中國首臺F級50 MW重型燃?xì)廨啓C的自主研制

孔祥林 田曉晶 程國強,3 黎汝堅

1.長壽命高溫材料國家重點實驗室 2.中國東方電氣集團(tuán)有限公司東方汽輪機有限公司 3.西安交通大學(xué)

0 引言

燃?xì)廨啓C具有結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度大、啟停靈活、清潔高效、燃料適用范圍寬等優(yōu)點，是航空、艦船和能源領(lǐng)域的核心設(shè)備，具有極高的軍事價值和經(jīng)濟(jì)價值。按照功率等級來劃分，可以分為功率超過100 MW的大型燃?xì)廨啓C、功率介于0.3～100 MW的中小型燃?xì)廨啓C以及功率在0.3 MW以下的微型燃?xì)廨啓C；其中，中小型燃?xì)廨啓C有著非常廣泛的應(yīng)用場景，包括發(fā)電（分布式能源、燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)、電網(wǎng)調(diào)峰、備用電源及應(yīng)急機組、移動車載發(fā)電系統(tǒng)、海洋平臺發(fā)電等）和驅(qū)動（天然氣管網(wǎng)增壓、機械設(shè)備、艦船等）等領(lǐng)域。按照結(jié)構(gòu)設(shè)計特點來劃分，可以分為重型燃?xì)廨啓C、輕型燃?xì)廨啓C（航空發(fā)動機或航改燃?xì)廨啓C），其中重型燃?xì)廨啓C不過分追求尺寸和重量，追求高效率、長期可靠運行，而輕型燃?xì)廨啓C則對尺寸和重量有著明確的限制，追求高推重比。按照透平前溫度又可以將重型燃?xì)廨啓C分為不同的級別，目前廣泛使用的是E級、F級和H/J級，其中H/J級代表著重型燃?xì)廨啓C當(dāng)前全球的最高水平。由于燃?xì)廨啓C研制涉及氣動、傳熱、燃燒、結(jié)構(gòu)、強度、材料、控制、精密制造等技術(shù)的極限，因而被譽為裝備制造業(yè)“皇冠上的明珠”，是一個國家綜合國力的體現(xiàn)，也是關(guān)乎國家安全和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“國之重器”。

21世紀(jì)初，國內(nèi)“三大動力”（中國東方電氣集團(tuán)有限公司、上海電氣集團(tuán)股份有限公司和哈爾濱電氣集團(tuán)有限公司）分別與日本三菱、德國西門子和美國通用電氣（GE）等國外燃?xì)廨啓C公司合作，通過以市場換技術(shù)的形式引進(jìn)F級大型燃?xì)廨啓C。經(jīng)過多年的發(fā)展，目前東方電氣大型燃?xì)廨啓C國產(chǎn)化率已達(dá)79%。然而國外企業(yè)向我國轉(zhuǎn)讓的燃?xì)廨啓C技術(shù)大多數(shù)都局限在冷端部件制造和整機裝配等低附加值部分，而對于燃?xì)廨啓C設(shè)計、熱部件制造、控制系統(tǒng)等核心技術(shù)則嚴(yán)密封鎖，致使國內(nèi)燃?xì)廨啓C制造產(chǎn)業(yè)利潤偏低、燃?xì)廨啓C用戶設(shè)備投資和運維費用高昂，嚴(yán)重制約了我國燃?xì)廨啓C產(chǎn)業(yè)及天然氣發(fā)電產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。因此，燃?xì)廨啓C自主研制勢在必行。

中國東方電氣集團(tuán)有限公司東方汽輪機有限公司（以下簡稱東汽）從2009年開始自主研制F級50 MW重型燃?xì)廨啓C(以下簡稱G50)。經(jīng)過10余年的研發(fā)，攻克了一系列的關(guān)鍵核心技術(shù)難關(guān)，建立了完整的設(shè)計、制造、試驗體系，搭建了國內(nèi)先進(jìn)的燃?xì)廨啓C部件和整機測試平臺；2020年11月底，東汽成功完成了G50滿負(fù)荷穩(wěn)定試驗運行。這既為填補我國燃?xì)廨啓C技術(shù)體系空白、培育自主燃?xì)廨啓C產(chǎn)業(yè)奠定了堅實基礎(chǔ)，同時也為天然氣發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了有力的保障。

