孔祥林 田曉晶 程國強,3 黎汝堅

1.長壽命高溫材料國家重點實驗室 2.中國東方電氣集團有限公司東方汽輪機有限公司 3.西安交通大學

0 引言

燃氣輪機具有結構緊湊、功率密度大、啟停靈活、清潔高效、燃料適用范圍寬等優(yōu)點，是航空、艦船和能源領域的核心設備，具有極高的軍事價值和經濟價值。按照功率等級來劃分，可以分為功率超過100 MW的大型燃氣輪機、功率介于0.3～100 MW的中小型燃氣輪機以及功率在0.3 MW以下的微型燃氣輪機；其中，中小型燃氣輪機有著非常廣泛的應用場景，包括發(fā)電（分布式能源、燃氣—蒸汽聯合循環(huán)、電網調峰、備用電源及應急機組、移動車載發(fā)電系統(tǒng)、海洋平臺發(fā)電等）和驅動（天然氣管網增壓、機械設備、艦船等）等領域。按照結構設計特點來劃分，可以分為重型燃氣輪機、輕型燃氣輪機（航空發(fā)動機或航改燃氣輪機），其中重型燃氣輪機不過分追求尺寸和重量，追求高效率、長期可靠運行，而輕型燃氣輪機則對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氣輪機分為不同的級別，目前廣泛使用的是E級、F級和H/J級，其中H/J級代表著重型燃氣輪機當前全球的最高水平。由于燃氣輪機研制涉及氣動、傳熱、燃燒、結構、強度、材料、控制、精密制造等技術的極限，因而被譽為裝備制造業(yè)“皇冠上的明珠”，是一個國家綜合國力的體現，也是關乎國家安全和國民經濟發(fā)展的“國之重器”。

21世紀初，國內“三大動力”（中國東方電氣集團有限公司、上海電氣集團股份有限公司和哈爾濱電氣集團有限公司）分別與日本三菱、德國西門子和美國通用電氣（GE）等國外燃氣輪機公司合作，通過以市場換技術的形式引進F級大型燃氣輪機。經過多年的發(fā)展，目前東方電氣大型燃氣輪機國產化率已達79%。然而國外企業(yè)向我國轉讓的燃氣輪機技術大多數都局限在冷端部件制造和整機裝配等低附加值部分，而對于燃氣輪機設計、熱部件制造、控制系統(tǒng)等核心技術則嚴密封鎖，致使國內燃氣輪機制造產業(yè)利潤偏低、燃氣輪機用戶設備投資和運維費用高昂，嚴重制約了我國燃氣輪機產業(yè)及天然氣發(fā)電產業(yè)的健康發(fā)展。因此，燃氣輪機自主研制勢在必行。

中國東方電氣集團有限公司東方汽輪機有限公司（以下簡稱東汽）從2009年開始自主研制F級50 MW重型燃氣輪機(以下簡稱G50)。經過10余年的研發(fā)，攻克了一系列的關鍵核心技術難關，建立了完整的設計、制造、試驗體系，搭建了國內先進的燃氣輪機部件和整機測試平臺；2020年11月底，東汽成功完成了G50滿負荷穩(wěn)定試驗運行。這既為填補我國燃氣輪機技術體系空白、培育自主燃氣輪機產業(yè)奠定了堅實基礎，同時也為天然氣發(fā)電產業(yè)的發(fā)展提供了有力的保障。

1 設計思路與研制歷程

燃氣輪機的設計選型需要綜合考慮研發(fā)成本、技術基礎、市場需求等多個方面的因素，因而G50在選型的時候，定位于F級（透平入口溫度在1 300℃以上）燃氣輪機。這就意味著機組需要具有較高的參數水平，同時也為高溫部件研制的突破提供了一個良好的載體。功率等級的選取主要考慮到50 MW在分布式發(fā)電市場的需求量大，并且研發(fā)成本適中。此外，此功率等級向上可以?；糯蟪蔀橹髁鞯腇級大型燃氣輪機，向下可以?；蔀橹行⌒腿細廨啓C，具有良好的可拓展性。

