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啃下“硬骨头” 制出“争气机”

2023-01-31 10:22:15   来源:经济日报   

   2023年1月3日2时48分,被誉为“争气机”的首台全国产化F级50兆瓦重型燃气轮机发电机组,在广东华电清远华侨园燃气分布式能源站并网发电,填补了我国自主燃气轮机应用领域空白。

   回忆13年来的研制历程,东方电气集团东方汽轮机有限公司(以下简称东方汽轮机)副总经理、G50发展中心主任方宇感慨万千——历经4000多个日日夜夜,工程师们从“0”到“1”不断突破,终于啃下了重型燃气轮机自主化这块“硬骨头”。

   “在十级狂风中点燃一根蜡烛”

   作为当今世界效率最高的热功转换设备,重型燃气轮机被誉为装备制造业“皇冠上的明珠”,是一个国家工业水平、综合国力的重要体现。

   2009年,位于四川德阳的东方电气集团经过多方考察调研,正式立项研制重型燃机。这注定是一条布满荆棘的科研攀登之路。东方汽轮机副总工程师赵世全曾打过一个比喻:“50兆瓦燃机点火试验的难度,犹如在10级狂风中点燃一根蜡烛。”

   2018年6月27日,该项目的压气机和燃烧器联合试验开始。“在此之前,两个部件的独立试验都已经成功开展,因此大家觉得联合试验会一帆风顺,都信心满满。”赵世全回忆说。

   然而,随着点火指令发出,紧盯屏幕监视参数变化的研发人员脸上喜悦的神情渐渐凝固——火没点着。经过各种参数调节尝试,都不见效。反复排查之后,科研团队最终确定,问题出在整机优化修改的燃料孔孔径上。

   “燃气轮机由2万多个零件组成,其工作压力为18个大气压,相当于海下180米深度的水压,工作温度超过1300摄氏度。”东方汽轮机G50发展中心副主任田晓晶介绍说,“作为极其复杂的能源装备,系统耦合度与部件集成度超高,任何一项更改牵一发而动全身,都有可能导致整个系统出现问题。”

   燃料孔孔径问题解决后,2019年9月,研发人员认为该装置具备条件,准备点火。可随着点火指令发出、燃料阀门开启,一盆冷水又浇了下来——8个燃烧器只有1个被点着。

   研发人员没有气馁。经过反复调试分析,9月27日,这台重型燃气轮机的8个燃烧器终于同时点火成功。

   让“热声振荡尖叫”安静下来

   科学的大道上从来没有坦途和捷径,只有不避艰险、不怕困难,勇于面对挫折和失败,才能摘取“皇冠上的明珠”。“东方汽轮机是一家以汽轮机为主导产品的发电设备制造企业,但在重型燃气轮机设计领域,很多问题从没遇到过。”赵世全说。

   以该设备的核心部件燃烧器的工况为例,在燃烧器内筒,高温火焰与压力波动“你来我往”,产生了一种叫作“热声振荡”的现象。它是制约燃机研发的关键瓶颈,又是所有燃机研发历程中的必经之路。

   2018年,燃烧技术团队在开展燃烧器部件试验时,遇到了约3000赫兹的高频振荡。刺耳的声音穿透隔音防护传至测控室,数秒后,大家才意识到,这就是“热声振荡尖叫”。窥视镜检查显示,设备部件已经受损,裂纹、碎片均有出现,试验被迫停止。

   面对前所未有的难题,工程师们查阅文献资料,从原理入手,通过不断尝试匹配不同的燃料与空气比例,控制火焰的位置与形态,进而控制火焰与压力波博弈的结果。经过数天调试,终于找到了最佳燃料与空气匹配比例,“安静”地实现了预期试验目标。此后,团队成员又更进一步,着手研发出更精准预测“尖叫声”的计算方法以及抑制手段,支撑与推进了整机试验。

   主机国产化率100%

   燃气轮机工作时,使用的高温透平叶片需在普通金属熔点温度以上的条件下,以6000转/分钟高速旋转,其叶顶线速度超过大型客机飞行速度的两倍。而叶片的生产制造,因型线精度要求高、材料强度黏性大,机械切削加工难度巨大,只能采用精密铸造成型技术。

   “在叶片精铸团队成立时,大家的经验近乎一张白纸,前期试验压蜡出来的陶瓷型芯碎得‘稀里哗啦’,同时伴随着严重偏心。”田晓晶说,由于行业内对相关技术普遍高度保密,鲜有公开发表的文献,对科研团队来说这又是一次从“0”开始的探索之路。

   随后,团队成员夜以继日、大海捞针般地搜索查阅文献,偶然间在一篇综述里发现了“型芯定位”的概念,还有一张模糊的图片。这让长久以来一筹莫展的团队“灵光乍现”,他们结合自身产品实际,创新性地提出6点定位设计方法,并与模具供应商合作,成功解决了之前的断芯和严重偏心问题。经过多批次生产验证,不但极大地改进了生产质量,提高了效率,其成果“一种带陶瓷型芯蜡模成型方法”还于2017年被授权国家发明专利。

   方宇说,F级50兆瓦重型燃气轮机研制项目中,先后联合了高校、科研院所、产业链上中下游近300家企业,共同打造安全可控、自主可靠的燃机产业链,最终实现主机国产化率100%。

   党的二十大报告提出,以国家战略需求为导向,集聚力量进行原创性引领性科技攻关,坚决打赢关键核心技术攻坚战。首台国产F级50兆瓦重型燃气轮机的成功研制,正是一个生动实践。

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