【文/觀察者網(wǎng)專欄作者 施洋】

據(jù)《科技日報》12月26日報道，我國首件自主化300兆瓦級F級重型燃氣輪機渦輪第一級靜葉鑄件，25日順利通過鑒定。這項進展被稱作是我國在重型燃機熱端核心部件上取得的第一個重要突破，也是國家科技重大專項“航空發(fā)動機和燃氣輪機”迄今最重要的里程碑式的成果。

要理解所謂的“重型燃氣輪機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)品在燃氣輪機上的位置。當代常見的燃氣輪機在整體結(jié)構(gòu)上與飛機的渦扇式噴氣發(fā)動機大同小異，由壓氣機、燃燒室和渦輪組成的核心機部分是其中的關鍵設備，而在這其中處于熱燃氣流中的熱端部件，如火焰筒、燃氣渦輪、導向器及噴管等又是其關鍵中的關鍵。

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，燃氣渦輪的主要作用，就是將燃燒室中高溫、高壓燃氣的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功，以其中的一部分帶動冷端的壓氣機壓縮空氣保持燃氣輪機的持續(xù)運轉(zhuǎn)，剩余部分則作為燃氣輪機的輸出功率，帶動發(fā)電機或者其他設備。

此次制造的“燃氣輪機渦輪第一級靜葉”就是燃氣渦輪這一部件的組成部分，也是燃氣渦輪中第一個接觸高溫高壓燃氣流的。靜葉在這其中的重要作用，是將燃氣流進一步膨脹加速，同時降低燃氣的壓力和溫度，從而更好地讓渦輪中的葉片或者說轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生動力輸出。

由于燃氣輪機渦輪第一級靜葉在工作中最先接觸高溫燃氣，且始終被氣所包圍，因此其工作條件極為惡劣，加上燃氣輪機啟動速度較快，在啟動和停機時，要在短時間內(nèi)實現(xiàn)迅速的升溫和降溫，所受到的熱沖擊也最為嚴重，因此第一級靜葉在設計中，要求具備足夠的強度和剛度的同時，還要能夠耐高溫、耐熱腐蝕、熱沖擊，并且不能有太大的熱應力。

一般看到的這些葉片多為轉(zhuǎn)子，與靜葉片交錯布置

由于技術難度大，加工要求高，長期以來，我國在燃氣輪機領域的研究積累不足，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)動機改裝成燃氣輪機。這些產(chǎn)品普遍存在著性能差、功率小的問題。加上上世紀末國內(nèi)燃氣輪機發(fā)電機系統(tǒng)因為油氣供應嚴重短缺和“以煤代油”的能源政策陷入停滯，直到21世紀開始，我國才真正在燃氣輪機領域開展重型燃氣輪機的大規(guī)模技術引進和自主研發(fā)。

這些重型燃氣輪機按照燃燒室溫度，目前可以分為E級，F(xiàn)級和H級，其技術難度和先進程度也逐級提升，在國內(nèi)大規(guī)模研制F級重型燃氣輪機之前，我國在2001年先啟動了由中航工業(yè)、清華大學、中科院工程熱物理研究所、上海交通大學等單位組成設計研制項目聯(lián)合體，聯(lián)合研制的R0110重型E級燃氣輪機研制工作，并在2014年3月21日順利通過了專家組驗收。在此基礎上，國內(nèi)多家廠所研究機構(gòu)開展了F級重型燃機的實驗設施建設和自行研制工作。

此前我國研制的R0110重型E級燃氣輪機

在這其中，有一個項目與國家電投中國重燃300MW級F級重型燃機的研制密切相關，那就是北京華清燃機公司（其前身為2008年國家發(fā)改委批準成立的燃氣輪機與煤氣化聯(lián)合循環(huán)國家工程研究中心）研制的CGT-60F型70MW燃氣輪機。因為這款發(fā)動機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重型燃氣輪機的技術驗證機進行的研制。

