R0110重型燃氣輪機的研制

崔榮繁，陳克杰，郭寶亭

（中航工業沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，沈陽 110015）

0 引言

R0110燃氣輪機是在國家科技部“十五”863計劃能源領域燃氣輪機重大專項下研制的具有自主知識產權的重型燃氣輪機。其研制由總承擔單位—中航工業沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，總設計師單位—中航工業沈陽發動機設計研究所，參研單位—國內相關科研院所、高等院校、大型企業等9家單位，采用“官產學研”聯合模式進行。

R0110燃氣輪機采用繼承、借鑒和創新的方法研制，達到國外20世紀90年代重型燃氣輪機產品（介于E級和F級之間）的性能指標，提升了中國重型燃氣輪機工業的技術和產品水平。

1 設計工作

R0110燃氣輪機是1臺單軸、雙支點（滑動軸承）、前輸出的用于單獨供電或熱電聯供的基本負荷供電及尖峰負荷調峰的重型燃氣輪機。其設計是在繼承已有的航空發動機和航改燃氣輪機的技術與經驗的基礎上，并參考國內外重型燃氣輪機相關資料并創新技術完成的。該燃氣輪機性能指標為：在ISO條件下，輸出功率為110 MW，熱效率為35%，NOx排放量小于50 mg/m3，達到了國外20世紀90年代重型燃氣輪機（介于E級和F級之間）的水平，在壓氣機、燃燒室和渦輪部件設計方面具有更先進的水平。

1.1 總體設計

R0110燃氣輪機的總體設計是在參考樣機資料的基礎上，依據航改燃氣輪機總體設計體系完成。主要包括：

（1）在標準大氣額定狀態點，對熱力循環進行計算和相互驗證；

（2）在通用發動機計算程序的基礎上，針對燃氣輪機的特點編制重型燃氣輪機計算模型，計算變工況性能，重點保證比功、熱效率、喘振裕度計算、變載荷能力等參數設置；

（3）確定臺架試車和外場調試的全部測試參數和測試要求；

（4）提出對控制系統的要求；

（5）完成方案總安裝圖設計及總裝目錄編制工作；

（6）完成總體協調圖設計；

（7）完成外部管路設計及外部管路目錄；

（8）編寫制造加工必要的技術文件與標準等。

1.2 壓氣機設計

在參考樣機的基礎上，按照總體設計要求，R0110燃氣輪機壓氣機確定為軸流式，15級，壓比為14.82，絕熱效率為83.88%。

在總體結構設計過程中，為了保證發動機起動時壓氣機能可靠工作，在進氣氣缸上設有根據發動機的起動規律工作的進口可調靜子葉片。為了提高壓氣機在低狀態工作的穩定性，在第1、2級工作葉片的葉尖處采用處理機匣技術，在壓氣機第5、10和15級后設計了放氣活門。

為了更好的驗證總體設計要求，優化壓氣機的起動結構，進行了大量數值模擬，主要包括：

（1）考慮變比熱，使用S2子午面2維計算程序和商用3維CFD軟件在設計點工況下對壓氣機進行工作點的性能分析計算。計算結果顯示，總性能、級性能和各級流場參數基本一致。

（2）采用多級軸流壓氣機1維特性計算程序，對15級壓氣機的不可調進口導流葉片角度基本特性、進口可調導流葉片由+5°～-25°時高轉速調角度特性、關進口可調導流葉片角度工況的低轉速放氣特性計算。

壓氣機的具體結構最終包括進氣氣缸、轉子前支撐、進口可調靜子葉片、壓氣機轉子、第1～15級氣缸、擴壓器、放氣活門等。

1.3 燃燒室設計

由于原型樣機中燃燒室部分的資料比較少，所以R0110燃氣輪機燃燒室基本屬于自主研發設計，工作難度很大。根據設計要求，確定R0110燃氣輪機燃燒室為干式低污染（DLE）逆流環管型燃燒室。其主體結構主要由錐形外殼、燃燒室外殼、20個火焰筒、噴油組件、燃油總管等組成，燃燒室布置于壓氣機外側。這樣的結構布局可以縮短轉子的軸向長度，增大轉子剛性。R0110燃氣輪機的燃料系統向火焰筒提供天然氣和柴油2種燃料，其中天然氣為主燃料，柴油作為應急燃料，從1種燃料向另1種燃料的過渡無需發動機停車就可以完成。

