【创新故事】

    ◎本报记者 矫 阳  孙 瑜

    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著优势。

    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。

    “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。

    “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。

    模具有了，透平叶片生产出来了，但并没有“过关”。丛健说：“我们还需要尽可能给它找到降温的办法。”

    研发团队费尽心血在叶片结构上下功夫，先是通过在叶身设计异形气膜孔结构来提升冷却效率。

    “在此基础上，大家又探索出在叶片内部设计密布的‘迷宫式’结构，让冷却气体进入叶片内腔并迂回而行，进一步加强冷却效果。”丛健介绍，透平叶片研制工作一干就是2年多，通过不懈努力，成品率不断提升，生产成本持续降低。

    “核心部件研制过程中，研发团队创新开发出陶瓷型芯、高温合金、热扩散涂层等多种新材料及其制造工艺，打破多项国外技术垄断。”陈克杰告诉记者。

    拿下市场“通行证”

    2016年，中国航发成立。在其全力推动下，“太行110”研制进程全面提速。

    一个个凝聚着研发人员心血的零部件，组装出“太行110”。

    此时，整机长时间稳定运行成为重大考验。它是检验“太行110”性能是否合格的关键环节，也是决定其能否进入市场的“通行证”。

    2021年，“太行110”身披红绸彩带，来到中国海洋石油集团有限公司深圳大鹏电厂，开展整机长时间试验运行。

    试验过程并非一帆风顺，仅燃烧室就先后经历多轮循环验证。

    在燃烧室内，经压缩的空气与天然气被混合、点燃，产生高温高压气流形成压力波动，犹如“哪吒闹海”般横冲直撞，极易引起整机振荡。当振荡超过一定幅度时，会损坏透平叶片甚至整个燃烧室，引发整机故障。

    “如何解决这一问题，无经验可循。大家只能采用‘笨办法’，一步步摸索改进方案。”研发团队资深专家李景波介绍，经过多轮尝试，他们找到了最适合“太行110”的燃料配比与喷射方法，成功突破重型燃气轮机干式排放燃烧室设计等核心技术，最终解决了振荡难题。

    “经测算，我们设计研制的燃烧室，不但符合振荡要求，而且燃烧效率高于99%，既满足基本负荷运行要求，又符合国家低排放设计标准。”李景波告诉记者。

    历经多个分阶段试运行后，2023年6月4日，“太行110”单台运行时长超过7000当量小时、累计运行突破14000当量小时，顺利通过整机验证。这标志着，我国已经成功研制出具有完全自主知识产权的110兆瓦重型燃气轮机。

    “2023年9月，习近平总书记回信勉励中国航发黎明发动机装配厂‘李志强班’职工，‘努力攻克更多关键核心技术’‘为实现高水平科技自立自强积极贡献力量’。”赵勇说，“未来，我们将依托中国航发先进技术，用好‘太行110’成功经验，继续推动国产重型燃气轮机向更大功率迈进，为中国制造增添新亮色！”