攻坚克难 持续研发

我国重型燃气轮机实现新的突破

投入商用！3月8日，我国首台完全自主知识产权F级50兆瓦重型燃气轮机（以下简称G50）顺利通过72+24小时试运行，正式投入商业运行，填补了我国自主燃气轮机应用领域空白。

重型燃气轮机，是目前效率最高的热功转换设备，是一个国家工业水平、综合国力的重要体现，研发难度不同一般。“G50燃烧器内的空气以每秒60米的速度高速流动，点火难度好比在10级大风中点燃一根蜡烛。”东方电气集团东方汽轮机公司全国重点实验室主任方宇说。

再比如，G50的关键零部件——透平叶片，要满足三个极为严苛的条件：一、要“忍耐”1300摄氏度的高温，要知道，这一温度远高于普通金属熔点，常用的高温镍极合金材料长期可耐受高温也仅为900摄氏度左右；二、要承受18个标准大气压的压力，相当于180米深水坝蓄满水后的坝底压力；三、以每分钟6000转的速度高速旋转，叶顶的线速度超过大型客机飞行速度的两倍。“这就要求研究人员将气动力学、固体力学、机械学、材料学等多学科知识在工程上应用到极限。”方宇说。

此外，G50有2万多个零部件，系统耦合度与部件集成度超高，零部件的装配精度均要控制在0.05毫米内。一些关键零部件，即使出现1毫米的运行间隙偏差，也会导致整机失效。

“我们联合上下游近300家单位，历经4000多个日日夜夜才终于啃下这块‘硬骨头’。”回忆13年研制历程，方宇感慨万千：2009年启动项目攻关，仅结构设计就花了4年；首个燃烧器的试制，又用了2年；此后，团队还花了4年进行部件试验，试验时长超1000个小时，报废了8个燃烧器。

从零起步的探索实为艰辛。像透平叶片，市面上没有企业供应，东方汽轮机自己组建叶片精铸团队。面对困难，团队成员夜以继日地阅读文献、寻找方法。最终，历经千万次试验，探索出“一种带陶瓷型芯蜡模成型方法”，解决了叶片变形、疏松、热裂、断芯等难题。如今，东方汽轮机的透平叶片精密铸造中试生产线已具备F级50兆瓦燃机的批量化制造能力。“燃气轮机的高温透平叶片一般2至3年就要维修更换。这条生产线可为国内正在运行的大功率等级燃机透平叶片提供备件，再不用苦等进口备件。”东方电气集团东方汽轮机公司G50发展中心副主任田晓晶介绍。

研发过程中，难题经常不期而至。2018年，燃烧技术团队在开展燃烧器部件试验时，遇到了约3000赫兹的高频振荡，刺耳的声音穿透隔音防护传至测控室。用窥视镜一检查，有裂纹、有碎片，设备部件已经受损，试验被迫停止。“后来我们才意识到，试验遇到了‘热声振荡尖叫’。”田晓晶介绍，在燃烧器内部，高温火焰与压力波动“你来我往”，产生“热声振荡”现象，一旦发生共振，就会损坏设备。

研发团队回归基础、重头来过。他们联合国内高校开展基础研发，开展数百次部件级别试验……耗时2年，研发团队终于建立了一套完整的热声振荡预测和控制方法，进而找到了最佳的燃料与空气匹配比例，让“热声振荡尖叫”安静了下来。

G50研制成功背后，有研发人员的不懈努力，还有企业的持续投入。“有人说，燃机就是‘烧钱烧出来的’。”方宇说，长达13年的持续研发，累计资金投入近20亿元。

功夫不负有心人。如今，我国已全面攻克燃气轮机自主研制、试验全过程技术，掌握了燃气轮机核心部件与整机总体性能、总体结构的设计方法，形成燃机设计/制造标准超1000项。

展望未来，东方电气有关负责人表示：将依托首台套重大技术装备示范项目开展长期试验验证，持续优化G50性能。同时，还将依托G50的研发能力，开发F级15兆瓦、F级80兆瓦重型燃气轮机，健全我国燃气轮机谱系。