发布时间 : 星期五 文章3.燃气轮机是21世纪动力设备的核心更新完毕开始阅读46638770de80d4d8d15a4fa0
为拥有独立制造技术的世界重型燃气轮机制造企业之一。
燃气轮机与内燃机相比，具有重量轻、体积小、单机功率大、运行平稳、寿命长、维修方便等优点，它早已在飞机发动机中取得了独占地位。由于美、英、俄等国对航空技术高度重视，投入了大量研究开发资金，因此，航空的燃气轮机技术比工业燃气轮机发展更迅速。目前，世界的轻型燃气轮机制造业也形成了GE、R.R(罗尔斯-罗伊斯)、P&W(普惠)三大主导企业。近年来，俄罗斯、乌克兰等国借助前苏联强大的航空工业基础，也在加紧进行航机改型工作，推出了一批轻型燃气轮机。 2.工业燃气轮机技术发展的四代技术
燃气轮机是一项多种技术集成的高技术，按技术特征，工业型燃气轮机可分为四代：过去的半个世纪，世界发展了头两代工业燃气轮机，其传统的提高性能途径是：不断地提高透平初温，相应地增大压气机压比和完善有关部件。未来五十年，可能主要利用新材料和新技术的突破，再开发出两代新的燃气轮机。 (1) 第一代始自四、五十年代
1939年秋，瑞士研制出世界首台4MW燃气轮机发电机组。1949年世界首套燃气蒸汽联合循环发电装置投入运行。五十年代初，透平初温只有 600～700癈，那时主要靠耐热材料性能的改善，平均每年上升约10癈。六十年代后，还藉助于空气冷却技术，透平初温平均每升20癈。到了八十年代，已把初温升至850～1000癈。
第一代技术的特点是：单轴重型结构(航空移植除外)，初期高温合金，简单空冷技术，亚音速压气机，机械液压式或模拟式电子调节系统。性能参数特征：透平初温小于1000癈，压比在4-10，简单循环效率小于30%。 (2) 第二代已达当今最高水平 从七十年代开始，充分吸收先进航空技术和传统汽轮机技术，沿着传统的途径不断提高性能，现已开发出一批“F”、“FA”、“3A”型技术的新产品，它代表着当今工业燃气轮机的最高水平：透平初温达到1260-1300癈，压比 10-30，简单循环效率36-40%，联合循环效率55-58%。
第二代技术特征：轻重结合结构，超级合金和保护涂层，先进的空冷技术，低污染燃烧，数字式微机控制系统，联合循环总能系统。性能参数特征 透平初温小于1430癈，简单循环效率小于40%，联合循环效率小于60%。 (3) 第三代正在开制
其主要特重是采用更有效的蒸汽冷却技术，高温部件的材料仍以超级合金为主，采用先进工艺(定向结晶，单晶叶片等)进一步改善合金性能，部分静部件可能采用陶瓷材料。应用智能型微机控制系统也是一个方向。
GE公司的GE37是相当于第三代水平的喷气发动机，正在研制，它使用现有超级合金和少量可提供的陶瓷材料，透平初温在1400癈～1500癈，短时达到1600癈。正在研制第三代工业燃气轮机的典型代表是许多公司的H型技术产品，它们采用蒸汽冷却，以保证达到1430癈以上的初温。 (4) 第四代正在构思
对第四代燃气轮机的构思是基于采用革命性的新材料，发动机处于或接近理论燃烧空气量条件下工作，透平初温将大于 1600-1800癈，冷却系统可能被取消，现采用的熔点1200癈、密度为8g/cm3的超级合金将被淘汰，新的高级材料应是小密度(＜5g /cm3)的、有更好的综合高温性能，也许陶瓷材料是一种选择。
美国工业燃气轮机在总体上处于世界领先地位，已开发出“FA”型产品，正在开发“G”型和“H”型(透平初温1430癈，单机功率280MW，单机联合循环功率 480MW，系统效率将突破60%)，正在实施多项大的发展计划，如先进动力透平系统(ATS)等，还和欧洲合作执
行将高性能航空发动机改型为先进工业燃气轮机的先进燃气轮机合作计划 (CAGT)。欧洲在发电用大型燃气轮机方面不比美国逊色。德国、瑞士和瑞典有自己研制的高性能燃气轮机。日本、英国、意大利、法国等国都生产当今性能最好的“FA”型燃气轮机，但都沿用外国的技术。英国和法国有航机陆用领域有很大进展。日本在开发高温的陶瓷燃气轮机上进展迅速。 注：
(1) 美国IHPTETT和ATS计划：在国际市场上，美国燃气轮机在技术水平和产量方面均具有领先地位，是其在贸易方面保持大量顺差的主要产业之一。为了保持在军务和商业竞争方面的领先地位，美国对下一代燃气轮机的发展，正在投入大量资金，实施多项大的发展计划。如：
