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中国重型燃机获突破功率比美核航母大3倍却无法上舰

本文摘要:据《科技日报》12月26日报导,我国首件自主化300兆瓦级F级重型燃气轮机涡轮第一级静叶铸件,25日成功通过鉴定。这项进展被称作是我国在重型燃机热端核心部件上获得的第一个最重要突破,也是国家科技根本性专项航空发动机和燃气轮机目前为止最重要的里程碑式的成果。要解读所谓的重型燃气轮机涡轮第一级静叶铸件的重大意义所在,就要从理解这件产品在燃气轮机上的方位。

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据《科技日报》12月26日报导,我国首件自主化300兆瓦级F级重型燃气轮机涡轮第一级静叶铸件,25日成功通过鉴定。这项进展被称作是我国在重型燃机热端核心部件上获得的第一个最重要突破,也是国家科技根本性专项航空发动机和燃气轮机目前为止最重要的里程碑式的成果。要解读所谓的重型燃气轮机涡轮第一级静叶铸件的重大意义所在,就要从理解这件产品在燃气轮机上的方位。

当代少见的燃气轮机在整体结构上与飞机的涡扇式喷气发动机大同小异,由压气机、燃烧室和涡轮构成的核心机部分是其中的关键设备,而在这其中正处于冷燃气流中的热端部件,如火焰筒、燃气涡轮、导向器及燃烧室等又是其关键中的关键。这其中,燃气涡轮的主要起到,就是将燃烧室中高温、高压燃气的能量改变为机械功,以其中的一部分造就冻端的压气机压缩空气维持燃气轮机的持续运转,剩下部分则作为燃气轮机的输出功率,造就发电机或者其他设备。此次生产的燃气轮机涡轮第一级静叶就是燃气涡轮这一部件的组成部分,也是燃气涡轮中第一个认识高温高压燃气流的。

静叶在这其中的最重要起到,是将炉气流更进一步收缩加快,同时减少燃气的压力和温度,从而更佳地让涡轮中的叶片或者说转子倒数转动,产生动力输入。由于燃气轮机涡轮第一级静叶在工作中年所认识高温燃气,且一直被气所围困,因此其工作条件十分险恶,再加燃气轮机启动速度较慢,在启动和停机时,要在短时间内构建很快的加剧和降温,所受到的热冲击也尤为相当严重,因此第一级静叶在设计中,拒绝不具备充足的强度和刚性的同时,还要需要耐高温、耐高温生锈、热冲击,并且无法有过于大的热应力。

由于技术难度大,加工拒绝低,长期以来,我国在燃气轮机领域的研究累积严重不足,要么不能仿造国外结构比较简单的产品,要么就是利用航空工业生产的航空发动机改装燃气轮机。这些产品普遍存在着性能劣、功率小的问题。

再加上世纪末国内燃气轮机发电机系统因为油气供应相当严重紧缺和以煤代油的能源政策陷于衰退,直到21世纪开始,我国才确实在燃气轮机领域积极开展重型燃气轮机的大规模技术引进和自律研发。这些重型燃气轮机按照燃烧室温度,目前可以分成E级,F级和H级,其技术难度和先进设备程度也逐层提高,在国内大规模研制F级重型燃气轮机之前,我国在2001年先启动了由中航工业、清华大学、中科院工程热物理研究所、上海交通大学等单位构成设计研制项目联合体,牵头研制的R0110重型E级燃气轮机研制工作,并在2014年3月21日成功通过了专家组竣工验收。在此基础上,国内多家厂所研究机构积极开展了F级重型燃机的实验设施建设和自行研制工作。

在这其中,有一个项目与国家电投中国重燃300MW级F级重型燃机的研制密切相关,那就是北京华清燃机公司(其前身为2008年国家发改委批准后正式成立的燃气轮机与煤气化牵头循环国家工程研究中心)研制的CGT-60F型70MW燃气轮机。因为这款发动机从一开始就没符合与70MW的功率,而是将其作为国产F级300MW重型燃气轮机的技术验证机展开的研制。