GE公司F級燃機產(chǎn)品模化關系，同一系列燃機的燃燒室完全相同，只是個數(shù)不同

在2016年對北京華清CGT-60F燃氣輪機設計團隊的專訪中，總設計師陳偉博士就曾經(jīng)明確表示，研制CGT-60F的目的，就是借鑒國際燃氣輪機巨頭GE、西門子、三菱的經(jīng)驗，“從研制小功率的原型機入手，突破并掌握F級燃機設計和制造核心技術，然后采用?；糯蠡蚩s小的方法，在較短時期內(nèi)形成同一技術等級的不同功率的系列化燃機型號”。只要在放大/縮小的過程中保持壓氣機壓比、透平進口溫度、主機總體結(jié)構(gòu)、關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)，原型機可以在短時間內(nèi)一步放大/縮小為同一技術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，且可大幅節(jié)省研發(fā)投資、縮短研發(fā)周期、降低研制風險。

此前我國研制的CGT-60F燃氣輪機

此次的300兆瓦級F級重型燃氣輪機渦輪第一級靜葉本身，就是從CGT-60F燃氣輪機的渦輪第一級靜葉?；糯蠖鴣怼Ｖ劣诤笳?，根據(jù)《科技日報》2016年的報道，北京華清在當年的7月29日就宣布具有完全自主知識產(chǎn)權的F級重型燃氣輪機CGT-60F（燃氣溫度1400℃）全三維復合傾斜透平第一級靜葉片在中國燃氣渦輪研究院順利完成高溫冷卻效果試驗，各項性能指標包括葉片冷卻效率、葉片溫度分布均優(yōu)于設計要求，標志著我國重型燃氣輪機核心設計制造技術的重大突破。

根據(jù)當時的介紹，全三維復合傾斜透平靜葉片屬于重型燃氣輪機領域國內(nèi)外首創(chuàng)，與傳統(tǒng)的直葉片相比，全三維復合傾斜造型氣動損失小、效率高，但葉片冷卻設計難度大，涉及氣動、傳熱、強度多學科。華清燃機公司經(jīng)過多年自主創(chuàng)新，攻克了多個設計技術難關，建立了設計體系和設計規(guī)范，并獲得了11項發(fā)明專利；重型燃氣輪機葉片尺寸大，超級合金毛坯精密鑄造是公認的頂級鑄造技術，無錫永瀚公司在國內(nèi)率先掌握了這項關鍵制造工藝。

CGT-60F（70MW）第一級靜葉片，在結(jié)構(gòu)上與此次的300兆瓦級F級重型燃氣輪機渦輪第一級靜葉基本一致

而在當時的新聞報道中，就曾明確表示，CGT-60F（70MW）第一級靜葉片，在透平進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而直接相似放大到F級300MW燃氣輪機透平葉片。這也就是今天我國首件自主化300兆瓦級F級重型燃氣輪機渦輪第一級靜葉鑄件的技術來源。

由于燃氣輪機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重型燃氣輪機的時候，就有大量媒體在報道中展望將其用于包括驅(qū)動航空母艦在內(nèi)的各種軍用場景。300MW級F級重型燃氣輪機對于任何船只來說都太大了（美國“福特”級核動力航空母艦的推進功率也只有104MW），加上這類重型燃氣輪機一般使用的燃料都是天然氣，其用途也和驅(qū)動艦艇什么的關系不大。

這些重型燃氣輪機并不適合船用，而是更加單純的發(fā)電機組

這類燃氣輪機的主要用途還是用于發(fā)電，一般來說，功率較小的燃氣輪機適合和發(fā)電機獨立組成循環(huán)系統(tǒng)，也稱為開式循環(huán)。其優(yōu)點是裝機快、起停靈活，多用于電網(wǎng)調(diào)峰和交通、工業(yè)動力系統(tǒng)。而300MW級F級重型燃氣輪機這樣的大型燃氣輪機，則適合與發(fā)電機加上配套的余熱鍋爐共同組成的循環(huán)系統(tǒng)，它在利用燃氣輪機進行發(fā)電的同時，還能將燃氣輪機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氣輪機提高燃氣輪機出力和效率。不管采用哪一種形式，這種發(fā)電形式的燃料利用率都遠遠高于普通的內(nèi)外燃機，具備很好的經(jīng)濟效益。

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