【行业观察】高鑫：中国航改型燃气轮机设计制造发展水平
导读：燃气轮机被誉为工业皇冠上的明珠，随着两机专项的实施，中国航发始终坚持航改燃气轮机与工业型燃气轮机并举的研制道路，中国航发燃机的设计能力、制造能力、试验能力稳步提升，努力为用户提供更多高性能自主知识产权的燃气轮机产品。中国航发燃气轮机有限公司市场营销中心技术总监高鑫在亚洲燃气轮机决策者聚焦峰会上作了《中国航改型燃气轮机设计制造发展水平》的主题演讲。
以下为发言实录：
各位嘉宾，大家上午好，我是来自中国航发燃机的高鑫，我的演讲题目是中国航改型燃气轮机设计制造发展水平，燃气轮机在国防和国民经济领域有广泛应用和显著地位，是能源动力装备领域最高端产品，代表装备制造业最高技术水平。顾名思义航改燃气轮机是由航空发动机改造得到的燃气轮机。
轻型燃机主要走航机改型的道路，据统计95%舰船燃气轮机都是航改型的，同时因燃机与航机的共性关系，在研制阶段我们可以设计、试验体系等等缩短周期减少经费，进一步促进该技术途径成为发展的主流。
航发燃机呈现出多元化和系列化发展的特点，多元化发展方面，在同一航机的基础上，可以发展成不同类型和不同等级的燃气轮机，我国在太行核心机的基础上，可以发展成7MW级单转子，15MW级双转子以及40MW级双转子燃机。在同类型燃机轮机的基础上，可以通过不断地升级改进提高性能，如航发燃机参考先进的燃气轮机发展途径，开展了10MW功率增大型燃气轮机的研制工作。
航空发动机改型原则方面，涡喷发动机相对简单一些，只需要去掉后面的尾喷管，同时新设计一个动力涡轮，就可以将高速能量以扭矩的形式输出。涡扇发动机改型一般核心结构不变，改单转子燃机需要去掉前面的风扇，低压涡轮改成动力涡轮，改双转子燃机需要对风扇切顶，或者是全新设计低压压气机，同时也需要新设计一个动力涡轮，如我们航发燃机的Agt-15。
航改燃机可以共用在航空发动机研制过程中形成的设计体系、制造体系、试验体系以及人才队伍软件资源。航改燃机产业是关系国家安全、经济建设和科技发展的战略产业，其发展水平已经成为衡量一个国家军事水平、科技实力和综合国力的标志，具有极高的政治军事价值。
中国航改燃气轮机发展始于上世纪70年代，40多年来航发等企业改型研制并投产多种轻型航改燃机轮机，成功用于机械驱动等领域。
中国航发始终坚持自主创新研发燃气轮机产品，形成了与航机设计体系互补、技术发展联动、加工试验资源共享的燃气轮机设计平台，设有29个涵盖各专业领域的科研部门，拥有涵盖空气动力学、流体力学、工程热物理、强度等专业领域的科研队伍，具有国内领先的燃气轮机整机、零部件试验手段及质量保证体系。
我们航发燃机主要专业包括总体、压气机、燃烧室、涡轮、强度控制、测试、传动润滑、内流传热等，形成了较为完善的设计体系，包括设计软件、规范手册准则以及试验数据库等。
下面介绍一下航发燃机总体的设计思路，首先进行母型机的选择，性能上具有较长时间的竞争力，尤其是低的燃油消耗率和合理的功率等级。可靠性高，一般需累计一定的装机飞行时数，表明其安全可靠，批量生产方面，一般需具有批量生产条件，主要指燃气发生器的生产线，以缩短研制周期和降低费用。
在选取好母型机后，需进行整机的热力循环参数选取，这是因为航改燃机的功率、热效率、总寿命、可靠性等指标主要取决于涡轮进口燃气温度、燃气发生器总增压比和燃机进口空气流量这三个参数，实际上整个热力循环参数的选择过程就是使整机热效率，功率以及寿命得到合理兼顾的过程。
选取好整机的热力循环参数之后需要进行部件系统改型，包括压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮和动力涡轮等。
航改燃机压气机技术发展趋势是不断提高级负荷，以尽可能少的极数实现规定增压比，各工作状态下均具有高效率。同时气动方面需要引进更先进、更完善的气动与叶型设计方法，保证气动稳定性。结构方面，要求结构简单、维护方便、制造与维护成本低。材料方面，选用更先进高比强材料，长度短，重量轻。工作寿命方面，要求可靠性高性能衰减慢，以及符合国家用户和行业各种规范标准技术条件的要求。
