啃下“硬骨头”制出“争气机”

◎陈 科 本报记者 郑 莉

2023年1月3日2时48分，被誉为“争气机”的首台全国产化F级50兆瓦重型燃气轮机发电机组，在广东华电清远华侨园燃气分布式能源站并网发电，填补了我国自主燃气轮机应用领域空白。

回忆13年来的研制历程，东方电气集团东方汽轮机有限公司（以下简称东方汽轮机）副总经理、G50发展中心主任方宇感慨万千——历经4000多个日日夜夜，工程师们从“0”到“1”不断突破，终于啃下了重型燃气轮机自主化这块“硬骨头”。

“在十级狂风中点燃一根蜡烛”

作为当今世界效率最高的热功转换设备，重型燃气轮机被誉为装备制造业“皇冠上的明珠”，是一个国家工业水平、综合国力的重要体现。

2009年，位于四川德阳的东方电气集团经过多方考察调研，正式立项研制重型燃机。这注定是一条布满荆棘的科研攀登之路。东方汽轮机副总工程师赵世全曾打过一个比喻：“50兆瓦燃机点火试验的难度，犹如在10级狂风中点燃一根蜡烛。”

2018年6月27日，该项目的压气机和燃烧器联合试验开始。“在此之前，两个部件的独立试验都已经成功开展，因此大家觉得联合试验会一帆风顺，都信心满满。”赵世全回忆说。

然而，随着点火指令发出，紧盯屏幕监视参数变化的研发人员脸上喜悦的神情渐渐凝固——火没点着。经过各种参数调节尝试，都不见效。反复排查之后，科研团队最终确定，问题出在整机优化修改的燃料孔孔径上。

“燃气轮机由2万多个零件组成，其工作压力为18个大气压，相当于海下180米深度的水压，工作温度超过1300摄氏度。”东方汽轮机G50发展中心副主任田晓晶介绍说，“作为极其复杂的能源装备，系统耦合度与部件集成度超高，任何一项更改牵一发而动全身，都有可能导致整个系统出现问题。”

燃料孔孔径问题解决后，2019年9月，研发人员认为该装置具备条件，准备点火。可随着点火指令发出、燃料阀门开启，一盆冷水又浇了下来——8个燃烧器只有1个被点着。

研发人员没有气馁。经过反复调试分析，9月27日，这台重型燃气轮机的8个燃烧器终于同时点火成功。

让“热声振荡尖叫”安静下来

科学的大道上从来没有坦途和捷径，只有不避艰险、不怕困难，勇于面对挫折和失败，才能摘取“皇冠上的明珠”。“东方汽轮机是一家以汽轮机为主导产品的发电设备制造企业，但在重型燃气轮机设计领域，很多问题从没遇到过。”赵世全说。

以该设备的核心部件燃烧器的工况为例，在燃烧器内筒，高温火焰与压力波动“你来我往”，产生了一种叫作“热声振荡”的现象。它是制约燃机研发的关键瓶颈，又是所有燃机研发历程中的必经之路。

2018年，燃烧技术团队在开展燃烧器部件试验时，遇到了约3000赫兹的高频振荡。刺耳的声音穿透隔音防护传至测控室，数秒后，大家才意识到，这就是“热声振荡尖叫”。窥视镜检查显示，设备部件已经受损，裂纹、碎片均有出现，试验被迫停止。

面对前所未有的难题，工程师们查阅文献资料，从原理入手，通过不断尝试匹配不同的燃料与空气比例，控制火焰的位置与形态，进而控制火焰与压力波博弈的结果。经过数天调试，终于找到了最佳燃料与空气匹配比例，“安静”地实现了预期试验目标。此后，团队成员又更进一步，着手研发出更精准预测“尖叫声”的计算方法以及抑制手段，支撑与推进了整机试验。

主机国产化率100%

燃气轮机工作时，使用的高温透平叶片需在普通金属熔点温度以上的条件下，以6000转/分钟高速旋转，其叶顶线速度超过大型客机飞行速度的两倍。而叶片的生产制造，因型线精度要求高、材料强度黏性大，机械切削加工难度巨大，只能采用精密铸造成型技术。