的性能參數(shù)水平基本相當(dāng)。

2.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

50 MW燃?xì)廨啓C(jī)原型機(jī)采用側(cè)向進(jìn)氣、單軸、單缸布置方式，如圖1所示。機(jī)組采用中分面剖分結(jié)構(gòu)以便于進(jìn)行檢修和保養(yǎng)。

表1 G50燃?xì)廨啓C(jī)與國(guó)外同等級(jí)成熟商業(yè)機(jī)組的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比表

圖1 50 MW燃?xì)廨啓C(jī)原型機(jī)三維模型

壓氣機(jī)由17級(jí)葉片組成，其中含3級(jí)可調(diào)葉片，葉片采用高強(qiáng)度不銹鋼材料。燃燒器采用高溫鎳基合金板材。透平葉片共4級(jí)，采用等軸晶鑄造技術(shù)，通過高效冷卻確保在高溫、高壓下能夠滿足性能、強(qiáng)度和壽命的要求。

機(jī)組采用周向拉桿轉(zhuǎn)子，具有良好的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性[1]。整機(jī)共有2個(gè)主支撐和1個(gè)輔助支撐，其中2個(gè)主支撐分別位于進(jìn)氣缸和透平缸，而輔助支撐則位于排氣擴(kuò)壓缸。

2.3 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)及制造

2.3.1 壓氣機(jī)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

壓氣機(jī)的研制離不開試驗(yàn)驗(yàn)證，根據(jù)G50壓氣機(jī)的試驗(yàn)需求，東汽建設(shè)了壓氣機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)由拖動(dòng)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、進(jìn)排抽氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等構(gòu)成。拖動(dòng)功率為25 MW，運(yùn)行轉(zhuǎn)速介于0～13 200 r/min，具備壓氣機(jī)單級(jí)、多級(jí)試驗(yàn)以及整級(jí)性能試驗(yàn)的能力。

東汽先后完成了3個(gè)壓氣機(jī)分段試驗(yàn)件（前半段、后半段、整段）方案設(shè)計(jì)，包括氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、測(cè)量方案等，進(jìn)行試驗(yàn)件的制造、總裝，并最終成功地開展了三段試驗(yàn)，獲取了完整的壓氣機(jī)特性數(shù)據(jù)[2]。壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)及實(shí)物如圖2所示。

圖2 國(guó)內(nèi)首臺(tái)高壓比大流量的壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)（a）及試驗(yàn)件實(shí)物（b）照片

2.3.2 燃燒器設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

G50燃燒器采用干式低污染設(shè)計(jì)理念。燃燒器置于壓氣機(jī)缸外側(cè)，8個(gè)火焰筒沿周向均布，其中心線與燃?xì)廨啓C(jī)軸線成30°角。主要結(jié)構(gòu)包括旋流器、燃料噴嘴、火焰筒內(nèi)筒、尾筒、沖擊冷卻套筒等，如圖3所示。空氣由擴(kuò)壓器進(jìn)入到燃燒器缸體，通過沖擊冷卻套筒上的小孔形成射流。冷卻空氣沖擊火焰筒防止壁面溫度過高，隨后經(jīng)由旋流器和摻混孔進(jìn)入內(nèi)筒。每個(gè)燃燒器頭部都配置一個(gè)點(diǎn)火器用于獨(dú)立點(diǎn)火，并設(shè)置火焰檢測(cè)裝置。

圖3 G50燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖

為了獲取準(zhǔn)確的燃燒特性，東汽在廠內(nèi)搭建了國(guó)內(nèi)首個(gè)F級(jí)燃燒器試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)系統(tǒng)按照環(huán)管型燃燒器全尺寸性能試驗(yàn)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，由空氣系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、儀用空氣系統(tǒng)和測(cè)量控制系統(tǒng)等組成，如圖4所示?；谠撎自囼?yàn)系統(tǒng)，完成了50 MW燃燒器性能測(cè)試，獲得了點(diǎn)火/吹熄邊界、各工況下的壁溫分布特性、出口溫度質(zhì)量、燃燒效率和污染物排放等指標(biāo)[3-4]。

圖4 G50燃燒器試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物照片

2.3.3 透平設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

G50透平主要基于高精度通流、先進(jìn)葉型、高效冷卻的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)過嚴(yán)格的計(jì)算分析以及試驗(yàn)驗(yàn)證，其中冷卻特性是重點(diǎn)關(guān)注的環(huán)節(jié)。

為了測(cè)試高溫透平葉片的冷卻特性，東汽開展了透平葉片中溫中壓性能試驗(yàn)。中溫中壓試驗(yàn)根據(jù)相似原理，測(cè)量G50透平葉柵在特定工況下的葉柵表面壓力分布和平均冷卻效率，以間接驗(yàn)證透平葉片的傳熱冷卻設(shè)計(jì)是否合理，并為其傳熱冷卻的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)[5-6]，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 G50透平中溫中壓冷卻性能試驗(yàn)系統(tǒng)圖

2.3.4 高溫部件制造

燃?xì)廨啓C(jī)制造技術(shù)的難點(diǎn)主要包括燃燒器、透平葉片熱端部件的制造和噴涂技術(shù)，其成敗關(guān)系到能否最終實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)研制的自主化。

