啃下“硬骨头” 制出“争气机”：首台自主研制F级50兆瓦重型燃气轮机攻关之路
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”。
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，因此大家认为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，其工作所承受的压力为18个大气压，相当于海下180米深度的水压，工作时候的温度超过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，都可能会导致总系统出现一些明显的异常问题。”
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。
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流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，小组成员又更进一步，着手研发出更精准预测“尖叫声”的计算方式以及抑制手段，支撑与推进了整机试验。
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/分钟非常快速地旋转，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。
“在叶片精铸团队成立时，大家的经验近乎一张白纸，前期试验压蜡出来的陶瓷型芯碎得‘稀里哗啦’，同时伴随着严重偏心。”田晓晶说，由于行业内对有关技术普遍高度保密，鲜有公开发表的文献，对科研团队来说这又是一次从“0”开始的探索之路。
随后，小组成员夜以继日、大海捞针般地搜索查阅文献，偶然间在一篇综述里发现了“型芯定位”的概念，还有一张模糊的图片。这让长久以来一筹莫展的团队“灵光乍现”，他们结合自己产品实际，创新性地提出6点定位设计方法，并与模具供应商合作，成功解决了之前的断芯和严重偏心问题。经过多批次生产验证，不但极大地改进了生产质量，提高了效率，其成果“一种带陶瓷型芯蜡模成型方法”还于2017年被授权国家发明专利。
方宇说，F级50兆瓦重型燃气轮机研制项目中，先后联合了高校、科研院所、产业链上中下游近300家企业，共同打造安全可控、自主可靠的燃机产业链，最终实现主机国产化率100%。
以国家战略需求为导向，集聚力量进行原创性引领性科技攻关，坚决打赢关键核心技术攻坚战。首台国产F级50兆瓦重型燃气轮机的成功研制，正是一个生动实践。（科技日报 陈科 记者 郑莉）
