【創(chuàng)新故事】
◎陳 科 本報(bào)記者 鄭 莉
2023年1月3日2時(shí)48分，被譽(yù)為“爭(zhēng)氣機(jī)”的首臺(tái)全國(guó)產(chǎn)化F級(jí)50兆瓦重型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，在廣東華電清遠(yuǎn)華僑園燃?xì)夥植际侥茉凑静⒕W(wǎng)發(fā)電，填補(bǔ)了我國(guó)自主燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用領(lǐng)域空白。
回憶13年來的研制歷程，東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司（以下簡(jiǎn)稱東方汽輪機(jī)）副總經(jīng)理、G50發(fā)展中心主任方宇感慨萬千——?dú)v經(jīng)4000多個(gè)日日夜夜，工程師們從“0”到“1”不斷突破，終于啃下了重型燃?xì)廨啓C(jī)自主化這塊“硬骨頭”。
“在十級(jí)狂風(fēng)中點(diǎn)燃一根蠟燭”
作為當(dāng)今世界效率最高的熱功轉(zhuǎn)換設(shè)備，重型燃?xì)廨啓C(jī)被譽(yù)為裝備制造業(yè)“皇冠上的明珠”，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)水平、綜合國(guó)力的重要體現(xiàn)。
2009年，位于四川德陽(yáng)的東方電氣集團(tuán)經(jīng)過多方考察調(diào)研，正式立項(xiàng)研制重型燃機(jī)。這注定是一條布滿荊棘的科研攀登之路。東方汽輪機(jī)副總工程師趙世全曾打過一個(gè)比喻：“50兆瓦燃機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)的難度，猶如在10級(jí)狂風(fēng)中點(diǎn)燃一根蠟燭。”
2018年6月27日，該項(xiàng)目的壓氣機(jī)和燃燒器聯(lián)合試驗(yàn)開始。“在此之前，兩個(gè)部件的獨(dú)立試驗(yàn)都已經(jīng)成功開展，因此大家覺得聯(lián)合試驗(yàn)會(huì)一帆風(fēng)順，都信心滿滿。”趙世全回憶說。
然而，隨著點(diǎn)火指令發(fā)出，緊盯屏幕監(jiān)視參數(shù)變化的研發(fā)人員臉上喜悅的神情漸漸凝固——火沒點(diǎn)著。經(jīng)過各種參數(shù)調(diào)節(jié)嘗試，都不見效。反復(fù)排查之后，科研團(tuán)隊(duì)最終確定，問題出在整機(jī)優(yōu)化修改的燃料孔孔徑上。
“燃?xì)廨啓C(jī)由2萬多個(gè)零件組成，其工作壓力為18個(gè)大氣壓，相當(dāng)于海下180米深度的水壓，工作溫度超過1300攝氏度。”東方汽輪機(jī)G50發(fā)展中心副主任田曉晶介紹說，“作為極其復(fù)雜的能源裝備，系統(tǒng)耦合度與部件集成度超高，任何一項(xiàng)更改牽一發(fā)而動(dòng)全身，都有可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)問題。”
燃料孔孔徑問題解決后，2019年9月，研發(fā)人員認(rèn)為該裝置具備條件，準(zhǔn)備點(diǎn)火。可隨著點(diǎn)火指令發(fā)出、燃料閥門開啟，一盆冷水又澆了下來——8個(gè)燃燒器只有1個(gè)被點(diǎn)著。
研發(fā)人員沒有氣餒。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試分析，9月27日，這臺(tái)重型燃?xì)廨啓C(jī)的8個(gè)燃燒器終于同時(shí)點(diǎn)火成功。
讓“熱聲振蕩尖叫”安靜下來
科學(xué)的大道上從來沒有坦途和捷徑，只有不避艱險(xiǎn)、不怕困難，勇于面對(duì)挫折和失敗，才能摘取“皇冠上的明珠”。“東方汽輪機(jī)是一家以汽輪機(jī)為主導(dǎo)產(chǎn)品的發(fā)電設(shè)備制造企業(yè)，但在重型燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，很多問題從沒遇到過。”趙世全說。
