为什么重型燃气轮机技术难于突破？
为什么重型燃气轮机技术难于突破？
序言
重型燃气轮机无疑是大国重器，不但在2001年左右被列为“以市场换技术”的重点项目，还是2016“两机专项”的重点工程，能源局也在全国部署了四十多个重型燃机、航改燃机等发电用燃机的示范工程，可以看出国家在近二十年时间里对燃气轮机研究的投入不断加大。
很多年以前，尤其是在近十年中，清华大学等大学，发电设备制造厂，研究院就陆续发布了很多燃气轮机叶片被攻克、燃烧器通过多少小时试运的专题文章。看到的报道很多，也很振奋人心，但经过详细了解，大多只是在燃气轮机的某一个环节取得了一些成绩，有了一定的突破。报刊、网站的大肆报道，并没有如实反映燃气轮机行业的这是情况，其实离真正掌握燃气轮机制造技术还有很长的路要走，至少还不具备制造重型燃气发电装备的能力。
如果打开百度，搜一下燃气轮机制造、技术突破等关键词，就会有大量的燃机专会振奋人心的报道。其实有些媒体在报道中也要尊重事实，报道不切实际，不但会让国人误解，让大家空欢喜一场，也会让高层不掌握实际情况，还会给国外某些敌对势力错误的信息，加重对燃气轮机关键技术的卡脖子。
百度截图
燃气轮机既然能够被国内外称为工业装备皇冠上的明珠，被称作工业制造的天花板，被看做是一个国家综合国力的象征，不是没有道理的，技术突破当然也会有很大的难度。我们的蒋洪德院士搞了一辈子燃机，写了大量燃机专业的科研文章，但最后也没见到重型燃机的问世，不得不说这是无法弥补的一个遗憾。
如果不集中科研力量，不集中财力物力，尤其是引进专业领军人才，很难在技术上取得突破。燃气轮机技术要得来吗？即使花费巨额的资金，西方国家也不会出卖。因为燃气轮机的这个技术不仅关系到国计民生，关系到国家发电装机格局，更关系到国防，关系到战斗机、轰炸机、运输机、直升机和各种导弹的制造，甚至还关系到航天飞机，其重要性可见一斑。
这么多年我们也认识到，即便是一个简单的汽车生产线，高端的汽车发动机制造技术我们能拿到吗？也是拿不到的，不用说是更加宝贵的燃气轮机技术，两机制造技术。
燃气轮机技术难在哪？燃气轮机主要包括压气机、透平和燃烧器组成，这三部分分别代表不同的学科，均是现在工业设计制造的高端工程，在技术方面有其独到之处。无一例外都牵连到多个基础学科，不同专业范围，没有一项技术能够轻易获得。
第一部分 燃气轮机透平
燃气轮机透平由动、静两部分组成，静止的部分由透平缸体，静叶和静叶持环组成，转动部分由转子和安装于其上的动叶组成。在高压的天然气和空气在燃烧室燃烧后，高温高压的烟气经喷嘴进入透平，推动转子转动做功，带动发电机发电。
燃气轮机透平从原理上看和燃煤机组的汽轮机差别不大，都是利用高温高压气体推动转子做功。很多人就会想当然的认为透平的技术没有什么，并会想当然的宣扬燃机技术不过尔尔。如果是普通职工还好，如果是身居要职的专家、学者，就会有很大的误导性。
轮机的CFD流场设计
现在很多人都认为汽轮机设计制造技术国内已经完全掌握，不用担心国外厂商卡脖子，可现实真的是这样吗？现在高端的汽轮机制造技术真的不用靠技术引进了吗？超高压缸真的不用从国外原装进口了吗？我们在燃煤机组在装机和发电量方面得到了世界第一，不代表在高端核心的汽轮机设计制造已经完全掌握。我们听到最多的也是某某公司百万机组二次再热技术如何如何牛，运行效率全球第一，超过欧美，拿到了什么学会什么奖，不住的四处炫耀。殊不知提供这些技术的美国通用，日本三菱这些企业看到这些后在后台会怎么想。
燃气轮机透平设计制造技术突破绝没有想象的那么简单。这是由透平的工作环境所决定的。
最先进的重型H级燃机的透平进口温度已经达到了1600℃，日本三菱、美国通用正在推进1700℃透平的研究，并取得了一定的成果。我们呢，只是刚刚开始1400℃透平入口温度，5万千瓦等级F级燃气轮机的整装试验工作。这还是我们的东方汽轮机厂历经十年，几百名科技人员共同努力的结果，从无到有取得的技术突破，这已经很不容易了。
燃气轮机发展过程
燃气轮机透平的难点在叶片的设计制造，透平的一级静叶、动叶直接暴露在1600℃的高温环境中，普通的合金钢在这个温度已经融化，不再拥有合金钢该有的强度。
为了能够满足在如此高的温度下正常工作，必须具备以下技术条件。
1.透平单晶叶片
学过物理的人都知道，金属是一种晶体，晶体由各种不同的晶格组成。而位于燃气轮机高温段的透平叶片仅有一个晶粒组成，几十厘米长的叶片中间没有晶界，这样才能达到叶片所要求的强度。
透平单晶叶片的铸造是最难的，世界上只有欧美、日本等有限的几个国家才能完成。单晶叶片毛坯铸造涉及十几道工序，型模制作、晶粒生长、温度控制各个工序至关重要。
单晶叶片铸造
国内燃气轮机透平叶片最有名的是无锡永瀚和无锡叶片厂等公司，他们引进国外先进技术，制造装备和专业人才，已经开始试制并供应不同级别燃气轮机动静叶片。由于没有机会实地去工厂现场参观学习，具体情况不甚了解。
2.叶片表面高温涂层
为防止透平叶片在高温气流中被灼烧损坏，需要在叶片表面覆以高热阻、耐高温灼烧、耐磨损的表面涂层。几十年来，叶片涂层的研制一直随着燃气轮机叶片共同发展，叶片涂层不但要求很高的热阻，隔绝高温烟气，防止高温烟气对金属集体灼烧损坏，还要有坚固的、耐磨损的表面性能。
如果透平叶片没有涂层，或运行中涂层脱落，裸露的金属表面瞬间就会被熔化冲蚀，失去应有的功能。
涂层构成
3.叶片内部和表面冷却
除表面覆以坚硬的涂层外，在叶片内部还设计有纵横密布的冷却气流通道，在叶片表面的各个部位加工数以千计的冷却孔。透平动静叶在运行中，冷却空气从叶片表面喷出，在叶片表面形成一层不间断地保护气膜，用于隔绝高温烟气，防止叶片被烧坏。
国内外曾经有发电企业因压气机的进气过滤系统出现故障，冷却空气受到灰尘污染，导致叶片冷却孔堵塞，大量叶片被烧毁的恶性事故发生。
下图即为几种不同的的叶片冷却方式。
空气冷却示意图
4.热通道流场设计
热通道流场设计也是透平设计的关键环节。熟悉轮机热力的人都知道，热通道直接关系到机组的运行效率，虽然高温高压气体有着压力、热量互相转换的膨胀规律，但透平级数设计不合理，级间或叶片弯扭存在偏差，造成涡流或漏流，也会造成透平的整体热效率不高。
现在透平设计都采用有限元流场设计，在设计中对单个叶片，各个透平机和整个透平的流场进行全面的仿真分析，分析的项目包括烟气流场分布、流线诊断、金属应力、模态振动特性、热效率计算等内容，甚至还会对整个机组进行寿命评估，确认无误后才会开始制造并投入生产。
透平叶片有限元设计
燃气轮机转子