東汽G50項目自2009年啟動后，經過10余年的研發(fā)，攻克了一系列的關鍵核心技術難關。其研制歷程主要如下：

2011年，壓氣機的詳細氣動設計。

2012年，壓氣機試驗件結構設計及燃燒器詳細結構設計。

2013年，燃燒器試驗臺設計。

2014年，壓氣機后半段性能試驗；透平氣動、二次空氣系統(tǒng)、空心葉片冷卻設計和結構設計。

2015年，壓氣機前半段性能試驗；透平葉柵吹風試驗。

2017年，燃燒器實壓試驗臺建設；透平葉片中溫冷效試驗臺建設和試驗。

2018年，燃燒器實壓試驗、全段壓氣機性能試驗。

2019年，原型機機組的生產制造及總裝、廠內全速空負荷試車。

2020年9月，機組首次運行至全速滿負荷。

2 G50機組特點與關鍵研制環(huán)節(jié)

2.1 技術指標

G50以天然氣為燃料，冷端驅動，主要應用于分布式發(fā)電領域。該機組的主要技術指標如表1所示，與國際上同等級成熟商業(yè)機組的性能參數水平基本相當。

2.2 結構特點

50 MW燃氣輪機原型機采用側向進氣、單軸、單缸布置方式，如圖1所示。機組采用中分面剖分結構以便于進行檢修和保養(yǎng)。

表1 G50燃氣輪機與國外同等級成熟商業(yè)機組的技術指標對比表

圖1 50 MW燃氣輪機原型機三維模型

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

機組采用周向拉桿轉子，具有良好的轉子動力學特性[1]。整機共有2個主支撐和1個輔助支撐，其中2個主支撐分別位于進氣缸和透平缸，而輔助支撐則位于排氣擴壓缸。

2.3 關鍵部件的設計、試驗及制造

2.3.1 壓氣機設計及試驗

壓氣機的研制離不開試驗驗證，根據G50壓氣機的試驗需求，東汽建設了壓氣機試驗平臺。該平臺由拖動系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、進排抽氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)以及數據采集系統(tǒng)等構成。拖動功率為25 MW，運行轉速介于0～13 200 r/min，具備壓氣機單級、多級試驗以及整級性能試驗的能力。

東汽先后完成了3個壓氣機分段試驗件（前半段、后半段、整段）方案設計，包括氣動、結構、強度、測量方案等，進行試驗件的制造、總裝，并最終成功地開展了三段試驗，獲取了完整的壓氣機特性數據[2]。壓氣機試驗臺及實物如圖2所示。

圖2 國內首臺高壓比大流量的壓氣機試驗臺（a）及試驗件實物（b）照片

2.3.2 燃燒器設計及試驗

G50燃燒器采用干式低污染設計理念。燃燒器置于壓氣機缸外側，8個火焰筒沿周向均布，其中心線與燃氣輪機軸線成30°角。主要結構包括旋流器、燃料噴嘴、火焰筒內筒、尾筒、沖擊冷卻套筒等，如圖3所示?？諝庥蓴U壓器進入到燃燒器缸體，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，隨后經由旋流器和摻混孔進入內筒。每個燃燒器頭部都配置一個點火器用于獨立點火，并設置火焰檢測裝置。

圖3 G50燃燒器結構示意圖

為了獲取準確的燃燒特性，東汽在廠內搭建了國內首個F級燃燒器試驗臺。該試驗系統(tǒng)按照環(huán)管型燃燒器全尺寸性能試驗要求進行設計，由空氣系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、儀用空氣系統(tǒng)和測量控制系統(tǒng)等組成，如圖4所示?；谠撎自囼炏到y(tǒng)，完成了50 MW燃燒器性能測試，獲得了點火/吹熄邊界、各工況下的壁溫分布特性、出口溫度質量、燃燒效率和污染物排放等指標[3-4]。

圖4 G50燃燒器試驗系統(tǒng)實物照片

2.3.3 透平設計及試驗

G50透平主要基于高精度通流、先進葉型、高效冷卻的設計思路進行設計。在設計過程中，經過嚴格的計算分析以及試驗驗證，其中冷卻特性是重點關注的環(huán)節(jié)。

