高鑫:中國航改型燃氣輪機設計製造發展水平

導讀:燃氣輪機被譽為工業皇冠上的明珠,隨著兩機專項的實施,中國航發始終堅持航改燃氣輪機與工業型燃氣輪機並舉的研製道路,中國航發燃機的設計能力、製造能力、試驗能力穩步提升,努力為使用者提供更多高效能自主智慧財產權的燃氣輪機產品。中國航發燃氣輪機有限公司市場營銷中心技術總監高鑫在亞洲燃氣輪機決策者聚焦峰會上作了《中國航改型燃氣輪機設計製造發展水平》的主題演講。

高鑫:中國航改型燃氣輪機設計製造發展水平

以下為發言實錄:

各位嘉賓,大家上午好,我是來自中國航發燃機的高鑫,我的演講題目是中國航改型燃氣輪機設計製造發展水平,燃氣輪機在國防和國民經濟領域有廣泛應用和顯著地位,是能源動力裝備領域最高階產品,代表裝備製造業最高技術水平。顧名思義航改燃氣輪機是由航空發動機改造得到的燃氣輪機。

輕型燃機主要走航機改型的道路,據統計95%艦船燃氣輪機都是航改型的,同時因燃機與航機的共性關係,在研製階段我們可以設計、試驗體系等等縮短週期減少經費,進一步促進該技術途徑成為發展的主流。

航發燃機呈現出多元化和系列化發展的特點,多元化發展方面,在同一航機的基礎上,可以發展成不同型別和不同等級的燃氣輪機,我國在太行核心機的基礎上,可以發展成7MW級單轉子,15MW級雙轉子以及40MW級雙轉子燃機。在同類型燃機輪機的基礎上,可以透過不斷地升級改進提高效能,如航發燃機參考先進的燃氣輪機發展途徑,開展了10MW功率增大型燃氣輪機的研製工作。

航空發動機改型原則方面,渦噴發動機相對簡單一些,只需要去掉後面的尾噴管,同時新設計一個動力渦輪,就可以將高速能量以扭矩的形式輸出。渦扇發動機改型一般核心結構不變,改單轉子燃機需要去掉前面的風扇,低壓渦輪改成動力渦輪,改雙轉子燃機需要對風扇切頂,或者是全新設計低壓壓氣機,同時也需要新設計一個動力渦輪,如我們航發燃機的Agt-15。

航改燃機可以共用在航空發動機研製過程中形成的設計體系、製造體系、試驗體系以及人才隊伍軟體資源。航改燃機產業是關係國家安全、經濟建設和科技發展的戰略產業,其發展水平已經成為衡量一個國家軍事水平、科技實力和綜合國力的標誌,具有極高的政治軍事價值。

中國航改燃氣輪機發展始於上世紀70年代,40多年來航發等企業改型研製並投產多種輕型航改燃機輪機,成功用於機械驅動等領域。

中國航發始終堅持自主創新研發燃氣輪機產品,形成了與航機設計體系互補、技術發展聯動、加工試驗資源共享的燃氣輪機設計平臺,設有29個涵蓋各專業領域的科研部門,擁有涵蓋空氣動力學、流體力學、工程熱物理、強度等專業領域的科研隊伍,具有國內領先的燃氣輪機整機、零部件試驗手段及質量保證體系。

我們航發燃機主要專業包括總體、壓氣機、燃燒室、渦輪、強度控制、測試、傳動潤滑、內流傳熱等,形成了較為完善的設計體系,包括設計軟體、規範手冊準則以及試驗資料庫等。

下面介紹一下航發燃機總體的設計思路,首先進行母型機的選擇,效能上具有較長時間的競爭力,尤其是低的燃油消耗率和合理的功率等級。可靠性高,一般需累計一定的裝機飛行時數,表明其安全可靠,批次生產方面,一般需具有批次生產條件,主要指燃氣發生器的生產線,以縮短研製週期和降低費用。

在選取好母型機後,需進行整機的熱力迴圈引數選取,這是因為航改燃機的功率、熱效率、總壽命、可靠性等指標主要取決於渦輪進口燃氣溫度、燃氣發生器總增壓比和燃機進口空氣流量這三個引數,實際上整個熱力迴圈引數的選擇過程就是使整機熱效率,功率以及壽命得到合理兼顧的過程。

選取好整機的熱力迴圈引數之後需要進行部件系統改型,包括壓氣機、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪和動力渦輪等。

航改燃機壓氣機技術發展趨勢是不斷提高階負荷,以儘可能少的極數實現規定增壓比,各工作狀態下均具有高效率。同時氣動方面需要引進更先進、更完善的氣動與葉型設計方法,保證氣動穩定性。結構方面,要求結構簡單、維護方便、製造與維護成本低。材料方面,選用更先進高比強材料,長度短,重量輕。工作壽命方面,要求可靠性高效能衰減慢,以及符合國家使用者和行業各種規範標準技術條件的要求。