1 設(shè)計思路與研制歷程

燃?xì)廨啓C的設(shè)計選型需要綜合考慮研發(fā)成本、技術(shù)基礎(chǔ)、市場需求等多個方面的因素，因而G50在選型的時候，定位于F級（透平入口溫度在1 300℃以上）燃?xì)廨啓C。這就意味著機組需要具有較高的參數(shù)水平，同時也為高溫部件研制的突破提供了一個良好的載體。功率等級的選取主要考慮到50 MW在分布式發(fā)電市場的需求量大，并且研發(fā)成本適中。此外，此功率等級向上可以模化放大成為主流的F級大型燃?xì)廨啓C，向下可以模化成為中小型燃?xì)廨啓C，具有良好的可拓展性。

東汽G50項目自2009年啟動后，經(jīng)過10余年的研發(fā)，攻克了一系列的關(guān)鍵核心技術(shù)難關(guān)。其研制歷程主要如下：

2011年，壓氣機的詳細(xì)氣動設(shè)計。

2012年，壓氣機試驗件結(jié)構(gòu)設(shè)計及燃燒器詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2013年，燃燒器試驗臺設(shè)計。

2014年，壓氣機后半段性能試驗；透平氣動、二次空氣系統(tǒng)、空心葉片冷卻設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2015年，壓氣機前半段性能試驗；透平葉柵吹風(fēng)試驗。

2017年，燃燒器實壓試驗臺建設(shè)；透平葉片中溫冷效試驗臺建設(shè)和試驗。

2018年，燃燒器實壓試驗、全段壓氣機性能試驗。

2019年，原型機機組的生產(chǎn)制造及總裝、廠內(nèi)全速空負(fù)荷試車。

2020年9月，機組首次運行至全速滿負(fù)荷。

2 G50機組特點與關(guān)鍵研制環(huán)節(jié)

2.1 技術(shù)指標(biāo)

G50以天然氣為燃料，冷端驅(qū)動，主要應(yīng)用于分布式發(fā)電領(lǐng)域。該機組的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示，與國際上同等級成熟商業(yè)機組的性能參數(shù)水平基本相當(dāng)。

2.2 結(jié)構(gòu)特點

50 MW燃?xì)廨啓C原型機采用側(cè)向進(jìn)氣、單軸、單缸布置方式，如圖1所示。機組采用中分面剖分結(jié)構(gòu)以便于進(jìn)行檢修和保養(yǎng)。

表1 G50燃?xì)廨啓C與國外同等級成熟商業(yè)機組的技術(shù)指標(biāo)對比表

圖1 50 MW燃?xì)廨啓C原型機三維模型

壓氣機由17級葉片組成，其中含3級可調(diào)葉片，葉片采用高強度不銹鋼材料。燃燒器采用高溫鎳基合金板材。透平葉片共4級，采用等軸晶鑄造技術(shù)，通過高效冷卻確保在高溫、高壓下能夠滿足性能、強度和壽命的要求。

機組采用周向拉桿轉(zhuǎn)子，具有良好的轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性[1]。整機共有2個主支撐和1個輔助支撐，其中2個主支撐分別位于進(jìn)氣缸和透平缸，而輔助支撐則位于排氣擴(kuò)壓缸。

2.3 關(guān)鍵部件的設(shè)計、試驗及制造

2.3.1 壓氣機設(shè)計及試驗

壓氣機的研制離不開試驗驗證，根據(jù)G50壓氣機的試驗需求，東汽建設(shè)了壓氣機試驗平臺。該平臺由拖動系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、進(jìn)排抽氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等構(gòu)成。拖動功率為25 MW，運行轉(zhuǎn)速介于0～13 200 r/min，具備壓氣機單級、多級試驗以及整級性能試驗的能力。

東汽先后完成了3個壓氣機分段試驗件（前半段、后半段、整段）方案設(shè)計，包括氣動、結(jié)構(gòu)、強度、測量方案等，進(jìn)行試驗件的制造、總裝，并最終成功地開展了三段試驗，獲取了完整的壓氣機特性數(shù)據(jù)[2]。壓氣機試驗臺及實物如圖2所示。

