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范运杰

中国自主的重型燃气发动机技术从何而来?

    中国自主的重型燃气发动机技术从何而来?

    [沈阳,温家宝/观察员网络专栏作家]

    据英国《每日科学技术报》12月26日报道,12月25日,我国首台国产300MW F级重型燃气轮机定子叶片铸件顺利通过鉴定。这一进展被称为我国重型燃气轮机核心部件热端技术的首次重大突破,也是国家重大科技项目“航空发动机与燃气轮机”的最重要里程碑性成果。

    为了理解所谓“重型燃气轮机第一级定子铸件”的意义,有必要了解该产品在燃气轮机中的地位。普通燃气轮机在总体结构上与涡扇喷气发动机相似。由压缩机、燃烧室和涡轮组成的核心发动机是关键设备。其中,火焰筒、燃气轮机、导轨、喷嘴等热气流中的热端部件是关键。

    燃烧室右侧的红气部分需要热端部分。

    其中,燃气轮机的主要功能是将燃烧室内高温高压气体的能量转化为机械功。其中一部分在冷端驱动压缩机压缩空气以保持燃气轮机的连续运行,另一部分作为燃气轮机的输出功率驱动发电机或其他设备。

    本工程制造的“燃气轮机第一级定子叶片”是燃气轮机的组成部分,是燃气轮机内高温高压气流的第一次接触。定子叶片在此过程中的重要作用是进一步扩大和加速气流,同时降低气体的压力和温度,从而使涡轮中的叶片或转子连续旋转,产生功率输出。

    由于燃气轮机的第一级定子叶片在工作中首先接触高温气体,并且总是被气体包围,因此其工作条件极其恶劣。此外,燃气轮机的启动速度更快。启动和停止时,需要在短时间内实现快速加热和冷却,其中热冲击最为严重。因此,第一级定子叶片的设计应该足够。在强度和刚度的同时,还能够承受高温、热腐蚀、热冲击,并且不能有太多的热应力。

    一般来说,这些叶片大多是转子与固定叶片交错排列。

    由于工艺难度大、加工要求高,长期以来我国在燃气轮机领域的研究一直不足。既可以模仿国外结构简单的产品,也可以利用航空工业生产的航空发动机改装成燃气轮机。这些产品普遍存在性能差、功耗低的问题。此外,上世纪末,由于油气供应严重短缺,以及“以煤代油”的能源政策停滞不前,中国直到二十一世纪。

    根据燃烧室温度,这些重型燃气轮机可分为E、F和H类。他们的技术难度和高级程度也在逐步提高。2001年,在中国大规模开发F级重型燃气轮机之前,中国航空工业、清华大学、中国科学院工程热物理研究所和上海交通大学组成了一个设计开发项目联合体。联合开发的R 0110重型E级燃气轮机于2014年3月21日通过了专家组验收。在此基础上,我国许多工厂和科研机构开展了F级重型燃气轮机实验设施的建设和自主开发。

    R0110型重负荷E级燃气轮机在我国先行开发

    其中一项工程与国家电力投资公司在中国再燃的300MW F级重型燃气轮机的开发密切相关。即北京华清燃气轮机公司开发的CGT-60F型70MW燃气轮机(其前身是国家发展和改革委员会2008年批准的燃气轮机与煤气化联合循环国家工程研究中心)。由于发动机从一开始就不能满足70MW的功率,因此它被开发为国内F级300MW重型燃气轮机的技术验证设备。

    GE的F级燃气轮机产品建模关系,相同系列的燃烧室完全相同,但数量不同。

    2016年,总设计师陈伟博士在接受北京华清CGT-60F燃气轮机设计团队采访时明确表示,开发CGT-60F的目的是借鉴国际燃气轮机巨头通用电气、西门子和三菱的经验。从低功耗样机的开发入手,突破和掌握F级燃气轮机设计制造的核心技术,采用该模式进行放大或缩小。只要在放大/缩小过程中,压缩机的压力比、涡轮进口温度、主机结构、关键零部件、材料和加工工艺保持不变,就能够在短时间内将原型放大/缩小为一系列技术水平相同但功率大小不同的产品。ce具有上述原则,并在一定范围内扩大/缩小,无需进一步研究和开发新的内核。技术还可以节省R&D投资,缩短R&D周期,降低R&D风险。

    CGT-60F燃气轮机在中国先行开发

    从CGT-60F型燃气轮机的第一级定子叶片上放大300MW级F型重型燃气轮机自身的第一级定子叶片。至于后者,根据《科技日报》2016年的报道,北京华清7月29日宣布,它拥有完全自主知识产权的F级重型燃气轮机CGT-60F(燃气温度1400摄氏度)三维复合倾斜涡轮第一级静叶片。完成了中国燃气轮机研究所的高温冷却效果试验。性能指标包括叶片冷却效率和叶片冷却效率。板材的温度分布优于设计要求,标志着我国重型燃气轮机核心设计制造技术的重大突破。

    据介绍,全三维复合斜涡轮叶片是国内外第一台重型燃气轮机叶片。与传统的直叶片相比,全三维复合斜叶片具有较小的气动损失和更高的效率,但叶片的冷却设计比较困难,涉及空气动力学、传热学和强度等多个学科。华清燃气轮机公司经过多年的自主创新,克服了多项设计技术难题,建立了设计体系和设计规范,并获得了11项发明专利。大型燃气轮机叶片尺寸大,高温合金坯料的精密铸造被公认为顶部铸造技术。无锡永汉公司在中国率先掌握了这一关键制造技术。

    CGT-60F(70MW)第一级定子叶片与300MW级F型重型燃气轮机第一级定子叶片基本相同。

    当时的新闻报道中明确指出,CGT-60F(70MW)第一级静叶片可在恒定进口压力和温度的条件下直接扩大到300MW F级燃气轮机叶片,无需进行任何冷却效果试验。这也是目前国内第一台300MW F级重型燃气轮机独立定子铸件的技术来源。

    由于燃气轮机的敏感性以及与航空工业密不可分,中外媒体很容易将其用于军事。当R0110重型燃气轮机在中国成功开发之前,许多媒体报道它将被用于各种军事场景,包括驾驶航空母舰。300MW F级重气涡轮机对于任何船来说都太大了(美国福特级核航母的推进力只有104MW)。此外,这种重型燃气轮机使用的燃料是天然气,它的使用与驱动船只的因素几乎没有关系。

    这些重型燃气轮机不适合船用,但发电机比较简单。

    这种燃气轮机的主要目的是发电。一般来说,较小功率的燃气轮机适合于独立于发电机形成循环系统,也称为开式循环。它具有安装速度快、启停灵活等优点,主要用于电网、交通运输和工业电力系统的高峰负荷调节。大型燃气轮机,如300MW级F重型燃气轮机,适用于由发电机和配套余热锅炉组成的循环系统。当使用燃气轮机发电时,它们也可以在工作后通过余热锅炉从燃气轮机中回收高温废气,并将其转换成蒸汽或热水,或者继续发电,例如蒸汽轮机,或者用作电源。加热还用于通过将废热锅炉的蒸汽注入燃气轮机来提高燃气轮机的产量和效率。无论采用哪种形式,这种发电方式的燃料利用率都远高于普通的内燃机和外燃机,具有良好的经济效益。

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