為了測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。中溫中壓試驗根據相似原理，測量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，以間接驗證透平葉片的傳熱冷卻設計是否合理，并為其傳熱冷卻的設計和優(yōu)化提供基礎試驗數據[5-6]，試驗系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 G50透平中溫中壓冷卻性能試驗系統(tǒng)圖

2.3.4 高溫部件制造

燃氣輪機制造技術的難點主要包括燃燒器、透平葉片熱端部件的制造和噴涂技術，其成敗關系到能否最終實現燃氣輪機研制的自主化。

燃燒器結構緊湊精密、設計型線變化劇烈、材料復雜、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)。東汽通過綜合數值模擬、理論計算、試驗驗證、反向優(yōu)化等多種手段，開展燃燒器制造工藝研究。經過大量的工藝試驗，先后攻克了高溫鎳基合金材料薄壁成形、焊接、變形控制等技術難點，建立了工藝參數文檔、過程控制、工藝文件，固化了工藝流程和檢測標準，成品率顯著提升，已經具備了批量生產的能力。成品前、后的對比如圖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）實物照片

G50燃氣輪機高溫透平葉片采用等軸晶精密鑄造技術。發(fā)達國家把燃氣輪機的透平葉片制造作為高附加值的核心技術，對我國實施技術封鎖，當前國內生產和運行的所有重型燃氣輪機透平葉片完全依賴進口。東汽于2009年承擔了國家能源局大型清潔高效能源技術研究中心“高溫部件實驗室”的建設工作，目前已經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，引進了一批先進的設備和儀器，包括壓蠟機、壓芯機、自動制殼線、真空定向凝固爐、藍光三維掃描測量儀、陶瓷型芯燒結爐、X射線數字探傷儀等。

2015年10月，東汽獲批建設長壽命高溫材料國家重點實驗室。這也是我國在該領域唯一的國家級重點實驗室，高溫合金透平葉片精確成形正是該實驗室的主要研究方向之一[7]。目前東汽已經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的能力，圖7為G50透平葉片的實物照片。

燃燒器和透平持續(xù)處于高溫氧化環(huán)境中，需對其表面噴涂熱障涂層加以保護，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據庫，形成了具有自主知識產權的噴涂工藝體系，編制了G50高溫部件熱障涂層的制備、檢測、質量控制的相關技術規(guī)范。圖8為G50高溫部件噴涂涂層后的工程樣件。

2.3.5 整機試驗驗證

圖7 批量生產的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物照片

在燃氣輪機研發(fā)過程中，整機運行試驗是必不可少的環(huán)節(jié)，也是產品商業(yè)化的關鍵前提。東汽從2016年開工建設國內最大功率的燃氣輪機整機滿負荷試驗平臺。該試驗平臺采用壓氣機作為耗功裝置，動力驅動采用電機+液力變矩器+齒輪箱的方式，配置及實物如圖9所示。G50試驗樣機上共布置了約3 000個測量元件，包含熱電偶、示溫漆、應變片、光學探頭、間隙測量探頭、加速度傳感器、壓力傳感器等多種測量設備，可以對機組進行全面、高標準的試驗驗證。2020年9月22日，G50燃氣輪機首次運行至滿負荷。這是國內具有自主知識產權的F級燃氣輪機首次實現滿負荷運行，壓氣機、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，各項指標均達到了設計要求。

G50整機滿負荷試驗的成功標志著東汽完整地具備了重型燃氣輪機的設計、制造、試驗全過程研制能力，推動了我國燃氣輪機產業(yè)的跨越式發(fā)展。

3 總結及展望

本文介紹了G50的研制歷程、技術特點、關鍵設計制造試驗技術。經過10余年的研制，東汽成功完成了國內首臺F級50 MW重型燃氣輪機的自主研制，填補了F級重型燃氣輪機方面的技術空白，為我國天然氣工業(yè)的發(fā)展提供了有力的保障。

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

1）不斷升級優(yōu)化G50，提高其參數水平和市場競爭力。

2）以G50為母型機，開發(fā)10～50 MW等級的系列化產品。

圖9 G50整機試驗平臺模型（a）及實景（b）照片

3）拓寬機組燃料適應范圍，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“綠色動力、驅動未來”的宗旨，始終堅守高端裝備制造業(yè)的初心，為保障國家能源安全、優(yōu)化能源消費結構做出貢獻。