圖2 國內(nèi)首臺高壓比大流量的壓氣機試驗臺（a）及試驗件實物（b）照片

2.3.2 燃燒器設(shè)計及試驗

G50燃燒器采用干式低污染設(shè)計理念。燃燒器置于壓氣機缸外側(cè)，8個火焰筒沿周向均布，其中心線與燃?xì)廨啓C軸線成30°角。主要結(jié)構(gòu)包括旋流器、燃料噴嘴、火焰筒內(nèi)筒、尾筒、沖擊冷卻套筒等，如圖3所示。空氣由擴(kuò)壓器進(jìn)入到燃燒器缸體，通過沖擊冷卻套筒上的小孔形成射流。冷卻空氣沖擊火焰筒防止壁面溫度過高，隨后經(jīng)由旋流器和摻混孔進(jìn)入內(nèi)筒。每個燃燒器頭部都配置一個點火器用于獨立點火，并設(shè)置火焰檢測裝置。

圖3 G50燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖

為了獲取準(zhǔn)確的燃燒特性，東汽在廠內(nèi)搭建了國內(nèi)首個F級燃燒器試驗臺。該試驗系統(tǒng)按照環(huán)管型燃燒器全尺寸性能試驗要求進(jìn)行設(shè)計，由空氣系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、儀用空氣系統(tǒng)和測量控制系統(tǒng)等組成，如圖4所示。基于該套試驗系統(tǒng)，完成了50 MW燃燒器性能測試，獲得了點火/吹熄邊界、各工況下的壁溫分布特性、出口溫度質(zhì)量、燃燒效率和污染物排放等指標(biāo)[3-4]。

圖4 G50燃燒器試驗系統(tǒng)實物照片

2.3.3 透平設(shè)計及試驗

G50透平主要基于高精度通流、先進(jìn)葉型、高效冷卻的設(shè)計思路進(jìn)行設(shè)計。在設(shè)計過程中，經(jīng)過嚴(yán)格的計算分析以及試驗驗證，其中冷卻特性是重點關(guān)注的環(huán)節(jié)。

為了測試高溫透平葉片的冷卻特性，東汽開展了透平葉片中溫中壓性能試驗。中溫中壓試驗根據(jù)相似原理，測量G50透平葉柵在特定工況下的葉柵表面壓力分布和平均冷卻效率，以間接驗證透平葉片的傳熱冷卻設(shè)計是否合理，并為其傳熱冷卻的設(shè)計和優(yōu)化提供基礎(chǔ)試驗數(shù)據(jù)[5-6]，試驗系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 G50透平中溫中壓冷卻性能試驗系統(tǒng)圖

2.3.4 高溫部件制造

燃?xì)廨啓C制造技術(shù)的難點主要包括燃燒器、透平葉片熱端部件的制造和噴涂技術(shù)，其成敗關(guān)系到能否最終實現(xiàn)燃?xì)廨啓C研制的自主化。

燃燒器結(jié)構(gòu)緊湊精密、設(shè)計型線變化劇烈、材料復(fù)雜、精度要求高，其制造幾乎涉及成形、焊接、加工、熱處理、噴涂等全部冷熱加工專業(yè)。東汽通過綜合數(shù)值模擬、理論計算、試驗驗證、反向優(yōu)化等多種手段，開展燃燒器制造工藝研究。經(jīng)過大量的工藝試驗，先后攻克了高溫鎳基合金材料薄壁成形、焊接、變形控制等技術(shù)難點，建立了工藝參數(shù)文檔、過程控制、工藝文件，固化了工藝流程和檢測標(biāo)準(zhǔn)，成品率顯著提升，已經(jīng)具備了批量生產(chǎn)的能力。成品前、后的對比如圖6所示。

圖6 G50燃燒器試制過程的裂紋缺陷品（a）和燃燒器成品（b）實物照片

G50燃?xì)廨啓C高溫透平葉片采用等軸晶精密鑄造技術(shù)。發(fā)達(dá)國家把燃?xì)廨啓C的透平葉片制造作為高附加值的核心技術(shù)，對我國實施技術(shù)封鎖，當(dāng)前國內(nèi)生產(chǎn)和運行的所有重型燃?xì)廨啓C透平葉片完全依賴進(jìn)口。東汽于2009年承擔(dān)了國家能源局大型清潔高效能源技術(shù)研究中心“高溫部件實驗室”的建設(shè)工作，目前已經(jīng)基本建成了一條完整的高溫部件精密鑄造中試線。在精密鑄造各工序中，引進(jìn)了一批先進(jìn)的設(shè)備和儀器，包括壓蠟機、壓芯機、自動制殼線、真空定向凝固爐、藍(lán)光三維掃描測量儀、陶瓷型芯燒結(jié)爐、X射線數(shù)字探傷儀等。

