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此前仅有少数国家掌握这一核心技术,中国一举突破

京港台:2024-5-15 11:11| 来源:科技日报 | 评论( 26 )  | 我来说几句


此前仅有少数国家掌握这一核心技术,中国一举突破

来源:倍可亲(backchina.com)

  大功率、高效率、低排放……相比汽油、柴油等传统内燃机,重型燃气轮机有着显著优势。

  作为能源领域的尖端装备,重型燃气轮机研制难度极大。功率达百兆瓦级的重型燃气轮机,此前世界上仅有少数发达国家掌握其关键核心技术。

  2023年6月,设计功率为110兆瓦的国产“太行110”重型燃气轮机通过产品验证鉴定,一举跨过百兆瓦门槛。

  

  图片来源:中国航发

  “燃气轮机与航空发动机相似,体现着一个国家的高端装备制造能力。”日前,中国航空发动机集团有限公司(以下简称“中国航发”)“太行110”研发团队总指挥赵勇告诉科技日报记者,“百兆瓦级的突破,背后是20年坚持不懈的奋战。”

  扭住设计“牛鼻子”

  重型燃气轮机研制涉及材料、结构、气动、燃烧、工艺、试验测试等20多个专业领域,被誉为装备制造业“皇冠上的明珠”。

  “当年启动‘太行110’研制时,我国对重型燃气轮机的了解如同‘一张白纸’。”赵勇介绍,为了集智攻关,研发团队联合全国各地100多家高校、科研院所与大型制造企业,成立了“摘珠联盟”。

  “设计是研制的‘牛鼻子’。扭住了,研发方向才能走对。”“太行110”研发团队副总指挥陈克杰说,“设计工作涉及大量计算、验证、测试,以及繁杂的图纸绘制、管路规划、标准制定等。”

  没有现成的计算程序,研发人员就参考航空发动机通用计算程序自行开发;计算机性能跟不上,大家就想方设法优化模型、改进算法,通宵达旦试参数、绘曲线。

  “通过自主开发程序,我们解决了热力循环计算与验证这一难点,实现了比功率、热效率等参数的准确设置。”陈克杰说,针对重型燃气轮机的特点,研发人员还构建了多个专用计算模型,计算出不同工况下机器的性能。

  “饿了就啃口馒头,困了趴在图纸上打个盹儿,醒来继续干。”陈克杰回忆道,“5位技术人员仅用半年时间,就完成了燃气轮机重要部件——透平叶片的设计与改进工作。即便放在今天,这也是难以想象的事。”

  一张张设计图纸、一项项制造标准、一页页技术文档……凭借废寝忘食的刻苦钻研,研发人员先后攻克总体设计、压气机设计、燃烧室设计、透平设计、强度设计等一系列难关。

  最终,研发团队完成了涵盖1600余个零件号、总计2000多份图纸的“太行110”总体设计方案,并顺利通过科技部验收。

  跨过制造“绊马索”

  设计方案有了,真正的挑战才开始——核心部件怎么造?它如同“绊马索”一般,横在研发团队面前。

  当时,国内重型燃气轮机的材料与制造技术并不成熟,难以铸锻出合格的部件。特别是透平叶片、大尺寸轮盘等核心部件,国外技术封锁、国内从未做过,找不到任何参考。

  “以透平叶片为例,它需要长期在高温、高转速、高气动负荷环境下运行。”研发团队冶金负责人丛健介绍,尤其是高达1200℃至1500℃的工作温度,对其制作材料与工艺要求极高。

  首先需要找到一种耐高温的模具材料。考虑再三,研发团队决定从陶瓷型芯着手。

  方向确定后,丛健与同事通过不断尝试,创造性制备出一种重要添加剂材料,又反复尝试10多种配比方案,最终确定了模具材料的配方。

  模具有了,透平叶片生产出来了,但并没有“过关”。丛健说:“我们还需要尽可能给它找到降温的办法。”

  研发团队费尽心血在叶片结构上下功夫,先是通过在叶身设计异形气膜孔结构来提升冷却效率。

  “在此基础上,大家又探索出在叶片内部设计密布的‘迷宫式’结构,让冷却气体进入叶片内腔并迂回而行,进一步加强冷却效果。”丛健介绍,透平叶片研制工作一干就是2年多,通过不懈努力,成品率不断提升,生产成本持续降低。

  “核心部件研制过程中,研发团队创新开发出陶瓷型芯、高温合金、热扩散涂层等多种新材料及其制造工艺,打破多项国外技术垄断。”陈克杰告诉记者。

  拿下市场“通行证”

  2016年,中国航发成立。在其全力推动下,“太行110”研制进程全面提速。

  一个个凝聚着研发人员心血的零部件,组装出“太行110”。

  此时,整机长时间稳定运行成为重大考验。它是检验“太行110”性能是否合格的关键环节,也是决定其能否进入市场的“通行证”。

  2021年,“太行110”身披红绸彩带,来到中国海洋石油集团有限公司深圳大鹏电厂,开展整机长时间试验运行。

  

  图片来源:中国航发

  试验过程并非一帆风顺,仅燃烧室就先后经历多轮循环验证。

  在燃烧室内,经压缩的空气与天然气被混合、点燃,产生高温高压气流形成压力波动,犹如“哪吒闹海”般横冲直撞,极易引起整机振荡。当振荡超过一定幅度时,会损坏透平叶片甚至整个燃烧室,引发整机故障。

  “如何解决这一问题,无经验可循。大家只能采用‘笨办法’,一步步摸索改进方案。”研发团队资深专家李景波介绍,经过多轮尝试,他们找到了最适合“太行110”的燃料配比与喷射方法,成功突破重型燃气轮机干式排放燃烧室设计等核心技术,最终解决了振荡难题。

  “经测算,我们设计研制的燃烧室,不但符合振荡要求,而且燃烧效率高于99%,既满足基本负荷运行要求,又符合国家低排放设计标准。”李景波告诉记者。

  历经多个分阶段试运行后,2023年6月4日,“太行110”单台运行时长超过7000当量小时、累计运行突破14000当量小时,顺利通过整机验证。这标志着,我国已经成功研制出具有完全自主知识产权的110兆瓦重型燃气轮机。

  “2023年9月,习近平(专题)总书记回信勉励中国航发黎明发动机装配厂‘李志强班’职工,‘努力攻克更多关键核心技术’‘为实现高水平科技自立自强积极贡献力量’。”赵勇说,“未来,我们将依托中国航发先进技术,用好‘太行110’成功经验,继续推动国产重型燃气轮机向更大功率迈进,为中国制造增添新亮色!”

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