.IHPTET计划：这项为期16年(1987～2003年)的计划是针对航空的要求提出的，要使航空发动机的推重比现有最高水平的基础翻一番，达到 20。该项计划的投资为45亿美元。除此之外，近年来美国还有4～5个大中型航空发电动机研制项目。这些，都为美国先进燃气轮机技术的发展提供了技术基础。
.ATS计划：即先进透平动力系统(Advanced Tubine Systems)计划。由美国能源部主持，政府与工业界共同投资7亿美元历时8年(1992～2000年)的计划，主要目标是：透平初温1427癈，系统效率约60%，以煤为燃料，更好的RAM性能，低水耗，低污染(Nox＜9ppm，CO＜10ppm)。
(2) 美国和欧洲合作的CAGT计划：即先进燃气轮机(Collaborative Advanced Gas Turbine)合作计划。是一项由美国牵头，美、欧22个部门和公司参加的多国计划，主要是将波音777飞机配装的三种超级风扇发动机 (GE90，PW4000和Trent)改为先进的燃气轮机。当前首要项目是 ICAD(中间冷却)方案，透平转子前温度为1700～1755K，简单循环效率为45～47%。ICAD是实现更先进的循环HAT的第一步。HAT循环的热效率可达61～63%。
(3) 欧共体ECATS计划：从80年代中期起，欧共体赞助研究新一代高效率(简单循环效率为40%，联合循环效率为＞60%)的先进燃气轮机(ECATS)计划。其研究内容和美国ATS计划的第1和2阶段研究内容相仿。这个计划由一个叶轮机械研究协会(Turbo AG)来协调和组织，成员包括ABB，BMW，Daimler Benz,RollsRoyce，和Siemens。
(4) 日本发展高效率燃气轮机：一九七八年，日本通产省工业技术院制订了主要内容为能源技术研究和开展“月光计划”，共有五个项目，第一个就是“先进燃气轮机”。日本的燃气轮机是靠与美国进行技术协作发展起来的，即购买生产许可证仿制美国的产品，而“月光计划”研制的高温高效燃气轮机则完全依靠日本自己掌握的技术来赶超国际水平了，这是日本燃气轮机行业的一个新的起点。另外，日本在开发高温的陶瓷燃气轮机上进展迅速。 二、我国燃气轮机工业现状 1.我国重型燃气轮工业的现状
我国重型燃气轮机制造业始于五十年代末。六十年代至七十年代初，上海汽轮机厂股份有限公司(原上汽厂)、哈尔滨汽轮机厂有限责任公司(原哈汽厂)、东方汽轮机厂和南京汽轮电机(集团)有限责任公司(原南汽厂)都曾以厂所校联合的方式，自行设计和生产过燃气轮机，透平进气初温为700癈等级，与当时的世界水平差距不大。典型机型有1MW、1.5MW、3MW、6MW发电机组，6MW船用机组，3500hp、 4500hp机车用机组。
七十年代中期，为配合川沪输气管线的建设，由国家计委批准，以南汽为基础，投资1.4亿，并将各地燃机专业人员200余人调入南汽，建设了我国重型燃气轮机科研生产基地。并由原第一机械工业部负责在南汽组织了由全国近百个单位参加的“2万3千千瓦燃机”大会战，透平进气初温990癈等级。于1978年成功地完成了第一台全国产化样机的试制工作并通过了国家鉴定，这是我国当时最大功率的燃气轮机。之后共生产同型号机组3套用于发电，
目前仍在役。“2万3燃机大会战”充实和壮大了重型燃气轮机设计和科研队伍，到目前为止，仍是我国重型燃气轮机工业的技术基础。
70年代后期，哈汽厂、上汽厂、东汽厂和南汽厂按国家川沪输气管线计划，联合设计了17.8MW驱动用燃气轮机。由于国家能源政策的调整，未能投入生产。
八十年代南汽厂在原机械电子工业部的主持下，与美国GE公司合作生产透平进气初温1100癈等级的MS6001B型燃气轮机，单机功率40MW，效率32%，是世界上该功率等级的主力机型，国产化率约60p%。该品于1988年通过国家鉴定，迄今已生产22套，其中出口国外占一半，实现了替代进口的目标，其合作生产的方式是：(1) 燃机核心部件由美国GE公司提供，如：abcd叶及压气机可转导叶。
(2) 国内生产有困难的配套件可向GE公司采购。(3) 由南汽生产的燃机的其余部分部件和零件按GE公司提供的图纸、标准进行生产，组装和试车。(4) 整机性能参数经GE公司认可后出厂。(5) 技术改进产品更新与GE公司同步。由此保证了该合作生产产品的质量和性能与美国GE公司产品相当。