在2016年对北京华清CGT-60F燃气轮机设计团队的采访中,总设计师陈伟博士就曾多次具体回应,研制CGT-60F的目的,就是糅合国际燃气轮机巨头GE、西门子、三菱的经验,从研制小功率的原型机应从,突破并掌控F级燃机设计和生产核心技术,然后使用模化缩放或增大的方法,在较短时期内构成同一技术等级的有所不同功率的系列化燃机型号。只要在缩放/增大的过程中维持压气机压比、透平进口温度、主机总体结构、关键零部件材料与加工工艺恒定,在遵循上述原则而且在一定的缩放/增大比例内,原型机可以在短时间内一步缩放/增大为同一技术等级但是有所不同功率大小的系列产品,需要再行研发新的核心技术,且可大幅度节省研发投资、延长研发周期、减少研制风险。

此次的300兆瓦级F级重型燃气轮机涡轮第一级静叶本身,就就是指CGT-60F燃气轮机的涡轮第一级静叶模化缩放而来。至于后者,根据《科技日报》2016年的报导,北京华清在当年的7月29日就宣告具备几乎自律知识产权的F级重型燃气轮机CGT-60F(燃气温度1400℃)全三维填充弯曲透平第一级静叶片在中国燃气涡轮研究院顺利完成高温加热效果试验,各项性能指标还包括叶片加热效率、叶片温度产于皆高于设计拒绝,标志着我国重型燃气轮机核心设计生产技术的重大突破。

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根据当时的讲解,全三维填充弯曲浮安静叶片归属于重型燃气轮机领域国内外首创,与传统的直叶片比起,全三维填充弯曲造型气动损失小、效率高,但叶片加热设计可玩性大,牵涉到气动、热传导、强度多学科。华清燃机公司经过多年自主创新,攻下了多个设计技术考验,创建了设计体系和设计规范,并取得了11项发明专利;重型燃气轮机叶片尺寸大,超级合金毛坯仪器铸是普遍认为的顶级铸技术,无锡永瀚公司在国内首度掌控了这项关键生产工艺。而在当时的新闻报道中,就曾具体回应,CGT-60F(70MW)第一级静叶片,在透平进口压力和温度恒定的条件下,可以仍然必须做到加热效果试验而必要相近缩放到F级300MW燃气轮机透平叶片。

这也就是今天我国首件自主化300兆瓦级F级重型燃气轮机涡轮第一级静叶铸件的技术来源。由于燃气轮机本身的敏感性以及与航空工业的不解之缘,中外媒体都很更容易将其用途往军事上误解。

之前我国研制成功R0110重型燃气轮机的时候,就有大量媒体在报导中未来发展将其用作还包括驱动航空母舰在内的各种军用场景。300MW级F级重型燃气轮机对于任何船只来说都过于大了(美国福特级核动力航空母舰的前进功率也只有104MW),再加这类重型燃气轮机一般用于的燃料都是天然气,其用途也和驱动舰艇什么的关系不大。这类燃气轮机的主要用途还是用作发电,一般来说,功率较小的燃气轮机合适和发电机独立国家构成循环系统,也称作开式循环。

其优点是装机慢、起停灵活性,多用作电网调峰和交通、工业动力系统。而300MW级F级重型燃气轮机这样的大型燃气轮机,则合适与发电机再加设施的余热锅炉联合构成的循环系统,它在利用燃气轮机展开发电的同时,还能将燃气轮机排泄的功后高温耗烟气通过余热锅炉重复使用,切换为蒸汽或热水,要么诸如蒸汽轮机之后发电,要么作为暖气加以利用,也有将余热锅炉的蒸汽返流经燃气轮机提升燃气轮机出力和效率。不管使用哪一种形式,这种发电形式的燃料利用率都相比之下低于普通的内外燃机,不具备很好的经济效益。


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