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【文/觀察者網(wǎng)專欄作者 施洋】

據(jù)《科技日報(bào)》12月26日報(bào)道，我國首件自主化300兆瓦級F級重型燃?xì)廨啓C(jī)渦輪第一級靜葉鑄件，25日順利通過鑒定。這項(xiàng)進(jìn)展被稱作是我國在重型燃機(jī)熱端核心部件上取得的第一個(gè)重要突破，也是國家科技重大專項(xiàng)“航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)”迄今最重要的里程碑式的成果。

要理解所謂的“重型燃?xì)廨啓C(jī)渦輪第一級靜葉鑄件”的重大意義所在，就要從了解這件產(chǎn)品在燃?xì)廨啓C(jī)上的位置。當(dāng)代常見的燃?xì)廨啓C(jī)在整體結(jié)構(gòu)上與飛機(jī)的渦扇式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)大同小異，由壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪組成的核心機(jī)部分是其中的關(guān)鍵設(shè)備，而在這其中處于熱燃?xì)饬髦械臒岫瞬考缁鹧嫱?、燃?xì)鉁u輪、導(dǎo)向器及噴管等又是其關(guān)鍵中的關(guān)鍵。

燃燒室右側(cè)紅色氣體的部分需要的就是熱端部件

這其中，燃?xì)鉁u輪的主要作用，就是將燃燒室中高溫、高壓燃?xì)獾哪芰哭D(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功，以其中的一部分帶動(dòng)冷端的壓氣機(jī)壓縮空氣保持燃?xì)廨啓C(jī)的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，剩余部分則作為燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)或者其他設(shè)備。

此次制造的“燃?xì)廨啓C(jī)渦輪第一級靜葉”就是燃?xì)鉁u輪這一部件的組成部分，也是燃?xì)鉁u輪中第一個(gè)接觸高溫高壓燃?xì)饬鞯?。靜葉在這其中的重要作用，是將燃?xì)饬鬟M(jìn)一步膨脹加速，同時(shí)降低燃?xì)獾膲毫蜏囟龋瑥亩玫刈寽u輪中的葉片或者說轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生動(dòng)力輸出。

由于燃?xì)廨啓C(jī)渦輪第一級靜葉在工作中最先接觸高溫燃?xì)?，且始終被氣所包圍，因此其工作條件極為惡劣，加上燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)速度較快，在啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)，要在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)迅速的升溫和降溫，所受到的熱沖擊也最為嚴(yán)重，因此第一級靜葉在設(shè)計(jì)中，要求具備足夠的強(qiáng)度和剛度的同時(shí)，還要能夠耐高溫、耐熱腐蝕、熱沖擊，并且不能有太大的熱應(yīng)力。

一般看到的這些葉片多為轉(zhuǎn)子，與靜葉片交錯(cuò)布置

由于技術(shù)難度大，加工要求高，長期以來，我國在燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域的研究積累不足，要么只能仿制國外結(jié)構(gòu)比較簡單的產(chǎn)品，要么就是利用航空工業(yè)生產(chǎn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)改裝成燃?xì)廨啓C(jī)。這些產(chǎn)品普遍存在著性能差、功率小的問題。加上上世紀(jì)末國內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)因?yàn)橛蜌夤?yīng)嚴(yán)重短缺和“以煤代油”的能源政策陷入停滯，直到21世紀(jì)開始，我國才真正在燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域開展重型燃?xì)廨啓C(jī)的大規(guī)模技術(shù)引進(jìn)和自主研發(fā)。

這些重型燃?xì)廨啓C(jī)按照燃燒室溫度，目前可以分為E級，F(xiàn)級和H級，其技術(shù)難度和先進(jìn)程度也逐級提升，在國內(nèi)大規(guī)模研制F級重型燃?xì)廨啓C(jī)之前，我國在2001年先啟動(dòng)了由中航工業(yè)、清華大學(xué)、中科院工程熱物理研究所、上海交通大學(xué)等單位組成設(shè)計(jì)研制項(xiàng)目聯(lián)合體，聯(lián)合研制的R0110重型E級燃?xì)廨啓C(jī)研制工作，并在2014年3月21日順利通過了專家組驗(yàn)收。在此基礎(chǔ)上，國內(nèi)多家廠所研究機(jī)構(gòu)開展了F級重型燃機(jī)的實(shí)驗(yàn)設(shè)施建設(shè)和自行研制工作。

此前我國研制的R0110重型E級燃?xì)廨啓C(jī)

在這其中，有一個(gè)項(xiàng)目與國家電投中國重燃300MW級F級重型燃機(jī)的研制密切相關(guān)，那就是北京華清燃機(jī)公司（其前身為2008年國家發(fā)改委批準(zhǔn)成立的燃?xì)廨啓C(jī)與煤氣化聯(lián)合循環(huán)國家工程研究中心）研制的CGT-60F型70MW燃?xì)廨啓C(jī)。因?yàn)檫@款發(fā)動(dòng)機(jī)從一開始就沒有滿足與70MW的功率，而是將其作為國產(chǎn)F級300MW重型燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)驗(yàn)證機(jī)進(jìn)行的研制。

