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有鉴于此,“十五”期间,国家科技部通过 863计划支持开展了R0110(110MW)重型燃气轮机设计研制,目前已完成首台 R0110 燃气轮机的设计、制造和带负荷发电实验,初步建立了重型燃气轮机的设计、制造、材料、标准化体系。“十一五”期间,又通过 863 计划支持开展了“中低热值燃料 R0110燃气轮机研制及其在 IGCC 电站中的工程应用示范”和“F 级中低热值燃料燃气轮机关键技术与整机设计研究”,目前已经完成了燃气轮机的总体方案设计,正在进行部件的试验和制造。
3.2 国内基础及应用基础研究现状
在基础研究方面,“十一五”期间国家 973 计划部署实施了 2 个大型研究项目。一是“燃气轮机的高性能热-功转换关键科学技术问题研究”项目,通过该项目的实施,在国内建设了一批测量技术先进的机理性实验研究平台,开展了燃气轮机相关基础研究,获得了一批基础实验研究数据,在多级轴流压气机、燃烧室和空气冷却透平的流动、燃烧、传热机理以及设计理论等方面解决了一批关键科学问题,缩短了与国际先进水平的差距;二是“大型动力装备制造基础研究”项目,该项目研究了蒸汽/空气双工质超强冷却的机理,研制出 F 级透平高温动叶片,初步构建了盘式拉杆组合透平转子系统设计体系,建成了重型燃气轮机转子综合试验系统。这两个基础研究项目虽然都取得了重要的成果,但还远不能满足我国重型燃气轮机行业发展对核心技术的需要。
3.3 国内燃气轮机试验设施建设现状
我国燃气轮机试验设施总体上与世界先进水平的差距非常大,远不能满足自主研发的需要。在基础与应用基础研究试验设施方面,过去几十年基本上处于各大学和科研机构自发建设状态,而且以小型低参数的机理性基础研究实验设施为主,投资少、水平低,并存在大量的重复建设,大型、高参数、测量技术先进、用于关键技术验证的实验研究设施十分稀缺。我国燃气轮机制造企业十分需要在设计参数条件下对自主研发的压气机、燃烧室和透平部件的设计性能进行实验验证,但是这些试验设施投资巨大、设计建设技术难度很大、运行维护成本很高,建设和运营这一类大型试验设施是全行业面临的巨大挑战。近年来随着自主研发的逐步深入,我国在大型试验设施建设方面也取得了可喜进展,如中船重工集团 703 所和东方汽轮机公司都建成了驱动功率为 25 MW 等级的多级轴流压气机实验台,也在规划建设全尺寸燃烧室和透平冷却高温实验台等。此外,我国航空发动机设计研究所已经建成了压气机、燃烧室和透平等部件的大型试验设施,这些试验台的流量、温度、压力等参数虽然可以满足航空发动机部件的试验需要,但是试验台架不能与重型燃气轮机实现通用。
综上所述,我国目前的燃气轮机试验装置分散且不成体系,还没有形成从基础研究到关键技术验证,直至部件性能试验验证的完整的试验设施平台。
4 我国重型燃气轮机发展之路
4.1 基础和应用基础研究是核心技术自主创新体系的内核
由于历史原因,我国燃气轮机基础研究的水平和规模、核心技术储备和人才培养能力还比较薄弱,还不足以支撑行业的可持续发展。因此我国重型燃气轮机发展需在基础研究先行的前提下,加快我国重型燃气轮机自主创新体系的建设,同时在此基础上构建具有竞争力的燃气轮机产业体系。
半个多世纪世界各国发展燃气轮机产业的历史经验表明,只有在基础和应用基础研究上取得了突破,真正掌握了核心技术,才具有自主开发产品的能力;只有基础和应用基础研究达到世界先进水平,才有可能研制出世界先进水平的产品,要自主发展燃气轮机,基础和应用基础研究必须先行。从行业发展战略和重点型号的技术要求出发,要科学合理地制定和落实基础和应用基础研究计划;要按照国际通用的技术成熟度概念,确定不同基础和应用基础研究工作内容、深度和验收标准,做好基础和应用基础研究与产业化应用的对接,确保基础和应用基础研究成果的科学价值和实用效果,为下一步开展自主产品研制提供核心技术和人才储备。此外,还要根据学科发展趋势,鼓励燃气轮机学科前沿的探索性、前瞻性课题的基础研究,力争在燃气轮机新概念、新方法、新技术、新材料的原始创新方面有所突破。
4.2 燃气轮机基础研究学科和重点方向
燃气轮机技术复杂涉及面广,从基础和应用基础研究角度可以划分为如下 10 个学科及其交叉学科:燃气轮机系统和工程热力学、声学、叶轮机械内流气动热力学与计算流体力学、传热学、燃烧学、固体力学与转子动力学、控制科学、材料科学、机械制造学和测量技术。
根据我国重型燃气轮机行业对核心技术的需求,基础与应用基础研究的重点应围绕热端部件(燃烧室、透平)和控制系统的核心技术进行,包括部件的机理和性能、设计方法和设计准则、试验研究与测量技术、高温与耐热涂层材料及其加工工艺、热端部件疲劳与寿命评估、热端部件维修核心技术等。
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