燃燒器結(jié)構(gòu)緊湊精密、設(shè)計(jì)型線變化劇烈、材料復(fù)雜、精度要求高，其制造幾乎涉及成形、焊接、加工、熱處理、噴涂等全部冷熱加工專業(yè)。東汽通過綜合數(shù)值模擬、理論計(jì)算、試驗(yàn)驗(yàn)證、反向優(yōu)化等多種手段，開展燃燒器制造工藝研究。經(jīng)過大量的工藝試驗(yàn)，先后攻克了高溫鎳基合金材料薄壁成形、焊接、變形控制等技術(shù)難點(diǎn)，建立了工藝參數(shù)文檔、過程控制、工藝文件，固化了工藝流程和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，成品率顯著提升，已經(jīng)具備了批量生產(chǎn)的能力。成品前、后的對(duì)比如圖6所示。

圖6 G50燃燒器試制過程的裂紋缺陷品（a）和燃燒器成品（b）實(shí)物照片

G50燃?xì)廨啓C(jī)高溫透平葉片采用等軸晶精密鑄造技術(shù)。發(fā)達(dá)國(guó)家把燃?xì)廨啓C(jī)的透平葉片制造作為高附加值的核心技術(shù)，對(duì)我國(guó)實(shí)施技術(shù)封鎖，當(dāng)前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)和運(yùn)行的所有重型燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片完全依賴進(jìn)口。東汽于2009年承擔(dān)了國(guó)家能源局大型清潔高效能源技術(shù)研究中心“高溫部件實(shí)驗(yàn)室”的建設(shè)工作，目前已經(jīng)基本建成了一條完整的高溫部件精密鑄造中試線。在精密鑄造各工序中，引進(jìn)了一批先進(jìn)的設(shè)備和儀器，包括壓蠟機(jī)、壓芯機(jī)、自動(dòng)制殼線、真空定向凝固爐、藍(lán)光三維掃描測(cè)量?jī)x、陶瓷型芯燒結(jié)爐、X射線數(shù)字探傷儀等。

2015年10月，東汽獲批建設(shè)長(zhǎng)壽命高溫材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。這也是我國(guó)在該領(lǐng)域唯一的國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，高溫合金透平葉片精確成形正是該實(shí)驗(yàn)室的主要研究方向之一[7]。目前東汽已經(jīng)形成了透平葉片精密鑄造的成熟工藝流程及規(guī)范，初步具備了批量化生產(chǎn)的能力，圖7為G50透平葉片的實(shí)物照片。

燃燒器和透平持續(xù)處于高溫氧化環(huán)境中，需對(duì)其表面噴涂熱障涂層加以保護(hù)，以提高其使用壽命。東汽系統(tǒng)地建立了涂層材料、工藝及服役性能的數(shù)據(jù)庫(kù)，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的噴涂工藝體系，編制了G50高溫部件熱障涂層的制備、檢測(cè)、質(zhì)量控制的相關(guān)技術(shù)規(guī)范。圖8為G50高溫部件噴涂涂層后的工程樣件。

2.3.5 整機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

圖7 批量生產(chǎn)的G50透平葉片毛坯照片

圖8 G50高溫部件噴涂涂層后的工程樣件實(shí)物照片

在燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)過程中，整機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)是必不可少的環(huán)節(jié)，也是產(chǎn)品商業(yè)化的關(guān)鍵前提。東汽從2016年開工建設(shè)國(guó)內(nèi)最大功率的燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)滿負(fù)荷試驗(yàn)平臺(tái)。該試驗(yàn)平臺(tái)采用壓氣機(jī)作為耗功裝置，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)采用電機(jī)+液力變矩器+齒輪箱的方式，配置及實(shí)物如圖9所示。G50試驗(yàn)樣機(jī)上共布置了約3 000個(gè)測(cè)量元件，包含熱電偶、示溫漆、應(yīng)變片、光學(xué)探頭、間隙測(cè)量探頭、加速度傳感器、壓力傳感器等多種測(cè)量設(shè)備，可以對(duì)機(jī)組進(jìn)行全面、高標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)驗(yàn)證。2020年9月22日，G50燃?xì)廨啓C(jī)首次運(yùn)行至滿負(fù)荷。這是國(guó)內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)首次實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷運(yùn)行，壓氣機(jī)、燃燒器、透平三大核心部件匹配性能良好，高溫部件被有效冷卻，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

G50整機(jī)滿負(fù)荷試驗(yàn)的成功標(biāo)志著東汽完整地具備了重型燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)全過程研制能力，推動(dòng)了我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展。

3 總結(jié)及展望

本文介紹了G50的研制歷程、技術(shù)特點(diǎn)、關(guān)鍵設(shè)計(jì)制造試驗(yàn)技術(shù)。經(jīng)過10余年的研制，東汽成功完成了國(guó)內(nèi)首臺(tái)F級(jí)50 MW重型燃?xì)廨啓C(jī)的自主研制，填補(bǔ)了F級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)方面的技術(shù)空白，為我國(guó)天然氣工業(yè)的發(fā)展提供了有力的保障。

東汽將以G50作為母型機(jī)，衍生出更多的系列化機(jī)型，以滿足不同功率等級(jí)及用途的需求。下一步的研制計(jì)劃將圍繞以下3個(gè)方面開展：

1）不斷升級(jí)優(yōu)化G50，提高其參數(shù)水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2）以G50為母型機(jī)，開發(fā)10～50 MW等級(jí)的系列化產(chǎn)品。

圖9 G50整機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)模型（a）及實(shí)景（b）照片

3）拓寬機(jī)組燃料適應(yīng)范圍，使用中低熱值合成氣和摻氫燃料等。

“十四五”期間，東汽將繼續(xù)秉承“綠色動(dòng)力、驅(qū)動(dòng)未來”的宗旨，始終堅(jiān)守高端裝備制造業(yè)的初心，為保障國(guó)家能源安全、優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)做出貢獻(xiàn)。