GE公司F級燃機(jī)產(chǎn)品模化關(guān)系，同一系列燃機(jī)的燃燒室完全相同，只是個(gè)數(shù)不同

在2016年對北京華清CGT-60F燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的專訪中，總設(shè)計(jì)師陳偉博士就曾經(jīng)明確表示，研制CGT-60F的目的，就是借鑒國際燃?xì)廨啓C(jī)巨頭GE、西門子、三菱的經(jīng)驗(yàn)，“從研制小功率的原型機(jī)入手，突破并掌握F級燃機(jī)設(shè)計(jì)和制造核心技術(shù)，然后采用模化放大或縮小的方法，在較短時(shí)期內(nèi)形成同一技術(shù)等級的不同功率的系列化燃機(jī)型號”。只要在放大/縮小的過程中保持壓氣機(jī)壓比、透平進(jìn)口溫度、主機(jī)總體結(jié)構(gòu)、關(guān)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(nèi)，原型機(jī)可以在短時(shí)間內(nèi)一步放大/縮小為同一技術(shù)等級但是不同功率大小的系列產(chǎn)品，無需再研發(fā)新的核心技術(shù)，且可大幅節(jié)省研發(fā)投資、縮短研發(fā)周期、降低研制風(fēng)險(xiǎn)。

此前我國研制的CGT-60F燃?xì)廨啓C(jī)

此次的300兆瓦級F級重型燃?xì)廨啓C(jī)渦輪第一級靜葉本身，就是從CGT-60F燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪第一級靜葉模化放大而來。至于后者，根據(jù)《科技日報(bào)》2016年的報(bào)道，北京華清在當(dāng)年的7月29日就宣布具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的F級重型燃?xì)廨啓C(jī)CGT-60F（燃?xì)鉁囟?400℃）全三維復(fù)合傾斜透平第一級靜葉片在中國燃?xì)鉁u輪研究院順利完成高溫冷卻效果試驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)包括葉片冷卻效率、葉片溫度分布均優(yōu)于設(shè)計(jì)要求，標(biāo)志著我國重型燃?xì)廨啓C(jī)核心設(shè)計(jì)制造技術(shù)的重大突破。

根據(jù)當(dāng)時(shí)的介紹，全三維復(fù)合傾斜透平靜葉片屬于重型燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域國內(nèi)外首創(chuàng)，與傳統(tǒng)的直葉片相比，全三維復(fù)合傾斜造型氣動(dòng)損失小、效率高，但葉片冷卻設(shè)計(jì)難度大，涉及氣動(dòng)、傳熱、強(qiáng)度多學(xué)科。華清燃機(jī)公司經(jīng)過多年自主創(chuàng)新，攻克了多個(gè)設(shè)計(jì)技術(shù)難關(guān)，建立了設(shè)計(jì)體系和設(shè)計(jì)規(guī)范，并獲得了11項(xiàng)發(fā)明專利；重型燃?xì)廨啓C(jī)葉片尺寸大，超級合金毛坯精密鑄造是公認(rèn)的頂級鑄造技術(shù)，無錫永瀚公司在國內(nèi)率先掌握了這項(xiàng)關(guān)鍵制造工藝。

CGT-60F（70MW）第一級靜葉片，在結(jié)構(gòu)上與此次的300兆瓦級F級重型燃?xì)廨啓C(jī)渦輪第一級靜葉基本一致

而在當(dāng)時(shí)的新聞報(bào)道中，就曾明確表示，CGT-60F（70MW）第一級靜葉片，在透平進(jìn)口壓力和溫度不變的條件下，可以不再需要做冷卻效果試驗(yàn)而直接相似放大到F級300MW燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)渦輪第一級靜葉鑄件的技術(shù)來源。

由于燃?xì)廨啓C(jī)本身的敏感性以及與航空工業(yè)的不解之緣，中外媒體都很容易將其用途往軍事上聯(lián)想。之前我國研制成功R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)的時(shí)候，就有大量媒體在報(bào)道中展望將其用于包括驅(qū)動(dòng)航空母艦在內(nèi)的各種軍用場景。300MW級F級重型燃?xì)廨啓C(jī)對于任何船只來說都太大了（美國“福特”級核動(dòng)力航空母艦的推進(jìn)功率也只有104MW），加上這類重型燃?xì)廨啓C(jī)一般使用的燃料都是天然氣，其用途也和驅(qū)動(dòng)艦艇什么的關(guān)系不大。

這些重型燃?xì)廨啓C(jī)并不適合船用，而是更加單純的發(fā)電機(jī)組

這類燃?xì)廨啓C(jī)的主要用途還是用于發(fā)電，一般來說，功率較小的燃?xì)廨啓C(jī)適合和發(fā)電機(jī)獨(dú)立組成循環(huán)系統(tǒng)，也稱為開式循環(huán)。其優(yōu)點(diǎn)是裝機(jī)快、起停靈活，多用于電網(wǎng)調(diào)峰和交通、工業(yè)動(dòng)力系統(tǒng)。而300MW級F級重型燃?xì)廨啓C(jī)這樣的大型燃?xì)廨啓C(jī)，則適合與發(fā)電機(jī)加上配套的余熱鍋爐共同組成的循環(huán)系統(tǒng)，它在利用燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行發(fā)電的同時(shí)，還能將燃?xì)廨啓C(jī)排出的功后高溫乏煙氣通過余熱鍋爐回收，轉(zhuǎn)換為蒸汽或熱水，要么諸如蒸汽輪機(jī)繼續(xù)發(fā)電，要么作為供暖加以利用，也有將余熱鍋爐的蒸汽回注入燃?xì)廨啓C(jī)提高燃?xì)廨啓C(jī)出力和效率。不管采用哪一種形式，這種發(fā)電形式的燃料利用率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的內(nèi)外燃機(jī)，具備很好的經(jīng)濟(jì)效益。

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