此前仅有少数国家掌握这一核心技术,中国一举突破

2024-05-14 | 来源: 科技日报 | 转到微信 | 有0人参与评论 | 字体: 放大缩小 | 收藏 | 打印

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着优势。

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。

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“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。