此前僅有少數國家掌握這一核心技術,中國一舉突破

2024-05-14 | 來源: 科技日報 | 轉到微信 | 有0人參與評論 | 字體: 放大縮小 | 收藏 | 打印

大功率、高效率、低排放……相比汽油、柴油等傳統內燃機，重型燃氣輪機有著顯著優勢。

作為能源領域的尖端裝備，重型燃氣輪機研制難度極大。功率達百兆瓦級的重型燃氣輪機，此前世界上僅有少數發達國家掌握其關鍵核心技術。

2023年6月，設計功率為110兆瓦的國產“太行110”重型燃氣輪機通過產品驗證鑒定，一舉跨過百兆瓦門檻。

圖片來源：中國航發

“燃氣輪機與航空發動機相似，體現著一個國家的高端裝備制造能力。”日前，中國航空發動機集團有限公司（以下簡稱“中國航發”）“太行110”研發團隊總指揮趙勇告訴科技日報記者，“百兆瓦級的突破，背後是20年堅持不懈的奮戰。”

扭住設計“牛鼻子”

重型燃氣輪機研制涉及材料、結構、氣動、燃燒、工藝、試驗測試等20多個專業領域，被譽為裝備制造業“皇冠上的明珠”。

“當年啟動‘太行110’研制時，我國對重型燃氣輪機的了解如同‘一張白紙’。”趙勇介紹，為了集智攻關，研發團隊聯合全國各地100多家高校、科研院所與大型制造企業，成立了“摘珠聯盟”。

“設計是研制的‘牛鼻子’。扭住了，研發方向才能走對。”“太行110”研發團隊副總指揮陳克傑說，“設計工作涉及大量計算、驗證、測試，以及繁雜的圖紙繪制、管路規劃、標准制定等。”

沒有現成的計算程序，研發人員就參考航空發動機通用計算程序自行開發；計算機性能跟不上，大家就想方設法優化模型、改進算法，通宵達旦試參數、繪曲線。

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“通過自主開發程序，我們解決了熱力循環計算與驗證這一難點，實現了比功率、熱效率等參數的准確設置。”陳克傑說，針對重型燃氣輪機的特點，研發人員還構建了多個專用計算模型，計算出不同工況下機器的性能。

“餓了就啃口饅頭，困了趴在圖紙上打個盹兒，醒來繼續幹。”陳克傑回憶道，“5位技術人員僅用半年時間，就完成了燃氣輪機重要部件——透平葉片的設計與改進工作。即便放在今天，這也是難以想象的事。”

一張張設計圖紙、一項項制造標准、一頁頁技術文檔……憑借廢寢忘食的刻苦鑽研，研發人員先後攻克總體設計、壓氣機設計、燃燒室設計、透平設計、強度設計等一系列難關。

最終，研發團隊完成了涵蓋1600余個零件號、總計2000多份圖紙的“太行110”總體設計方案，並順利通過科技部驗收。

跨過制造“絆馬索”

設計方案有了，真正的挑戰才開始——核心部件怎麼造？它如同“絆馬索”一般，橫在研發團隊面前。

當時，國內重型燃氣輪機的材料與制造技術並不成熟，難以鑄鍛出合格的部件。特別是透平葉片、大尺寸輪盤等核心部件，國外技術封鎖、國內從未做過，找不到任何參考。

“以透平葉片為例，它需要長期在高溫、高轉速、高氣動負荷環境下運行。”研發團隊冶金負責人叢健介紹，尤其是高達1200℃至1500℃的工作溫度，對其制作材料與工藝要求極高。

首先需要找到一種耐高溫的模具材料。考慮再三，研發團隊決定從陶瓷型芯著手。

方向確定後，叢健與同事通過不斷嘗試，創造性制備出一種重要添加劑材料，又反復嘗試10多種配比方案，最終確定了模具材料的配方。