重型燃氣輪機基本結(jié)構(gòu)
前面一篇文章談到,，我國首臺自主研制的300兆瓦F級重型燃氣輪機樣機總裝下線。標(biāo)志著我國重型燃氣輪機的發(fā)展取得重要進展,，我國重型燃氣輪機自此走向獨立自主正向研發(fā)的道路,。應(yīng)該說該型燃氣輪機距離世界先進水平還有不小差距。燃氣輪機根據(jù)燃氣工作溫度分為E,、F,、G、H,、J等級,，越往后工作溫度越高效率越高，性能也越先進,。F級燃氣輪機的燃氣溫度在1300℃-1400℃,，最高等級的J級燃氣溫度在1600℃。這個其實各國標(biāo)準(zhǔn)不完全一樣,，不過大致都是這么劃分的,。前面文章討論區(qū)又有人說我們?nèi)細廨啓C技術(shù)水平比世界先進水平還差得很遠，可能幾十年都追不上,。我們想說其實完全不用這么悲觀,，我們追趕世界領(lǐng)先水平的速度一定會超出大家的想象。
更高的工作溫度意味著更高的工作效率
因為在燃氣輪機技術(shù)上,，我們已經(jīng)有大量世界領(lǐng)先水平的技術(shù)積累。只要核心技術(shù)在手,，不怕追不上世界先進水平,。提高燃氣輪機技術(shù)水平主要是提高燃氣輪機的工作效率。提高燃氣輪機的工作效率主要有兩個技術(shù)路線,，一是提高燃氣溫度,，溫度越高效率越高。另一條技術(shù)路線就是采用復(fù)雜循環(huán)或者聯(lián)合循環(huán),。所謂復(fù)雜循環(huán)是相對于簡單循環(huán)而言的,。簡單循環(huán)就是空氣經(jīng)過壓氣機壓縮進入燃燒室燃燒，然后推動渦輪做功,，完成一次循環(huán),。而復(fù)雜循環(huán)采用的技術(shù)會比較復(fù)雜，比如采用間冷回?zé)峒夹g(shù)?；蛘卟捎寐?lián)合循環(huán)方式,，比如燃蒸聯(lián)合循環(huán)，也就是對燃氣輪機排出的廢氣進行利用,，用以推動蒸汽輪機做功,。當(dāng)然如果簡單循環(huán)燃氣的效率足夠高，顯然就沒有復(fù)雜循環(huán)什么事了,。所以提高簡單循環(huán)的工作效率是更為根本的方法,。
WR-21燃氣輪機 間冷回?zé)崛細廨啓C效率更高但是也更加復(fù)雜
間冷回?zé)峒夹g(shù)是比較常見的提高工作效率和功率的技術(shù),。所謂間冷技術(shù),，也就是對經(jīng)過壓氣機的空氣進行冷卻，因為此處的空氣溫度可能高達七八百度,。因為燃燒室內(nèi)能夠達到的溫度是受到嚴格限制的,，所以在燃燒室內(nèi)獲取的溫升是有限的。對經(jīng)過壓氣機的空氣進行冷卻可以降低進入燃燒室的溫度,，這樣可以噴入更多的燃料,，獲得更大的溫升。不但可以提高工作效率也可以增大功率,。所謂回?zé)峒夹g(shù)就是對燃氣輪機排出的熱廢氣進行熱能回收利用,，將其導(dǎo)入到空氣預(yù)熱器用以加熱空氣，然后將空氣再送入燃燒室進行燃燒,。這樣可以起到提高燃料利用效率的目的,。
吳仲華院士