2015年10月，東汽獲批建設(shè)長壽命高溫材料國家重點實驗室。這也是我國在該領(lǐng)域唯一的國家級重點實驗室，高溫合金透平葉片精確成形正是該實驗室的主要研究方向之一[7]。目前東汽已經(jīng)形成了透平葉片精密鑄造的成熟工藝流程及規(guī)范，初步具備了批量化生產(chǎn)的能力，圖7為G50透平葉片的實物照片。

燃燒器和透平持續(xù)處于高溫氧化環(huán)境中，需對其表面噴涂熱障涂層加以保護(hù)，以提高其使用壽命。東汽系統(tǒng)地建立了涂層材料、工藝及服役性能的數(shù)據(jù)庫，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的噴涂工藝體系，編制了G50高溫部件熱障涂層的制備、檢測、質(zhì)量控制的相關(guān)技術(shù)規(guī)范。圖8為G50高溫部件噴涂涂層后的工程樣件。

2.3.5 整機試驗驗證

圖7 批量生產(chǎn)的G50透平葉片毛坯照片

圖8 G50高溫部件噴涂涂層后的工程樣件實物照片

在燃?xì)廨啓C研發(fā)過程中，整機運行試驗是必不可少的環(huán)節(jié)，也是產(chǎn)品商業(yè)化的關(guān)鍵前提。東汽從2016年開工建設(shè)國內(nèi)最大功率的燃?xì)廨啓C整機滿負(fù)荷試驗平臺。該試驗平臺采用壓氣機作為耗功裝置，動力驅(qū)動采用電機+液力變矩器+齒輪箱的方式，配置及實物如圖9所示。G50試驗樣機上共布置了約3 000個測量元件，包含熱電偶、示溫漆、應(yīng)變片、光學(xué)探頭、間隙測量探頭、加速度傳感器、壓力傳感器等多種測量設(shè)備，可以對機組進(jìn)行全面、高標(biāo)準(zhǔn)的試驗驗證。2020年9月22日，G50燃?xì)廨啓C首次運行至滿負(fù)荷。這是國內(nèi)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的F級燃?xì)廨啓C首次實現(xiàn)滿負(fù)荷運行，壓氣機、燃燒器、透平三大核心部件匹配性能良好，高溫部件被有效冷卻，各項指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計要求。

G50整機滿負(fù)荷試驗的成功標(biāo)志著東汽完整地具備了重型燃?xì)廨啓C的設(shè)計、制造、試驗全過程研制能力，推動了我國燃?xì)廨啓C產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展。

3 總結(jié)及展望

本文介紹了G50的研制歷程、技術(shù)特點、關(guān)鍵設(shè)計制造試驗技術(shù)。經(jīng)過10余年的研制，東汽成功完成了國內(nèi)首臺F級50 MW重型燃?xì)廨啓C的自主研制，填補了F級重型燃?xì)廨啓C方面的技術(shù)空白，為我國天然氣工業(yè)的發(fā)展提供了有力的保障。

東汽將以G50作為母型機，衍生出更多的系列化機型，以滿足不同功率等級及用途的需求。下一步的研制計劃將圍繞以下3個方面開展：

1）不斷升級優(yōu)化G50，提高其參數(shù)水平和市場競爭力。

2）以G50為母型機，開發(fā)10～50 MW等級的系列化產(chǎn)品。

圖9 G50整機試驗平臺模型（a）及實景（b）照片

3）拓寬機組燃料適應(yīng)范圍，使用中低熱值合成氣和摻氫燃料等。

“十四五”期間，東汽將繼續(xù)秉承“綠色動力、驅(qū)動未來”的宗旨，始終堅守高端裝備制造業(yè)的初心，為保障國家能源安全、優(yōu)化能源消費結(jié)構(gòu)做出貢獻(xiàn)。