攻堅克難 持續(xù)研發(fā)

我國重型燃氣輪機實現(xiàn)新的突破

投入商用！3月8日，我國首臺完全自主知識產(chǎn)權(quán)F級50兆瓦重型燃氣輪機（以下簡稱G50）順利通過72+24小時試運行，正式投入商業(yè)運行，填補了我國自主燃氣輪機應(yīng)用領(lǐng)域空白。

重型燃氣輪機，是目前效率最高的熱功轉(zhuǎn)換設(shè)備，是一個國家工業(yè)水平、綜合國力的重要體現(xiàn)，研發(fā)難度不同一般?！癎50燃燒器內(nèi)的空氣以每秒60米的速度高速流動，點火難度好比在10級大風(fēng)中點燃一根蠟燭?！睎|方電氣集團東方汽輪機公司全國重點實驗室主任方宇說。

再比如，G50的關(guān)鍵零部件——透平葉片，要滿足三個極為嚴苛的條件：一、要“忍耐”1300攝氏度的高溫，要知道，這一溫度遠高于普通金屬熔點，常用的高溫鎳極合金材料長期可耐受高溫也僅為900攝氏度左右；二、要承受18個標準大氣壓的壓力，相當于180米深水壩蓄滿水后的壩底壓力；三、以每分鐘6000轉(zhuǎn)的速度高速旋轉(zhuǎn)，葉頂?shù)木€速度超過大型客機飛行速度的兩倍?！斑@就要求研究人員將氣動力學(xué)、固體力學(xué)、機械學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科知識在工程上應(yīng)用到極限。”方宇說。

此外，G50有2萬多個零部件，系統(tǒng)耦合度與部件集成度超高，零部件的裝配精度均要控制在0.05毫米內(nèi)。一些關(guān)鍵零部件，即使出現(xiàn)1毫米的運行間隙偏差，也會導(dǎo)致整機失效。

“我們聯(lián)合上下游近300家單位，歷經(jīng)4000多個日日夜夜才終于啃下這塊‘硬骨頭’?！被貞?3年研制歷程，方宇感慨萬千：2009年啟動項目攻關(guān)，僅結(jié)構(gòu)設(shè)計就花了4年；首個燃燒器的試制，又用了2年；此后，團隊還花了4年進行部件試驗，試驗時長超1000個小時，報廢了8個燃燒器。

從零起步的探索實為艱辛。像透平葉片，市面上沒有企業(yè)供應(yīng)，東方汽輪機自己組建葉片精鑄團隊。面對困難，團隊成員夜以繼日地閱讀文獻、尋找方法。最終，歷經(jīng)千萬次試驗，探索出“一種帶陶瓷型芯蠟?zāi)３尚头椒ā?，解決了葉片變形、疏松、熱裂、斷芯等難題。如今，東方汽輪機的透平葉片精密鑄造中試生產(chǎn)線已具備F級50兆瓦燃機的批量化制造能力。“燃氣輪機的高溫透平葉片一般2至3年就要維修更換。這條生產(chǎn)線可為國內(nèi)正在運行的大功率等級燃機透平葉片提供備件，再不用苦等進口備件?！睎|方電氣集團東方汽輪機公司G50發(fā)展中心副主任田曉晶介紹。

研發(fā)過程中，難題經(jīng)常不期而至。2018年，燃燒技術(shù)團隊在開展燃燒器部件試驗時，遇到了約3000赫茲的高頻振蕩，刺耳的聲音穿透隔音防護傳至測控室。用窺視鏡一檢查，有裂紋、有碎片，設(shè)備部件已經(jīng)受損，試驗被迫停止。“后來我們才意識到，試驗遇到了‘熱聲振蕩尖叫’?！碧飼跃Ы榻B，在燃燒器內(nèi)部，高溫火焰與壓力波動“你來我往”，產(chǎn)生“熱聲振蕩”現(xiàn)象，一旦發(fā)生共振，就會損壞設(shè)備。

研發(fā)團隊回歸基礎(chǔ)、重頭來過。他們聯(lián)合國內(nèi)高校開展基礎(chǔ)研發(fā)，開展數(shù)百次部件級別試驗……耗時2年，研發(fā)團隊終于建立了一套完整的熱聲振蕩預(yù)測和控制方法，進而找到了最佳的燃料與空氣匹配比例，讓“熱聲振蕩尖叫”安靜了下來。

G50研制成功背后，有研發(fā)人員的不懈努力，還有企業(yè)的持續(xù)投入?！坝腥苏f，燃機就是‘燒錢燒出來的’?！狈接钫f，長達13年的持續(xù)研發(fā)，累計資金投入近20億元。

功夫不負有心人。如今，我國已全面攻克燃氣輪機自主研制、試驗全過程技術(shù)，掌握了燃氣輪機核心部件與整機總體性能、總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，形成燃機設(shè)計/制造標準超1000項。

展望未來，東方電氣有關(guān)負責(zé)人表示：將依托首臺套重大技術(shù)裝備示范項目開展長期試驗驗證，持續(xù)優(yōu)化G50性能。同時，還將依托G50的研發(fā)能力，開發(fā)F級15兆瓦、F級80兆瓦重型燃氣輪機，健全我國燃氣輪機譜系。