攻堅克難 持續研發
我國重型燃氣輪機實現新的突破
投入商用！3月8日，我國首臺完全自主知識產權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，正式投入商業運行，填補了我國自主燃氣輪機應用領域空白。
重型燃氣輪機，是目前效率最高的熱功轉換設備，是一個國家工業水平、綜合國力的重要體現，研發難度不同一般。“G50燃燒器內的空氣以每秒60米的速度高速流動，點火難度好比在10級大風中點燃一根蠟燭。”東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轉的速度高速旋轉，葉頂的線速度超過大型客機飛行速度的兩倍。“這就要求研究人員將氣動力學、固體力學、機械學、材料學等多學科知識在工程上應用到極限。”方宇說。
此外，G50有2萬多個零部件，系統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。一些關鍵零部件，即使出現1毫米的運行間隙偏差，也會導致整機失效。
“我們聯合上下游近300家單位，歷經4000多個日日夜夜才終于啃下這塊‘硬骨頭’。”回憶13年研制歷程，方宇感慨萬千：2009年啟動項目攻關，僅結構設計就花了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，市面上沒有企業供應，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，歷經千萬次試驗，探索出“一種帶陶瓷型芯蠟模成型方法”，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。這條生產線可為國內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。”東方電氣集團東方汽輪機公司G50發展中心副主任田曉晶介紹。
研發過程中，難題經常不期而至。2018年，燃燒技術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，設備部件已經受損，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’。”田曉晶介紹，在燃燒器內部，高溫火焰與壓力波動“你來我往”，產生“熱聲振蕩”現象，一旦發生共振，就會損壞設備。
研發團隊回歸基礎、重頭來過。他們聯合國內高校開展基礎研發，開展數百次部件級別試驗……耗時2年，研發團隊終于建立了一套完整的熱聲振蕩預測和控制方法，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，有研發人員的不懈努力，還有企業的持續投入。“有人說，燃機就是‘燒錢燒出來的’。”方宇說，長達13年的持續研發，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，掌握了燃氣輪機核心部件與整機總體性能、總體結構的設計方法，形成燃機設計/制造標準超1000項。
展望未來，東方電氣有關負責人表示：將依托首臺套重大技術裝備示范項目開展長期試驗驗證，持續優化G50性能。同時，還將依托G50的研發能力，開發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。