1.3.1 開孔位置設計

為了設計DLE燃燒室的開孔位置，搜集并分析了國內外有關資料，開發了DLE燃燒室火焰筒開孔規律設計方法，采用該方法得到的火焰筒流量分配和開孔規律與設計打樣圖上尺寸基本一致。由此基本掌握了DLE燃燒室火焰筒開孔規律的設計方法。

1.3.2 性能估算方法

已有的環管式燃燒室性能估算方法，是由常規燃燒室的性能試驗結果和定型發動機燃燒室的性能數據總結而來。為了適應R0110燃氣輪機燃燒室的預混、貧油特性，對已有程序進行了修改，并以此方法對該燃氣輪機燃燒室的性能進行了計算。燃燒室流體損失、效率、出口溫度場品質等燃燒室性能數據計算值與設計值基本相同。由此基本掌握了DLE燃燒室性能的估算方法。

1.3.3 燃料流量分配估算方法

由于R0110燃氣輪機燃燒室火焰筒為分級燃燒，為保持燃燒室出口溫度場具有確定的不均勻度，保持燃燒室中具有一定的空氣壓力脈動值和脈動頻率，必須保持燃料在各燃燒區之間進行確定的分配，開發了DLE燃燒室燃料流量分配設計方法，采用該方法對DLE燃燒室燃料流量分配進行了計算，計算結果與設計要求基本一致。由此基本掌握了DLE燃燒室燃料流量分配的估算方法。

1.3.4 火焰筒設計

為了降低燃燒產物中污染物的含量，R0110燃氣輪機燃燒室火焰筒的設計與常規火焰筒的有顯著區別：

（1）火焰筒結構不同。R0110燃氣輪機燃燒室的單個火焰筒由環形火焰筒和主火焰筒組合而成，在低功率狀態時，環形火焰筒保證燃燒完全，污染物排放減少；在高功率狀態時，環形火焰筒可作為均勻預混區使用。

（2）燃燒方式不同。R0110燃氣輪機燃燒室采用均勻預混燃燒，以降低NOx排放；而常規火焰筒采用擴散燃燒，燃料和空氣沒有經過預先混合。

（3）火焰溫度不同。R0110燃氣輪機燃燒室的均勻預混燃燒將火焰溫度控制在1500～1800 K，遠遠低于擴散燃燒的火焰溫度。

（4）長度不同。R0110燃氣輪機燃燒室火焰筒的長度約為常規燃燒室的2倍，因而火焰筒的容熱強度比常規燃燒室的低得多，可滿足火焰筒長壽命的需要，同時延長燃氣在火焰筒內的駐留時間，有利于降低燃燒產物中CO的含量。

1.3.5 試驗驗證

在工程設計基礎上，還對R0110燃氣輪機的單管燃燒室進行了模擬試驗，包括冷態流體損失試驗、起動點火試驗等，在整個試驗過程中，保持燃燒室進口溫度、進口馬赫數、余氣系數與設計值相等。試驗表明：各項性能指標都滿足了設計要求，并根據試驗結果對燃燒室的火焰筒開孔位置、燃料分配等做了適當調整。

為了驗證R0110燃氣輪機DLE燃燒室在實際運行工況下的性能特征，采用3維CFD計算軟件，對燃燒室在設計點工況下進行了數值模擬計算，將計算結果與單管試驗結果進行對比分析，計算得到的燃燒室出口溫度場分布和溫度場品質與試驗結果比較接近。

