燃气轮机何以被称为制造业“皇冠上的明珠”
图为燃气轮机[1]
导读
燃气轮机被誉为“制造业“皇冠上的明珠””，其设计、制造和试验涉及众多技术门类。本文从压气机、燃烧室和燃气透平三部分出发介绍了燃气轮机的基本工作原理，回顾了50年代以来我国燃气轮机产业起步、低潮、再度兴起的发展历程，概括了落后于世界领先水平的主要原因，并介绍了近年来燃气轮机产业取得的重要进展。文章最后从燃气轮机三大部件出发介绍了其关键技术难点。
本文总字数2615，阅读约8分钟。
作者简介
刘明，清华大学2020年研究生特等奖学金候选人，清华大学能动系16级直博生，师从曹树良教授，主要研究方向为：流体机械的性能预测、流动机理与优化设计。他紧紧围绕国家重大战略需求，通过深入研究内流机理提出优化设计方法，进一步提升气液混输泵的性能，为加快深海油气资源的开采提供关键设备支持。
主要研究贡献
叶片式气液混输泵是应用于深海油气输运的主流装备，对于维护我国的海洋权益和能源安全具有重要的战略意义。由于气液混输泵中输运的是液相和气相的混合介质，泵内两相之间的相互作用会使性能产生显著的下降，影响其高效稳定的运行。为了有效提升泵的性能，需要对其中的两相流动过程有深入的理解。为此，我们引入动力学模态分解（Dynamic Mode Decomposition）方法，对不同频率下不同尺度的两相流动结构进行了解耦，揭示了流动损失的主要来源，并据此提出了针对性的结构优化方案。
我们的主要研究贡献在于，建立了基于奥森涡（Oseen Vortex）结构的流场预测模型，提出了一种多级优化设计方案。通过对流场的准确预测，设计能够匹配流场特征的叶片结构，从而抑制叶片进口的冲击损失。通过这种优化方法，可以有效地提升叶片式气液混输泵的效率性能。
01
燃气轮机基本原理
图1. 燃气轮机基本结构示意图[1]
燃气轮机是一种将空气增压后与燃料充分反应，形成高温高压的燃气带动透平高速旋转，从而输出机械功的动力机械，其主要结构包括压气机、燃烧室、燃气透平三个部分。空气自外界被吸入压气机并被压缩为高压气体，随后在燃烧室内与喷入的燃料充分混合燃烧生成高温高压的燃气，高速流动的燃气进入透平带动叶轮和负荷转子高速旋转，从而实现将燃料的化学能转化为机械能。燃气轮机与蒸汽轮机这类常规的动力机械装置相比，具有功率大、效率高、启动快、体积小、重量轻等一系列优势。
世界上第一台发电用重型燃气轮机诞生于1939年的瑞士。经过80余年的发展，以燃气轮机为核心的联合循环电站已经成为目前发电的主要形式，占全球发电量的20%以上[3]。燃气轮机的技术发展主要体现在燃气温度、压比、热效率等性能参数的提升，目前重型燃气轮机的单循环和联合循环的效率分别可以达到40%和60%以上，是各类热-功转换发电系统中效率最高的大规模商业化发电方式。
图2. 重型燃气轮机技术发展趋势[4]
由于燃气轮机的整机设计与制造涉及高温材料、机械加工、精密铸造、部件冷却和防腐保护等诸多方面，集当各类技术科学于一身，被誉为“制造业‘皇冠上的明珠’”。
02
我国燃气轮机技术发展进程
我国的重型燃气轮机产业创立于20世纪50年代，与世界发达国家相比起步并不晚。20世纪50年代至70年代，我国通过消化吸收苏联的技术经验，在此基础上开展自主设计、制造和试验，制造出容量从200 kW到25000 kW的多种型号的燃气轮机，包括车载燃气轮机、机车燃气轮机和重型燃气轮机等门类。虽然经历了早期的技术发展，但是燃气轮机产业却从80年代开始陷入低潮。当时，由于全国油气资源严重短缺，燃油和燃气在发电行业的应用受到限制，燃气轮机也因为必要燃料的限制而难以为继。在这段低潮期内，燃气轮机制造企业相继退出，相关研发投入陷入停滞，大学燃机专业也转而研究其他方向。正是在这段时间里，我国燃气轮机技术与世界领先水平逐渐拉开了差距。
图3. 西门子公司燃气轮机[5]
直至本世纪初，我国燃气轮机产业才逐渐走出低谷。随着西部地区蕴藏丰富的天然气资源的发现与开发，以及进口液化天然气资源的增长，长期限制燃气轮机产业发展的燃料问题得到了解决。同时，长期以来煤炭占主导地位的一次能源生产和消费结构，也带来了日益严峻的环境问题。在这种形势下，清洁高效的燃气轮机发电方案再度引起人们的关注。2001年，国家发改委发布了《燃气轮机产业发展和技术引进工作实施意见》[6]，希望通过以市场换取部分制造技术的方式，实现燃气轮机产业的发展。上海汽轮机厂、哈尔滨汽轮机厂和东方汽轮机厂分别与国外企业合作引进F级燃气轮机。尽管这种方式使得国内电力市场对于燃气轮机的需求问题得到缓解，但并没有从根本上解决燃气轮机自主设计制造等核心技术受限于人的问题。
图4. R0110重型燃气轮机[7]