氣動效能試驗,主要包括葉柵性試驗和壓氣機效能試驗,葉柵效能試驗主要包括平面葉柵吹風試驗、環形葉柵吹風試驗、旋轉葉柵試驗。壓氣機效能試驗,包括錄取壓氣機的總效能和基元葉片,進口導流葉片和靜子葉片安裝、進氣畸變、級間引氣對壓氣機的影響等。

航改燃機燃燒室設計方面,需在愈發惡劣的工作條件下,不斷提高燃燒室的效能和工作穩定性,如燃燒效率需要接近100%,燃燒室的恢復係數以及出口的OTDF和RTDF指標提高。近年來航發燃機也在不斷突破一些燃燒室設計的關鍵技術,主要有一體化霧化裝置設計技術,高效冷卻設計技術,低損失擴壓器設計技術以及高精度數值模擬技術。

在工業型燃機燃燒室設計方面,主要包括幹低排放和雙燃燒室關鍵技術,透過採用貧油預混燃燒技術,使天然氣和過量空氣預先摻混降低燃燒區的火焰溫度,抑制燃燒過程中氮氧化物的生成,同時燃燒室採用模組化的設計,滿足了工業燃機低成本、易維護和長壽命的使用要求。試驗表明,低排放燃燒室具有點火可靠,全工況燃燒穩定,氮氧化物和一氧化碳的排放滿足國家環保要求。

航改燃機冷卻式渦輪設計是多次反覆迭代、協調和折中的過程。包括先進的氣膜葉片的設計技術,三維葉片設計技術,間隙設計與控制技術,結構上要求單元體設計以及整體葉盤的設計,用於減振的阻尼件設計等。

一臺先進的燃氣輪機從設計到投入使用需耗費鉅額資金和相當長的研製週期。試驗是燃氣輪機研製的催化劑,我們需要透過反覆的試驗、修改、考核,才能最佳化我們產品的效能,增強產品的可靠性,提高產品的成熟度。整機試驗按照研製階段可以分為技術驗證機試驗,工程驗證機試驗,聯除錯驗以及狀態鑑定試驗。

技術驗證機除錯目的是驗證新機方案的可行性、採用的新技術的可行性、各部件和系統相互之間的匹配性,為新機研製轉入工程驗證機研製階段提供試驗依據。工程驗證機除錯,主要完成各專項試驗的可靠性試驗。燃氣輪機聯除錯驗相當於航空發動機高空飛行臺試驗,主要目的是檢查燃氣輪機與動力系統其它裝置之間介面的正確性和電氣介面的準確性;考核燃氣輪機與負載及其它輔助系統、裝置在全轉速、全負荷執行中的匹配協調性、安全穩定性;驗證燃氣輪機的相關效能指標是否滿足型號規範要求。

狀態鑑定試驗是對各項指標和效能進行全面的試驗考核,狀態限定完成之後才可以裝艦試用。航改燃機大部分的部件、系統試驗器可以與航空發動機共用,為航改燃氣輪機研製提供試驗基礎。包括高中壓聯合氣源,高溫高壓燃燒室試驗器及燃機專有試驗裝置等。

擁有風扇、壓氣機、燃燒室、渦輪、強度/壽命、機械系統、控制系統、防冰系統等零部件和系統試驗器100餘臺套,能夠基本滿足航空發動機和燃氣輪機主要零部件、系統、強度以及部分特種試驗需要。

零部件試驗能力方面,熱葉柵、管流試驗器主要用於渦輪葉片的冷卻效果試驗、各部件流量特性試驗和燃燒室積碳試驗,高壓渦輪試驗器可用於渦輪葉片的熱衝擊試驗。整機試驗能力方面,擁有燃氣輪機試車臺3座,在建燃氣輪機試驗基地1座,擬建1座。

我彙報第三部分是航發燃氣輪機的材料與製造技術,幾十年來,中國航發堅持開展材料和製造技術研發和能力建設、工藝技術課題研究、重點工藝技術攻關、引進消化國內外先進的製造技術,建立了AEOS生產製造體系。該體系涵蓋材料製備、機械加工、特種加工、裝配試車、檢測試驗等工藝技術體系、形成了成熟的航改燃氣輪機材料製造技術體系。