通過化學動力學計算軟件對R0110燃氣輪機DLE燃燒室的NOx排放進行了評估，經對比，計算結果與試驗結果吻合得很好。

綜上所述，為了滿足R0110燃氣輪機燃燒室的設計要求，發展了適合重型燃氣輪機特點的DLE燃燒室的預混方式、組織燃燒模式、燃料調節模式、火焰筒開孔規律、保證低污染物排放等設計方法，采用單管燃燒室試驗和數值模擬方法對燃燒室的性能和特征參數進行了對比驗證，并在此基礎上優化了局部設計。

1.4 透平設計

R0110燃氣輪機透平的設計是在參考樣機部分圖紙資料的基礎上，根據航改燃氣輪機渦輪設計體系完成的。透平采用4級軸流式結構，包括4級透平隔板、透平轉子、內殼體和透平支承環裝配組件。

透平的第1～3級靜子葉片為氣冷葉片，第1級靜子葉片表面噴涂陶瓷隔熱涂層，第2級靜子葉片表面覆蓋JT-G隔熱涂層。透平第1～3級氣冷葉片主要采用不同結構和形式的肋，形成矩陣式結構，葉盆和葉背的肋板是相互交錯的，有的還相互垂直，使葉片內部形成密布的迷宮式結構，冷卻空氣進入葉片內腔后，沿肋板形成的通道迂回流動，強迫冷卻氣體進入葉片內的各部位，使冷卻氣體形成局部渦流，加強冷卻效果。透平的第1～2級轉子葉片也為氣冷葉片，將葉片分為前、后2個腔室，冷卻空氣采用環繞和對流的冷卻方式，第1級轉子葉片表面噴涂陶瓷隔熱涂層，第2級轉子葉片表面覆蓋JT-G隔熱涂層。

對于R0110燃氣輪機透平，首先對4級透平中徑處進行1維流場計算程序分析其特性，計算考慮了變工況、冷氣摻混以及流道冷熱態的影響，并考慮了速度系數和葉片攻角之間的關系。計算結果顯示:該轉子在3000 r/min的轉速下能夠保證發動機在額定點工作所必須的參數要求。

2維正問題透平流場計算是摸底工作中的最重要過程，通過計算可以摸清該設計的原始參數，為進一步自主設計打下堅實基礎。在參考樣機圖紙的基礎上，通過對葉根、葉中、葉尖3個截面的S22維正問題進行計算分析，對透平葉片進行了摸底計算，并與外方專家的計算結果進行對比。S22維正問題計算詳細分析了透平中9項損失，詳細考慮了透平中9種冷卻結構的影響，甚至考慮了葉片力的影響。此計算過程實際上相當于1個準3維過程。與外方專家的計算相比，本計算更加復雜深入，計算量龐大，可信度更高。通過對比計算過程，使得對大尺寸透平結構設計應該重點考慮的問題有了更深入完整的認識。

1.5 強度設計

R0110燃氣輪機的透平設計重點為長壽命和高可靠性。在參考樣機的基礎上，對其強度設計進行了深入分析和計算仿真，并通過與外方專家溝通，結合國內的實際情況，進行適當改進，最終保證了設計的可行性。

R0110燃氣輪機轉子的強度設計包括對壓氣機、透平的強度分析。分別采用傳統計算方法和現代有限元計算仿真分析方法對各級轉子部件進行了強度計算和振動分析，包括葉身和榫頭的強度計算和校核。計算結果表明各級轉子葉片滿足強度標準的要求。根據參考樣機資料，通過轉子動力學分析，提出了4種改變臨界轉速設計方案，并對各種方案進行了對比分析和可行性論證，最后根據試驗數據選擇了最終方案。