那么在燃氣輪機技術(shù)上我們有什么技術(shù)積累呢,，我們知道燃氣輪機和噴氣式航空發(fā)動機的技術(shù)非常類似,，所以很多燃氣輪機都是由航空發(fā)動機改型研制出來的。無論是渦扇發(fā)動機,、渦噴發(fā)動機,，還是燃氣輪機都是由壓氣機、燃燒室,、高壓渦輪,、低壓渦輪組成的,。我們先說壓氣機,，在壓氣機技術(shù)理論領(lǐng)域，目前世界各國采用的氣動設(shè)計理論主要是三元流動理論,，這是中國科學(xué)家吳仲華創(chuàng)立的理論,。這一理論對于所有依靠機械葉輪壓縮空氣的應(yīng)用都是通用的。這是現(xiàn)代航空發(fā)動機和燃氣輪機氣動設(shè)計的重要理論基礎(chǔ)。
國產(chǎn)渦軸6C發(fā)動機上使用的軸流式大小葉片壓氣機
在壓氣機技術(shù)研制方面,，目前我國已經(jīng)取得了大小葉片壓氣機、對轉(zhuǎn)壓氣機,、串列壓氣機等一系列先進技術(shù)成果,。這些壓氣機相比傳統(tǒng)的壓氣機工作效率大為提高，可以大大減少壓氣機的級數(shù),，大幅縮小壓氣機的體積和重量,。傳統(tǒng)的壓氣機單級壓比最高在1.6個壓比左右，而大小葉片壓氣機的可以達到單級3個壓比以上,，我國在研的大小葉片壓氣機就有單級3.6個壓比的型號,。其技術(shù)成果已經(jīng)用在我國渦軸6C和渦軸16發(fā)動機上。而我國研制成功的對轉(zhuǎn)式壓氣機單級壓比能超過4個壓比,，這種壓氣機目前已經(jīng)用于我國推比15一級核心機上,，有望用于六代機動力的研制。這些都是世界領(lǐng)先水平的科研成果,。
采用氣膜冷卻技術(shù)的國產(chǎn)渦輪葉片
其實對于燃氣輪機來說，提高工作效率的主要方法除了簡化結(jié)構(gòu)還有提高燃氣溫度,。不過相對于采用復(fù)雜循環(huán)這是難度更大的辦法,，需要最硬核的技術(shù)。我們知道燃氣輪機的工作溫度越高熱效率越高,，但是提高燃氣工作溫度并不容易,，這需要一系列先進技術(shù)作為支撐。比如能夠耐受更高溫度的渦輪葉片材料,，更先進的渦輪冷卻技術(shù),。在渦輪葉片材料上我國早已掌握了第四代、第五代鎳基單晶高溫合金,、鈦鋁金屬間化合物,、陶瓷基復(fù)合材料等先進高溫結(jié)構(gòu)材料。以及雙層壁冷卻技術(shù),、飛秒激光打孔氣膜冷卻技術(shù),、高性能熱障涂層技術(shù)等一系列先進冷卻技術(shù)。
采用雙層壁冷卻技術(shù)的我國第三代單晶高溫合金渦輪葉片
在珠海航展上我國已經(jīng)展出過采用第三代,、第四代鎳基單晶高溫合金制造的渦輪葉片。綜合采用了無余量精密鑄造單晶葉片技術(shù),、雙層壁冷卻技術(shù),、氣膜冷卻技術(shù),，葉片本身可以承受1200℃的高溫。在此基礎(chǔ)上還可以依靠熱障涂層和氣膜冷卻技術(shù)進一步提高工作溫度,，足以工作在2400K的燃氣工作溫度下,。第五代單晶高溫合金因為需要使用更多昂貴而稀有的錸、釕,、釔,、镥等金屬材料，其實際應(yīng)用并不多,。
國產(chǎn)陶瓷基復(fù)合材料整體渦輪盤上機試飛
在渦輪葉片材料上還有工作溫度更高的高溫結(jié)構(gòu)材料，那就是碳化硅連續(xù)纖維增強的碳化硅陶瓷基復(fù)合材料,。而且其原材料非常便宜易得,。并不是每一種陶瓷基復(fù)合材料都可以用在渦輪葉片上，碳化硅連續(xù)纖維增強的碳化硅陶瓷基復(fù)合材料之所以能用在渦輪葉片上是因為其斷裂行為類似于金屬材料,，在斷裂前先有比較大的變形然后才會斷裂,。也就是韌性比較好，而通常的陶瓷材料都是非常脆的,，不適合用在渦輪葉片上,。我國早在2003年左右就掌握了碳化硅連續(xù)纖維增強的碳化硅陶瓷基復(fù)合材料技術(shù)。碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的在不冷卻的情況下工作溫度能夠達到1650℃,，相當(dāng)于1923K,。如果采取冷卻措施，工作溫度會更高,。遠遠超過鎳基單晶高溫合金,，鎳基單晶高溫合金的最高工作溫度在1150℃左右。2022年1月國產(chǎn)陶瓷基復(fù)合材料整體渦輪盤上機試飛,。
