中國自主300兆瓦級重型燃機技術從哪裏來？-施洋

【文/觀察者網專欄作者 施洋】

據《科技日報》12月26日報道，我國首件自主化300兆瓦級F級重型燃氣輪機渦輪第一級靜葉鑄件，25日順利通過鑑定。這項進展被稱作是我國在重型燃機熱端核心部件上取得的第一個重要突破，也是國家科技重大專項“航空發動機和燃氣輪機”迄今最重要的里程碑式的成果。

要理解所謂的“重型燃氣輪機渦輪第一級靜葉鑄件”的重大意義所在，就要從瞭解這件產品在燃氣輪機上的位置。當代常見的燃氣輪機在整體結構上與飛機的渦扇式噴氣發動機大同小異，由壓氣機、燃燒室和渦輪組成的核心機部分是其中的關鍵設備，而在這其中處於熱燃氣流中的熱端部件，如火焰筒、燃氣渦輪、導向器及噴管等又是其關鍵中的關鍵。

燃燒室右側紅色氣體的部分需要的就是熱端部件

這其中，燃氣渦輪的主要作用，就是將燃燒室中高温、高壓燃氣的能量轉變為機械功，以其中的一部分帶動冷端的壓氣機壓縮空氣保持燃氣輪機的持續運轉，剩餘部分則作為燃氣輪機的輸出功率，帶動發電機或者其他設備。

此次製造的“燃氣輪機渦輪第一級靜葉”就是燃氣渦輪這一部件的組成部分，也是燃氣渦輪中第一個接觸高温高壓燃氣流的。靜葉在這其中的重要作用，是將燃氣流進一步膨脹加速，同時降低燃氣的壓力和温度，從而更好地讓渦輪中的葉片或者説轉子連續旋轉，產生動力輸出。

由於燃氣輪機渦輪第一級靜葉在工作中最先接觸高温燃氣，且始終被氣所包圍，因此其工作條件極為惡劣，加上燃氣輪機啓動速度較快，在啓動和停機時，要在短時間內實現迅速的升温和降温，所受到的熱衝擊也最為嚴重，因此第一級靜葉在設計中，要求具備足夠的強度和剛度的同時，還要能夠耐高温、耐熱腐蝕、熱衝擊，並且不能有太大的熱應力。

一般看到的這些葉片多為轉子，與靜葉片交錯佈置

由於技術難度大，加工要求高，長期以來，我國在燃氣輪機領域的研究積累不足，要麼只能仿製國外結構比較簡單的產品，要麼就是利用航空工業生產的航空發動機改裝成燃氣輪機。這些產品普遍存在着性能差、功率小的問題。加上上世紀末國內燃氣輪機發電機系統因為油氣供應嚴重短缺和“以煤代油”的能源政策陷入停滯，直到21世紀開始，我國才真正在燃氣輪機領域開展重型燃氣輪機的大規模技術引進和自主研發。

這些重型燃氣輪機按照燃燒室温度，目前可以分為E級，F級和H級，其技術難度和先進程度也逐級提升，在國內大規模研製F級重型燃氣輪機之前，我國在2001年先啓動了由中航工業、清華大學、中科院工程熱物理研究所、上海交通大學等單位組成設計研製項目聯合體，聯合研製的R0110重型E級燃氣輪機研製工作，並在2014年3月21日順利通過了專家組驗收。在此基礎上，國內多家廠所研究機構開展了F級重型燃機的實驗設施建設和自行研製工作。

此前我國研製的R0110重型E級燃氣輪機

在這其中，有一個項目與國家電投中國重燃300MW級F級重型燃機的研製密切相關，那就是北京華清燃機公司（其前身為2008年國家發改委批准成立的燃氣輪機與煤氣化聯合循環國家工程研究中心）研製的CGT-60F型70MW燃氣輪機。因為這款發動機從一開始就沒有滿足與70MW的功率，而是將其作為國產F級300MW重型燃氣輪機的技術驗證機進行的研製。