航發的產品毛坯製造能力方面,中國航發擁有所有燃機產品的毛料製備技術儲備,以典型零件的毛料製備舉例,機匣和盤環類零件毛坯鍛造水平主要體現在工藝設計、鍛造技術、熱處理技術、機加工技術、產品檢測等方面。中國航發擁有豐富的毛坯鍛造工藝技術儲備。壓氣機葉片的精鍛和模鍛毛料對材料效能、裝備效能、成型工藝要求較高。中國航發是目前國內能做鍛造葉片毛料的主要廠家之一。隨著現代燃機效能不斷提升,渦輪葉片作為燃機關鍵零元件,其結構越來越複雜,要求越來越高,鑄造難度越來越大。目前中國航發在各個流程都具備製造能力,能夠生產包括普通高溫合金,等軸晶,定向晶,甚至單晶類渦輪葉片。航發從1995年至2005年期間,研發出了等軸晶、定向晶和一代單晶材料,目前成功研發二代單晶材料,可以應用於H級燃氣輪機。

中國航發擁有所有燃機產品的毛料製備技術儲備,以典型零件的毛料製備舉例。環形機閘的壁厚較薄,最薄處不到2mm,在機械加工過程中容易讓刀和加工變形,從而導致零件不合格,一直是行業內的難點。中國航發具有豐富的環形機閘加工經驗和技術。

盤類零件製造技術方面,與普通臥式內拉床相比,高速側拉床具有鋼性好、速度快、行程長、傳動平穩、分度精度高、拉刀製造和刃磨方便、錐角和螺旋角可調、自動化程度高等特點,適於拉削加工渦輪盤、壓氣機盤的樅樹型榫槽和燕尾型榫槽。中國航發具有豐富的盤類零件加工經驗和技術,並且還承接了國際航發企業的盤類零件加工業務。

軸類零件製造技術方面,燃機的軸類零件結構特徵較多,涉及的加工種類也多,為了保證各個結構特徵的基準統一,儘可能的減少零件加工過程中的裝夾和基準轉換次數,車銑複合加工技術成為一種理想的選擇。

葉片類零件製造技術中,壓氣機葉片葉身型面薄且精度較高,加工時容易因變形造成超差,自適應加工技術能夠實現在精加工葉身型面前,對零件實際狀態進行測量。根據零件的實際情況調整精密加工時的加工餘量和座標系,最大限度的保證零件合格。渦輪葉片的緩進磨削是一種強力磨削,有極高的磨削效率,適合磨削難加工材料,較高的加工精度和表面質量,可實現成形磨削的自動化控制。

在海洋環境下防腐技術方面,當DSM11合金表面增加塗層後其耐熱腐蝕效能有所提高,且加塗層NiCoCrAlYSiHf和NiCoCrAlY的效果要好於滲鋁塗層;與未加塗層相比,K438+熱障塗層和DZ38G合金+NiCoCrAlY塗層後耐熱腐蝕效能均有所提高。

噴塗技術方面,噴塗是一種透過噴槍或碟式霧化器,藉助於壓力或離心力,分散成均勻而微細的霧滴,施塗於被塗物表面的塗裝方式。在燃機產品中主要是增加零件的耐磨,耐高溫塗層。

噴丸技術方面,噴丸處理是一種使用丸粒襲擊工件表面並植入殘餘壓應力提升工件疲勞強度的冷加工工藝。廣泛用於提高零件機械強度以及耐磨性,抗疲勞和耐腐蝕性等。

最後介紹一下航發燃機的新產品AGT-10。首先介紹一下研製背景,AGT-7燃氣輪機應用於綜合能源服務領域還存在功率偏小,效率偏低等問題。與江蘇、廣東等電氣價倒掛嚴重地區的市場需求還存在一定差距。同時天然氣輸送,海洋平臺發電、熱電聯供與分散式發電等對10兆瓦級燃氣輪機也有現實需求。因此迫切需要在AGT-7燃氣輪機這一成熟機型的基礎上,根據後續使用需求進行改進研製,滿足國民經濟發展對10兆瓦級輕型燃氣輪機的需求。

AGT-10燃機透過採用壓氣機前加級設計技術、最佳化平衡腔、封嚴腔等空氣系統引氣、高效率動力渦輪設計等關鍵技術,使整機效能大幅提升,功率提高了25%,熱效率提高13%。同時其最大限度繼承了AGT-7燃氣輪機的結構、材料和效能特點,關鍵部件的結構特性、氣動特性、熱負荷特性等已在母型機上得到充分驗證,主要部件(如壓氣機葉片、渦輪葉片)等材料具有防腐效能,這些都將大大減少研製工作量,縮短研製週期。

設計完成後,按照國軍標的要求完成整機300小時綜合整合驗證試驗及各項專項試驗,結果均滿足設計要求。

經過多年的探索,中國航發始終堅持航改燃氣輪機與工業型燃氣輪機並舉的研製道路,隨著專項的實施,中國航發燃機的設計能力、製造能力、試驗能力穩步提升,努力為使用者提供更多高效能自主智慧財產權的燃氣輪機產品!希望我的介紹讓大家對航發燃機有更深入的瞭解,我的彙報到此結束,謝謝大家!

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