1.6 材料與工藝

重型燃氣輪機的使用特點決定了它對材料的要求，即長壽命、高強度、工藝性和經濟性好。在選材后，提出了一些當時國內尚沒有的合金材料，以及一些大型鍛件與鑄件。為了解決沒有合金問題，由北京鋼鐵研究總院和上鋼五廠共同研制了用于壓氣機盤的OCr11Ni2MoVNb、用于透平盤的GH2674以及用于壓氣機葉片的1Cr16Ni2MoN；由中科院沈陽金屬研究所研制了用作透平轉子葉片和導向葉片的K4104、K488、K4091母合金等。針對既大又重且加工精度要求很高的大型鍛件與鑄件，在首臺份研制生產中，解決了以下主要難點：

（1）大型盤（透平盤和壓氣機盤）鍛件毛料的制造，并保證盤上各點處材質、性能參數均符合設計要求。

（2）大型薄壁盤類件的加工，特別是銑、拉槽（燕尾槽或縱樹型榫槽）加工。上海汽輪機廠為銑加工高溫合金鋼的透平盤上的縱樹型榫槽并鉆槽底深孔，專門設計制造了專用機床來保證加工精度。

（3）透平工作葉片與導向葉片特別是中空冷卻葉片的無余量精鑄工藝、脫芯工藝等高難度工藝。由聯合體的4家單位共同分擔透平8組葉片的攻關制造。

（4）大型薄壁環類零件的燕尾槽銑削或數控線切割加工，對于研制階段單件試制時采用線切割加工燕尾槽有其優勢可取。

（5）轉子盤組件的盤間加工采用真空電子束焊工藝。

（6）進氣機匣的整體鑄造與加工。

（7）DLE燃燒室中火焰筒、噴嘴的生產。

（8）壓氣機、透平的單盤立式平衡，轉子臥式動平衡以及壓氣機-透平轉子的整個動平衡工藝。

（9）整機總裝配特別是需要由垂直裝配轉到水平裝配的翻轉工藝。為此專門設計制造了豎直裝配平臺與翻轉工裝。

1.7 其它重大設計改進

在完成R0110燃氣輪機設計評審后，根據研制過程中制造的實際需要，進行了若干項必要的設計改進，主要包括：

（1）進口可調葉片伺服調節機構改為液壓調節機構，提高了工作可靠性；

（2）優化透平第3、4級鋸齒形葉冠，使工作葉片壽命延長和可靠性提高；

（3）增強前支點剛度，使轉子臨界轉速提高；

（4）進氣氣缸由原來的焊接結構改為鑄造結構，改善了加工工藝性；

（5）壓氣機第4級軸徑盤由焊接結構改為可分解的螺栓聯結結構，改善了加工工藝性；

（6）壓氣機出口擴壓器由整環焊接結構改為豎直對分結構，簡化了轉子的動平衡調試；

（7）修改透平第2級動葉片的葉根結構設計，降低葉身根部截面的應力水平，延長了葉片的使用壽命；

（8）修改透平第2級氣缸的水平對開整體結構，改進后安裝邊與氣缸壁采用焊接方式，改善了加工工藝性；

（9）改進了壓氣機第5級后放氣活門機構。

2 結束語

通過聯合體各成員單位的通力合作和共同努力，R0110重型燃氣輪機于2008年6月24日1次點火成功，7月19日成功實現了臺架空負荷全轉速運轉，9月16日通過了第3方驗證，并于同年12月28日正式通過了國家科技部組織的階段性驗收。

通過R0110重型燃氣輪機的研制，積累了大量的設計、試驗和調試經驗，培養和鍛煉了1支業務精煉的重型燃氣輪機研發隊伍。R0110重型燃氣輪機的研制成功，填補了中國在自主設計工業用大功率重型燃氣輪機領域的空白，同時提升了中國整個重型燃氣輪機工業的技術水平，對于帶動相關設計、加工制造、試驗、材料、機電控制等技術的全面發展具有重要意義。

[1]李孝堂.發展中的中國一航燃氣輪機產業[J].航空發動機，2006，32（2）：14-16.

[2]楊養花,李守秋,李鑫.某重型燃氣輪機渦輪部件結構設計分析[J].航空發動機,2010,36（2）：13-15.