编辑: 记者 唐琳 来源: 发布时间:2019-11-12 23:29:55
千呼万唤!国产重型燃气轮机“始出来”

 
“三、二、一,点火!”
 
2019年9月27日上午,伴随着点火命令的下达,我国自主研制的首台F级50兆瓦重型燃气轮机整机点火试验在东方电气集团东方汽轮机有限企业(以下简称东汽企业)燃机试车台正式开始。
 
在国内知名院士专家、部委和地方政府领导、客户代表的共同见证下,重型燃气轮机8个燃烧筒同时点火燃烧并稳定运行,标志着西安交通大学参与研制的、我国首台自主研发的F级50兆瓦重型燃气轮机整机点火试验成功。
 
这一刻,我国燃气轮机发展历程中一个重要里程碑事件就此诞生:我国终于拥有了自己的重型燃气轮机!同时这也成为西安交大在主动解决国家重大需求征程上书写下的浓墨重彩、载入史册的一笔。
 
十年磨剑 挑战“国之重器”
 
重型燃气轮机广泛应用于清洁高效火力发电、远海孤岛供电、舰船动力等领域,因关乎国家能源安全和国防安全而成为当之无愧的“国之重器”。但同时,由于高新技术密集且研发过程复杂,重型燃气轮机也被誉为制造业“皇冠上的明珠”,只有美、日、德等极少数国家才能自主研发。
 
“十五”期间,虽然我国通过打捆招标引进国外技术的途径,解决了重型燃气轮机有无的问题,但由于外方拒绝转让核心的研发、设计、试验技术和热端部件制造技术,我国仍处于重型燃气轮机组装型制造阶段——无核心技术、无验证手段、无系统的基础研究。
 
2006年,西安交大联合东汽企业,承担了我国重型燃气轮机制造领域的第一个国家973计划项目,2012年项目获滚动支撑。这也成为国家973计划支撑的仅有的两个重型燃气轮机制造项目。
 
在项目首席科学家、西安交大教授王铁军的带领下,项目组以东汽企业为研发基地,正式向自主研发重型燃气轮机这一世界级工业难题发起了挑战。其中,在基础理论与单元技术方面,以西安交大为主、东汽企业参与;在系统集成与工程化验证方面,以东汽企业为主、西安交大参与。
 
经过长达13年的校企协同创新与艰苦努力,项目组取得了一系列成绩:陆续攻克了先进重型燃气轮机高温叶片的冷却设计、定向晶成形、热障涂层制备、精密加工等核心技术,建成了高温叶片综合冷效实验系统,初步形成了我国重型燃气轮机高温叶片制备与实验验证能力;系统建立了我国先进重型燃气轮机组合转子的设计理论,建成了重型燃气轮机三级透平级间耦合试验台、全尺寸轴承试验台等一批重大试验系统,初步形成了我国重型燃气轮机拉杆组合转子的制造与实验验证能力;实现了我国先进重型燃气轮机制造核心技术从0到1的转变,出版了我国第一套关于燃气轮机制造的专著系列(7卷),并培养了一支约400人的重型燃气轮机研发队伍。
 
2019年10月15日,国务院总理李总理视察了西安交大机械结构强度与振动国家重点实验室,充分肯定了他们的创新成果,我国首台自主研制的F级50兆瓦重型燃气轮机成果赫然在列。
 
自主创新 攻克核心技术
 
创新从来都不是一蹴而就的,重型燃气轮机每项技术的突破都必须经历“基础理论→单元技术→零部件实验→系统集成→综合验证→产品应用”的全过程。13年间,王铁军带领研究团队攻克了一道又一道难关,突破了一批又一批关键核心技术。
 
高温叶片热障涂层是国际公认的重型燃气轮机制造核心技术之一,其工作面积和时间远大于航空发动机,性能要求、微结构、制备方法等也与航空发动机不同。为此,王铁军团队系统研究了重型燃气轮机热障涂层强度理论、实验方法、制备技术及应用,取得了一系列创新成果。
 
研究团队建立了重型燃气轮机热障涂层多尺度楔形烧结模型,可预测涂层的动态烧结过程和性能变化规律,与传统模型相比,物理意义更清晰、预测能力更强。团队还拓展了重型燃气轮机热障涂层高温氧化生长应力的数学模型,可预测曲面非均匀生长应变等对涂层局部应力场的影响,克服了经典模型的局限,预测的裂纹位置与实验相吻合。
 
研究团队还发展了涂层制备热应力的分析方法,揭示了表面裂纹增韧机理,提出了应变容限可控的涂层设计思路;发展了梯度防热结构的热力变形分析方法,揭示了材料梯度性质等对结构临界屈曲载荷、热应力等的影响规律,并结合烧结机理研究,提出了梯度抗烧结涂层设计思路。这些都得到了实验验证。
 
试验条件是先进重型燃气轮机自主研发能力的重要标志。为此,王铁军团队发明了重型燃气轮机热障涂层双轴强度测量方法,提出了其烧结评价指标,制定了评价规范,填补了我国空白。团队攻克了高热通量、高温升率、长时低成本加热的关键技术,自主研制了梯度热冲击试验装置,其最高温度和温升率指标均优于美国同类装置水平,解决了大型叶片热障涂层高温强度考核的关键,并推广用于航天型号高温实验,得到国内行业用户的好评。
 
校企协同 打造创新典范
 
2019年6月18日,F级50兆瓦重型燃气轮机原型机完成盖缸;7月29日,原型机测点安装完成;8月22日,原型机整机试验系统调试完成。
 
一切都已准备就绪,激动人心的时刻终于到来。
 
2019年9月27日上午,随着点火命令的下达,重型燃气轮机8个燃烧筒同时点火燃烧并稳定运行。在宣布“点火成功”的那一刻,我国燃气轮机发展历程中的一个重要里程碑事件就此诞生,这也成为西安交大在主动解决国家重大需求征程上书写下的浓墨重彩、载入史册的一笔。
 
半个多世纪以来,东方电气集团与西安交大一直保持着良好的合作关系,此次实现我国首台F级50兆瓦重型燃气轮机制造核心技术从0到1的转变就是很好的例证。乘着整机点火成功的“东风”,东方电气集团与西安交大这对默契的老搭档再度“牵手成功”,当场签订“创新合作协议”,开启了双方合作的新阶段。
 
未来,双方将在更高层面共谋创新、合作与发展,重点在大型清洁高效发电装备、可再生能源发电装备、修复再制造、功能涂层等领域开展合作,共建研究平台,攻克相关的卡脖子技术、关键核心技术,共同承担重大任务,共谋科技成果转化及人才交流合作。
 
“本次签约既是叙旧,又是新的开端,祝愿双方的合作取得圆满成功,为解决卡脖子技术、关键核心技术作出重要贡献,为实现中华民族伟大复兴的中国梦作出应有贡献。”王铁军最后表示。■
 
《科学资讯》 (科学资讯2019年10月刊 进展)
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