GE公司F級燃機產品模化關係，同一系列燃機的燃燒室完全相同，只是個數不同

在2016年對北京華清CGT-60F燃氣輪機設計團隊的專訪中，總設計師陳偉博士就曾經明確表示，研製CGT-60F的目的，就是借鑑國際燃氣輪機巨頭GE、西門子、三菱的經驗，“從研製小功率的原型機入手，突破並掌握F級燃機設計和製造核心技術，然後採用模化放大或縮小的方法，在較短時期內形成同一技術等級的不同功率的系列化燃機型號”。只要在放大/縮小的過程中保持壓氣機壓比、透平進口温度、主機總體結構、關鍵零部件材料與加工工藝不變，在遵循上述原則而且在一定的放大/縮小比例內，原型機可以在短時間內一步放大/縮小為同一技術等級但是不同功率大小的系列產品，無需再研發新的核心技術，且可大幅節省研發投資、縮短研發週期、降低研製風險。

此前我國研製的CGT-60F燃氣輪機

此次的300兆瓦級F級重型燃氣輪機渦輪第一級靜葉本身，就是從CGT-60F燃氣輪機的渦輪第一級靜葉模化放大而來。至於後者，根據《科技日報》2016年的報道，北京華清在當年的7月29日就宣佈具有完全自主知識產權的F級重型燃氣輪機CGT-60F（燃氣温度1400℃）全三維複合傾斜透平第一級靜葉片在中國燃氣渦輪研究院順利完成高温冷卻效果試驗，各項性能指標包括葉片冷卻效率、葉片温度分佈均優於設計要求，標誌着我國重型燃氣輪機核心設計製造技術的重大突破。

根據當時的介紹，全三維複合傾斜透平靜葉片屬於重型燃氣輪機領域國內外首創，與傳統的直葉片相比，全三維複合傾斜造型氣動損失小、效率高，但葉片冷卻設計難度大，涉及氣動、傳熱、強度多學科。華清燃機公司經過多年自主創新，攻克了多個設計技術難關，建立了設計體系和設計規範，並獲得了11項發明專利；重型燃氣輪機葉片尺寸大，超級合金毛坯精密鑄造是公認的頂級鑄造技術，無錫永瀚公司在國內率先掌握了這項關鍵製造工藝。

CGT-60F（70MW）第一級靜葉片，在結構上與此次的300兆瓦級F級重型燃氣輪機渦輪第一級靜葉基本一致

而在當時的新聞報道中，就曾明確表示，CGT-60F（70MW）第一級靜葉片，在透平進口壓力和温度不變的條件下，可以不再需要做冷卻效果試驗而直接相似放大到F級300MW燃氣輪機透平葉片。這也就是今天我國首件自主化300兆瓦級F級重型燃氣輪機渦輪第一級靜葉鑄件的技術來源。

由於燃氣輪機本身的敏感性以及與航空工業的不解之緣，中外媒體都很容易將其用途往軍事上聯想。之前我國研製成功R0110重型燃氣輪機的時候，就有大量媒體在報道中展望將其用於包括驅動航空母艦在內的各種軍用場景。300MW級F級重型燃氣輪機對於任何船隻來説都太大了（美國“福特”級核動力航空母艦的推進功率也只有104MW），加上這類重型燃氣輪機一般使用的燃料都是天然氣，其用途也和驅動艦艇什麼的關係不大。

這些重型燃氣輪機並不適合船用，而是更加單純的發電機組

這類燃氣輪機的主要用途還是用於發電，一般來説，功率較小的燃氣輪機適合和發電機獨立組成循環系統，也稱為開式循環。其優點是裝機快、起停靈活，多用於電網調峯和交通、工業動力系統。而300MW級F級重型燃氣輪機這樣的大型燃氣輪機，則適合與發電機加上配套的餘熱鍋爐共同組成的循環系統，它在利用燃氣輪機進行發電的同時，還能將燃氣輪機排出的功後高温乏煙氣通過餘熱鍋爐回收，轉換為蒸汽或熱水，要麼諸如蒸汽輪機繼續發電，要麼作為供暖加以利用，也有將餘熱鍋爐的蒸汽回注入燃氣輪機提高燃氣輪機出力和效率。不管採用哪一種形式，這種發電形式的燃料利用率都遠遠高於普通的內外燃機，具備很好的經濟效益。

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