◎ 陳科 科技日報記者 鄭莉
2023年1月3日2時48分，被譽為“爭氣機”的首臺全國產化F級50兆瓦重型燃氣輪機發電機組，在廣東華電清遠華僑園燃氣分布式能源站并網發電，填補了我國自主燃氣輪機應用領域空白。
重型燃氣輪機發運現場。東方電氣集團供圖
回憶13年來的研制歷程，東方電氣集團東方汽輪機有限公司（以下簡稱東方汽輪機）副總經理、G50發展中心主任方宇感慨萬千——歷經4000多個日日夜夜，工程師們從“0”到“1”不斷突破，終于啃下了重型燃氣輪機自主化這塊“硬骨頭”。
“在十級狂風中點燃一根蠟燭”
作為當今世界效率最高的熱功轉換設備，重型燃氣輪機被譽為裝備制造業“皇冠上的明珠”，是一個國家工業水平、綜合國力的重要體現。
2009年，位于四川德陽的東方電氣集團經過多方考察調研，正式立項研制重型燃機。這注定是一條布滿荊棘的科研攀登之路。東方汽輪機副總工程師趙世全曾打過一個比喻：“50兆瓦燃機點火試驗的難度，猶如在10級狂風中點燃一根蠟燭。”
2018年6月27日，該項目的壓氣機和燃燒器聯合試驗開始。“在此之前，兩個部件的獨立試驗都已經成功開展，因此大家覺得聯合試驗會一帆風順，都信心滿滿。”趙世全回憶說。
然而，隨著點火指令發出，緊盯屏幕監視參數變化的研發人員臉上喜悅的神情漸漸凝固——火沒點著。經過各種參數調節嘗試，都不見效。反復排查之后，科研團隊最終確定，問題出在整機優化修改的燃料孔孔徑上。
“燃氣輪機由2萬多個零件組成，其工作壓力為18個大氣壓，相當于海下180米深度的水壓，工作溫度超過1300攝氏度。”東方汽輪機G50發展中心副主任田曉晶介紹說，“作為極其復雜的能源裝備，系統耦合度與部件集成度超高，任何一項更改牽一發而動全身，都有可能導致整個系統出現問題。”
燃料孔孔徑問題解決后，2019年9月，研發人員認為該裝置具備條件，準備點火。可隨著點火指令發出、燃料閥門開啟，一盆冷水又澆了下來——8個燃燒器只有1個被點著。
研發人員沒有氣餒。經過反復調試分析，9月27日，這臺重型燃氣輪機的8個燃燒器終于同時點火成功。 讓“熱聲振蕩尖叫”安靜下來 科學的大道上從來沒有坦途和捷徑，只有不避艱險、不怕困難，勇于面對挫折和失敗，才能摘取“皇冠上的明珠”。“東方汽輪機是一家以汽輪機為主導產品的發電設備制造企業，但在重型燃氣輪機設計領域，很多問題從沒遇到過。”趙世全說。
國產F級50兆瓦重型燃氣輪機的完工發運儀式現場。東方電氣集團供圖
以該設備的核心部件燃燒器的工況為例，在燃燒器內筒，高溫火焰與壓力波動“你來我往”，產生了一種叫作“熱聲振蕩”的現象。它是制約燃機研發的關鍵瓶頸，又是所有燃機研發歷程中的必經之路。
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，數秒后，大家才意識到，這就是“熱聲振蕩尖叫”。窺視鏡檢查顯示，設備部件已經受損，裂紋、碎片均有出現，試驗被迫停止。
面對前所未有的難題，工程師們查閱文獻資料，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，進而控制火焰與壓力波博弈的結果。經過數天調試，終于找到了最佳燃料與空氣匹配比例，“安靜”地實現了預期試驗目標。此后，團隊成員又更進一步，著手研發出更精準預測“尖叫聲”的計算方法以及抑制手段，支撐與推進了整機試驗。
主機國產化率100% 燃氣輪機工作時，使用的高溫透平葉片需在普通金屬熔點溫度以上的條件下，以6000轉/分鐘高速旋轉，其葉頂線速度超過大型客機飛行速度的兩倍。而葉片的生產制造，因型線精度要求高、材料強度黏性大，機械切削加工難度巨大，只能采用精密鑄造成型技術。
“在葉片精鑄團隊成立時，大家的經驗近乎一張白紙，前期試驗壓蠟出來的陶瓷型芯碎得‘稀里嘩啦’，同時伴隨著嚴重偏心。”田曉晶說，由于行業內對相關技術普遍高度保密，鮮有公開發表的文獻，對科研團隊來說這又是一次從“0”開始的探索之路。
隨后，團隊成員夜以繼日、大海撈針般地搜索查閱文獻，偶然間在一篇綜述里發現了“型芯定位”的概念，還有一張模糊的圖片。這讓長久以來一籌莫展的團隊“靈光乍現”，他們結合自身產品實際，創新性地提出6點定位設計方法，并與模具供應商合作，成功解決了之前的斷芯和嚴重偏心問題。經過多批次生產驗證，不但極大地改進了生產質量，提高了效率，其成果“一種帶陶瓷型芯蠟模成型方法”還于2017年被授權國家發明專利。
方宇說，F級50兆瓦重型燃氣輪機研制項目中，先后聯合了高校、科研院所、產業鏈上中下游近300家企業，共同打造安全可控、自主可靠的燃機產業鏈，最終實現主機國產化率100%。
黨的二十大報告提出，以國家戰略需求為導向，集聚力量進行原創性引領性科技攻關，堅決打贏關鍵核心技術攻堅戰。首臺國產F級50兆瓦重型燃氣輪機的成功研制，正是一個生動實踐。