气动性能试验，主要包括叶栅性试验和压气机性能试验，叶栅性能试验主要包括平面叶栅吹风试验、环形叶栅吹风试验、旋转叶栅试验。压气机性能试验，包括录取压气机的总性能和基元叶片，进口导流叶片和静子叶片安装、进气畸变、级间引气对压气机的影响等。
航改燃机燃烧室设计方面，需在愈发恶劣的工作条件下，不断提高燃烧室的性能和工作稳定性，如燃烧效率需要接近100%，燃烧室的恢复系数以及出口的OTDF和RTDF指标提高。近年来航发燃机也在不断突破一些燃烧室设计的关键技术，主要有一体化雾化装置设计技术，高效冷却设计技术，低损失扩压器设计技术以及高精度数值仿真技术。
在工业型燃机燃烧室设计方面，主要包括干低排放和双燃烧室关键技术，通过采用贫油预混燃烧技术，使天然气和过量空气预先掺混降低燃烧区的火焰温度，抑制燃烧过程中氮氧化物的生成，同时燃烧室采用模块化的设计，满足了工业燃机低成本、易维护和长寿命的使用要求。试验表明，低排放燃烧室具有点火可靠，全工况燃烧稳定，氮氧化物和一氧化碳的排放满足国家环保要求。
航改燃机冷却式涡轮设计是多次反复迭代、协调和折中的过程。包括先进的气膜叶片的设计技术，三维叶片设计技术，间隙设计与控制技术，结构上要求单元体设计以及整体叶盘的设计，用于减振的阻尼件设计等。
一台先进的燃气轮机从设计到投入使用需耗费巨额资金和相当长的研制周期。试验是燃气轮机研制的催化剂，我们需要通过反复的试验、修改、考核，才能优化我们产品的性能，增强产品的可靠性，提高产品的成熟度。整机试验按照研制阶段可以分为技术验证机试验，工程验证机试验，联调试验以及状态鉴定试验。
技术验证机调试目的是验证新机方案的可行性、采用的新技术的可行性、各部件和系统相互之间的匹配性，为新机研制转入工程验证机研制阶段提供试验依据。工程验证机调试，主要完成各专项试验的可靠性试验。燃气轮机联调试验相当于航空发动机高空飞行台试验，主要目的是检查燃气轮机与动力系统其它设备之间接口的正确性和电气接口的准确性；考核燃气轮机与负载及其它辅助系统、设备在全转速、全负荷运行中的匹配协调性、安全稳定性；验证燃气轮机的相关性能指标是否满足型号规范要求。
状态鉴定试验是对各项指标和性能进行全面的试验考核，状态限定完成之后才可以装舰试用。航改燃机大部分的部件、系统试验器可以与航空发动机共用，为航改燃气轮机研制提供试验基础。包括高中压联合气源，高温高压燃烧室试验器及燃机专有试验设备等。
拥有风扇、压气机、燃烧室、涡轮、强度/寿命、机械系统、控制系统、防冰系统等零部件和系统试验器100余台套，能够基本满足航空发动机和燃气轮机主要零部件、系统、强度以及部分特种试验需要。
零部件试验能力方面，热叶栅、管流试验器主要用于涡轮叶片的冷却效果试验、各部件流量特性试验和燃烧室积碳试验，高压涡轮试验器可用于涡轮叶片的热冲击试验。整机试验能力方面，拥有燃气轮机试车台3座，在建燃气轮机试验基地1座，拟建1座。
我汇报第三部分是航发燃气轮机的材料与制造技术，几十年来，中国航发坚持开展材料和制造技术研发和能力建设、工艺技术课题研究、重点工艺技术攻关、引进消化国内外先进的制造技术，建立了AEOS生产制造体系。该体系涵盖材料制备、机械加工、特种加工、装配试车、检测试验等工艺技术体系、形成了成熟的航改燃气轮机材料制造技术体系。