噴涂有熱障涂層的燃氣輪機渦輪葉片
在2018年左右，昆明理工大學(xué)馮晶教授帶領(lǐng)團隊研制出了新型稀土鉭酸鹽高溫鐵彈相變陶瓷材料,，這是一種性能非常好的熱障涂層材料,，工作溫度可以達到1600℃，甚至有達到1800℃的潛力,。而目前常用的熱障涂層工作溫度只有1300℃左右,。而且這一材料體系目前在國際上也只有馮晶教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊在研究，可以說獨樹一幟,。綜合以上技術(shù)成果,，我國燃氣輪機的燃氣工作溫度足以提高到2400K左右，也就是2127℃,。這已經(jīng)遠遠超出了J級燃氣輪機的工作溫度,。實際上在我國近些年研制的航空發(fā)動機上，渦輪前進氣溫度已經(jīng)提高到了2000K-2200K左右,。比如CJ1000發(fā)動機的工作溫度就是2000K左右,，而CJ2000發(fā)動機的溫度可能在2200K左右。
爆轟燃燒是一種全新的燃燒組織方式
而且我們還有一項革命性的科研成果,，也就是爆轟燃燒理論的突破。我國科學(xué)家已經(jīng)在國產(chǎn)高超音速風(fēng)洞中試驗成功了斜爆震發(fā)動機技術(shù),。斜爆震發(fā)動機使用的燃燒技術(shù)就是一新型的燃燒技術(shù),。我們知道燃燒的組織方式分為等壓燃燒和爆轟燃燒兩種。現(xiàn)有燃氣輪機和噴氣式航空發(fā)動機的燃燒方式就是等壓燃燒,。和等壓燃燒不同,，爆轟燃燒技術(shù)是一種增壓燃燒方式，可以獲得更高的燃燒效率,。傳統(tǒng)的等壓燃燒方式的循環(huán)效率最高是36.3%,，而爆轟燃燒可以把循環(huán)效率提高到56.5%，也就是整整提高了55.6%,。這一技術(shù)是可以用在所有噴氣式航空發(fā)動機和燃氣輪機上的,。一旦應(yīng)用可以極大提高我國航空發(fā)動機和燃氣輪機的技術(shù)水平。
國產(chǎn)50兆瓦F級燃機G50其實也改裝為軍用的潛力
也就是說只要我們把已經(jīng)取得的科研成果應(yīng)用在燃氣輪機上,，就可以讓我國的燃氣輪機技術(shù)水平迅速提高到世界領(lǐng)先水平。當(dāng)然因為裝備研制周期的原因,，這一過程可以耗時十年到十幾年的時間,，但是現(xiàn)在科研成果技術(shù)領(lǐng)先就意味著十幾年后燃氣輪機技術(shù)水平的領(lǐng)先?？赡苡腥藭f,，這期間別人也會繼續(xù)發(fā)展，也會取得新的技術(shù)進步,。但是其它國家要想追趕是需要時間的,，就算這段時間追上甚至超過了我國現(xiàn)有預(yù)先技術(shù)成果，至少也要用在下一輪競爭上了,。也就是說現(xiàn)在預(yù)研技術(shù)領(lǐng)先,，十幾年后的燃氣輪機和航空發(fā)動機技術(shù)必然領(lǐng)先。