为了在燃气轮机核心技术上取得突破实现自主化，重型燃气轮机项目先后被列入“863计划”和“科技创新2030-重大项目”。前者支持的R0110重型燃气轮机研制项目完成了我国自主研究的第一台重型燃气轮机的设计与研制。后者支持的航空发动机和燃气轮机专项（“两机专项”）也取得了一系列重要进展，于2018年底完成了我国首件自主化300MW级F级重型燃气轮机涡轮第一级静叶铸件，这是我国在重型燃气轮机热端核心部件上取得的第一个重要突破。
03
燃气轮机关键技术难点
燃气轮机的设计、制造和试验涉及多个学科门类，一般从基础和应用基础的角度出发将其划分为10个方面的学科及其交叉学科，具体包括：燃气轮机系统和工程热力学、声学、叶轮机械内流气动热力学与计算流体力学、传热学、燃烧学、固体力学与转子动力学、控制科学、材料科学、机械制造学和测量技术。目前的核心技术需求集中在燃烧室和透平组成的热端部件及其控制系统，包括部件的机理和性能、设计方法和设计准则、试验研究与测量技术、高温与耐热涂层材料及其加工工艺、热端部件疲劳与寿命评估、热端部件维修核心技术等。[3]
压气机部分的核心技术在于叶片设计。随着负荷的提升，压气机内部流场的逆压梯度更加明显，伴随着复杂的激波、转捩、流动分离等现象，需要通过合适的叶型设计同时满足压气机负荷与效率的要求。燃烧室部分的核心技术在于通过结构设计实现更优的燃烧组织，达到高稳定性、低排放以及燃料适应性等方面的要求。目前一般采用多喷嘴和环管型结构，既保证燃烧的稳定性，也能在较宽的工作范围内保持较低的污染物排放。
图5. 三菱公司透平静叶冷却发展过程[3]
透平部分的设计关键则在于冷却，这同时也是当前重型燃气轮机最关键的核心难点之一。目前先进燃气轮机的燃气温度已经能够达到1500 ℃ 以上，并在朝着更高的水平发展，常规叶片材料难以稳定地在这样的高温下工作，必须通过一定的方式对叶片进行冷却以保证安全性。应用比较广泛的冷却方式包括内部强化换热和气膜冷却等方法。内部强化换热通过布置扰流肋和扰流柱等结构增强对流换热的效果。气膜冷却通过从叶片上布置的圆孔喷射冷气在叶片表面形成低温薄膜，从而将叶片表面与高温燃气隔离开，是目前最为常用的冷却手段。一方面，气膜冷却的效果与开孔尺寸、布置方式、通气方式等多种因素相关；另一方面，叶片内部开孔进一步增大了加工制造的难度，并对材料性能提出了更高的要求。
图6. 三菱公司透平静叶冷却发展过程[8]
2020年11月27日，中国工程院院士、50MW重型燃气轮机满负荷运行见证专家组组长陈学东正式宣布：“东方电气自主研发的国内首台F级50MW重型燃气轮机达到满负荷，各项运行指标正常，专家组见证完毕。”这是国内首台自主研发的F级50MW重型燃气轮机，自今年5月12日正式开始带负荷试验后，经过多次负荷提升最终达到满负荷运行状态并稳定工作。这次重型燃气轮机满负荷试验的圆满成功，填补了国内重型燃机技术空白，标志着我国在燃气轮机自主设计、试验与制造的全过程上又迈出了坚实的一步。
参考文献
[1] 震撼！GE燃气轮机：从战机到发电机
https://www.sohu.com/a/199129117_651535
[2] 中国自主铸成重型燃机大尺寸一级静叶
http://www.stdaily.com/app/beijing/2018-12/26/content_742871.shtml
[3] 蒋洪德, 任静, 李雪英, 谭勤学. 重型燃气轮机现状与发展趋势[J]. 中国电机工程学报, 2014, 34(29): 5096-5102.
[4] 蒋洪德. 加速推进重型燃气轮机核心技术研究开发和国产化[J]. 动力工程学报, 2011, 31(8): 563-566.
[5] 全球燃气轮机巨头寻找全球合作伙伴 最优先考虑中国
http://mil.news.sina.com.cn/jssd/2018-09-06/doc-ihitesuz2195252.shtml
[6] 李孝堂. 燃气轮机的发展及中国的困局[J]. 航空发动机, 2011, 37(3): 1-7.
[7] 中国R0110重型燃气轮机研制取得里程碑意义的胜利
http://news.ifeng.com/mil/2/200908/0831_340_1327059.shtml
[8] 李雪英. 气膜冷却各向异性湍流场中流动传热的相互作用机理研究[D]. 北京: 清华大学, 2013.
[9] 国内首台F级50MW重型燃气轮机满负荷运行
http://www.sasac.gov.cn/n2588025/n2588124/c16079389/content.html
文稿｜刘明
编辑｜万永文 李艳文 周圣钧 邱雨浩
史宛琪 高松龄
审核｜赵 鑫 张可人