航发的产品毛坯制造能力方面，中国航发拥有所有燃机产品的毛料制备技术储备，以典型零件的毛料制备举例，机匣和盘环类零件毛坯锻造水平主要体现在工艺设计、锻造技术、热处理技术、机加工技术、产品检测等方面。中国航发拥有丰富的毛坯锻造工艺技术储备。压气机叶片的精锻和模锻毛料对材料性能、装备性能、成型工艺要求较高。中国航发是目前国内能做锻造叶片毛料的主要厂家之一。随着现代燃机性能不断提升，涡轮叶片作为燃机关键零组件，其结构越来越复杂，要求越来越高，铸造难度越来越大。目前中国航发在各个流程都具备制造能力，能够生产包括普通高温合金，等轴晶，定向晶，甚至单晶类涡轮叶片。航发从1995年至2005年期间，研发出了等轴晶、定向晶和一代单晶材料，目前成功研发二代单晶材料，可以应用于H级燃气轮机。
中国航发拥有所有燃机产品的毛料制备技术储备，以典型零件的毛料制备举例。环形机闸的壁厚较薄，最薄处不到2mm，在机械加工过程中容易让刀和加工变形，从而导致零件不合格，一直是行业内的难点。中国航发具有丰富的环形机闸加工经验和技术。
盘类零件制造技术方面，与普通卧式内拉床相比，高速侧拉床具有钢性好、速度快、行程长、传动平稳、分度精度高、拉刀制造和刃磨方便、锥角和螺旋角可调、自动化程度高等特点，适于拉削加工涡轮盘、压气机盘的枞树型榫槽和燕尾型榫槽。中国航发具有丰富的盘类零件加工经验和技术，并且还承接了国际航发企业的盘类零件加工业务。
轴类零件制造技术方面，燃机的轴类零件结构特征较多，涉及的加工种类也多，为了保证各个结构特征的基准统一，尽可能的减少零件加工过程中的装夹和基准转换次数，车铣复合加工技术成为一种理想的选择。
叶片类零件制造技术中，压气机叶片叶身型面薄且精度较高，加工时容易因变形造成超差，自适应加工技术能够实现在精加工叶身型面前，对零件实际状态进行测量。根据零件的实际情况调整精密加工时的加工余量和坐标系，最大限度的保证零件合格。涡轮叶片的缓进磨削是一种强力磨削，有极高的磨削效率，适合磨削难加工材料，较高的加工精度和表面质量，可实现成形磨削的自动化控制。
在海洋环境下防腐技术方面，当DSM11合金表面增加涂层后其耐热腐蚀性能有所提高，且加涂层NiCoCrAlYSiHf和NiCoCrAlY的效果要好于渗铝涂层；与未加涂层相比，K438+热障涂层和DZ38G合金+NiCoCrAlY涂层后耐热腐蚀性能均有所提高。
喷涂技术方面，喷涂是一种通过喷枪或碟式雾化器，借助于压力或离心力，分散成均匀而微细的雾滴，施涂于被涂物表面的涂装方式。在燃机产品中主要是增加零件的耐磨，耐高温涂层。
喷丸技术方面，喷丸处理是一种使用丸粒袭击工件表面并植入残余压应力提升工件疲劳强度的冷加工工艺。广泛用于提高零件机械强度以及耐磨性，抗疲劳和耐腐蚀性等。
最后介绍一下航发燃机的新产品AGT-10。首先介绍一下研制背景，AGT-7燃气轮机应用于综合能源服务领域还存在功率偏小，效率偏低等问题。与江苏、广东等电气价倒挂严重地区的市场需求还存在一定差距。同时天然气输送，海洋平台发电、热电联供与分布式发电等对10兆瓦级燃气轮机也有现实需求。因此迫切需要在AGT-7燃气轮机这一成熟机型的基础上，根据后续使用需求进行改进研制，满足国民经济发展对10兆瓦级轻型燃气轮机的需求。
AGT-10燃机通过采用压气机前加级设计技术、优化平衡腔、封严腔等空气系统引气、高效率动力涡轮设计等关键技术，使整机性能大幅提升，功率提高了25%，热效率提高13%。同时其最大限度继承了AGT-7燃气轮机的结构、材料和性能特点，关键部件的结构特性、气动特性、热负荷特性等已在母型机上得到充分验证，主要部件（如压气机叶片、涡轮叶片）等材料具有防腐性能，这些都将大大减少研制工作量，缩短研制周期。
设计完成后，按照国军标的要求完成整机300小时综合集成验证试验及各项专项试验，结果均满足设计要求。
经过多年的探索，中国航发始终坚持航改燃气轮机与工业型燃气轮机并举的研制道路，随着专项的实施，中国航发燃机的设计能力、制造能力、试验能力稳步提升，努力为用户提供更多高性能自主知识产权的燃气轮机产品！希望我的介绍让大家对航发燃机有更深入的了解，我的汇报到此结束，谢谢大家！
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