以該設(shè)備的核心部件燃燒器的工況為例，在燃燒器內(nèi)筒，高溫火焰與壓力波動(dòng)“你來我往”，產(chǎn)生了一種叫作“熱聲振蕩”的現(xiàn)象。它是制約燃機(jī)研發(fā)的關(guān)鍵瓶頸，又是所有燃機(jī)研發(fā)歷程中的必經(jīng)之路。
2018年，燃燒技術(shù)團(tuán)隊(duì)在開展燃燒器部件試驗(yàn)時(shí)，遇到了約3000赫茲的高頻振蕩。刺耳的聲音穿透隔音防護(hù)傳至測(cè)控室，數(shù)秒后，大家才意識(shí)到，這就是“熱聲振蕩尖叫”。窺視鏡檢查顯示，設(shè)備部件已經(jīng)受損，裂紋、碎片均有出現(xiàn)，試驗(yàn)被迫停止。
面對(duì)前所未有的難題，工程師們查閱文獻(xiàn)資料，從原理入手，通過不斷嘗試匹配不同的燃料與空氣比例，控制火焰的位置與形態(tài)，進(jìn)而控制火焰與壓力波博弈的結(jié)果。經(jīng)過數(shù)天調(diào)試，終于找到了最佳燃料與空氣匹配比例，“安靜”地實(shí)現(xiàn)了預(yù)期試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。此后，團(tuán)隊(duì)成員又更進(jìn)一步，著手研發(fā)出更精準(zhǔn)預(yù)測(cè)“尖叫聲”的計(jì)算方法以及抑制手段，支撐與推進(jìn)了整機(jī)試驗(yàn)。
主機(jī)國(guó)產(chǎn)化率100%
燃?xì)廨啓C(jī)工作時(shí)，使用的高溫透平葉片需在普通金屬熔點(diǎn)溫度以上的條件下，以6000轉(zhuǎn)/分鐘高速旋轉(zhuǎn)，其葉頂線速度超過大型客機(jī)飛行速度的兩倍。而葉片的生產(chǎn)制造，因型線精度要求高、材料強(qiáng)度黏性大，機(jī)械切削加工難度巨大，只能采用精密鑄造成型技術(shù)。
“在葉片精鑄團(tuán)隊(duì)成立時(shí)，大家的經(jīng)驗(yàn)近乎一張白紙，前期試驗(yàn)壓蠟出來的陶瓷型芯碎得‘稀里嘩啦’，同時(shí)伴隨著嚴(yán)重偏心。”田曉晶說，由于行業(yè)內(nèi)對(duì)相關(guān)技術(shù)普遍高度保密，鮮有公開發(fā)表的文獻(xiàn)，對(duì)科研團(tuán)隊(duì)來說這又是一次從“0”開始的探索之路。
隨后，團(tuán)隊(duì)成員夜以繼日、大海撈針般地搜索查閱文獻(xiàn)，偶然間在一篇綜述里發(fā)現(xiàn)了“型芯定位”的概念，還有一張模糊的圖片。這讓長(zhǎng)久以來一籌莫展的團(tuán)隊(duì)“靈光乍現(xiàn)”，他們結(jié)合自身產(chǎn)品實(shí)際，創(chuàng)新性地提出6點(diǎn)定位設(shè)計(jì)方法，并與模具供應(yīng)商合作，成功解決了之前的斷芯和嚴(yán)重偏心問題。經(jīng)過多批次生產(chǎn)驗(yàn)證，不但極大地改進(jìn)了生產(chǎn)質(zhì)量，提高了效率，其成果“一種帶陶瓷型芯蠟?zāi)３尚头椒ā边€于2017年被授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利。
方宇說，F(xiàn)級(jí)50兆瓦重型燃?xì)廨啓C(jī)研制項(xiàng)目中，先后聯(lián)合了高校、科研院所、產(chǎn)業(yè)鏈上中下游近300家企業(yè)，共同打造安全可控、自主可靠的燃機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈，最終實(shí)現(xiàn)主機(jī)國(guó)產(chǎn)化率100%。
黨的二十大報(bào)告提出，以國(guó)家戰(zhàn)略需求為導(dǎo)向，集聚力量進(jìn)行原創(chuàng)性引領(lǐng)性科技攻關(guān)，堅(jiān)決打贏關(guān)鍵核心技術(shù)攻堅(jiān)戰(zhàn)。首臺(tái)國(guó)產(chǎn)F級(jí)50兆瓦重型燃?xì)廨啓C(jī)的成功研制，正是一個(gè)生動(dòng)實(shí)踐。