近年来，为解决冶金企业高炉煤气的利用，南汽车与美国GE公司合作，在MS6001B的基础上，开发了以高炉煤气为主要燃料的低热值6BL型燃气轮机，可以烧1300大卡/NM3低热值燃料。
在科研能力方面，南京燃气轮机研究所、上海发电设备成套设计研究所、国电公司热工研究院、中国船舶工业总公司703研究所、中科院工程热物理研究所、清华大学、西安交通大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学等单位都有一定数量的科研人员和试验研究设备，取得了一些科研成果，如东风型、红旗Ⅰ型和360等叶型，低热值煤气燃烧室等。但设备比较分散，多数性能现在已不太先进。虽然取得了一些成果，但要形成设计先进燃机的完整资料，还需要进行大量的工作。 在制造能力方面，机械系统的企业以南汽厂为代表经八五、九五改造，拥有大型制造厂房，大型数控加工设备和精密测试设备，除高温合金叶片、燃烧室、特殊涂层等少数关键设备、工艺外，生产大型燃气轮机的能力缺口不大。
六、七十年代我国自行研制燃气轮机取得了一些成功的经验，主要有：国家领导部门的支持；产学研联合科研和设计；许多单位的联合攻关和协作等。这些都可供今后自主开发燃气轮机时借鉴。
2.我国轻型燃气轮机工业的现状
我国轻型燃气轮机工业主要集中在航空系统，40多年来航空发动机工业已经建成了7个制造厂和4个研究设计所，拥有14万职工的航空发动机产业。研制生产了20多个型号的航空发动机，5万多台。七十年代开始，410厂、331厂、120厂等在航空发动机基础上改型生产了WJ5G、WJ6G、WP6G、WZ6G等型号的工业燃气轮机100多台套，用于油田、石化、邮电等部门。
1983年国家经委等下达由中船总703所与航空部614所、430厂跨部联合，承担斯贝航机舰改任务，并确定今后轻型燃气轮机走航改道路。1985年国家计委、经委批准在航空部成立“中国轻型燃气轮机开发中心”，统一归口轻型燃气轮机的规划、研制、生产、成套和引进工作。
1986年国家计委、经委批准航空部与美国普惠公司合作开发FT8燃气轮机，功率25MW，效率38.4%，是世界上同功率等级中效率最高的。我国负责制造低压压气机、动力涡轮、燃烧室、机匣、成套件等零部件，约占整机工作量的30%。到目前为止，该机组在国内的销售9套，国外销售的100多台机组中也有我国生产的零部件，主要用于发电和管线驱动。 90年代，国家决定引进乌克兰的GT25000舰用燃气轮机，由430厂负责燃气发生器国产
化，哈汽厂制造动力透平，703所负责成套，目前正在试制过程中。
目前，606所与410厂合作，在先进航空发动机基础上，改型研制功率为7MW，热效率为31%的轻型燃气轮机。
航空发动机工业在研究开发能力方面，有一个部件预研所、两个型号设计所和一个电子调节监控系统研究设计所。有成套的部件性能、强度和整机试验设备，可以满足航空及轻型燃气轮机的试验需要。两个型号设计所具备了开发现代航空燃气轮机的能力，正在开制的有A型、WPX和40号等先进航空发动机和燃气轮机。
在制造方面，经过了近几年来的技术改造，已经掌握了制造先进燃气轮机的工艺技术，除有成套的精密机加设备外，还配齐了现代燃气传输线机的特种工艺设备，可以制造各种压气机和内腔较复杂的定向结晶、单晶等气冷涡轮叶片。还可制造先进的燃烧室、火焰筒、内外套及喷嘴等零部件，以及重型燃气轮机的部分核心零部件。我国航空和轻型燃气轮机系统的制造能力是比较强大的。
3.对我国燃气轮机工业现状的评价
由于近20年来组织不力，缺乏投入，我国的燃气轮机工业可以说至今未形成严格意义上的产业。我国燃气轮机技术的现状可以归结为：起步不晚，进展缓慢，基础尚可，力量分散，面对机遇，亟待突破。
我国发展燃气轮机的基础力量虽然相对薄弱，但认真分析，缺口不是很大，尤其是综合了机械和航空两个部门的能力后。在设计能力、试验能力、加工能力和材料四大要素中，基础最好的是加工能力，最薄弱的环节是设计能力和高温材料。在加工能力方面，除大型定向结晶叶片的工艺和设备、大型轮盘超速应力处理工艺和设备尚不具备能力外，其它均可使用现有设备制造。其中：航空部门在叶片、火焰筒、过渡段、一次测控元件、液压件制造及特殊工艺(例如特殊形面成型、特种焊接、激光加工、涂镀)方面拥有优势，机械部门在大型轴类件、盘类件、缸体、焊接结构件制造、装配及成套能力方面拥有优势。如果可以成功地组织起全国的力量，完成样机试制应只需添加有限的设备。其次是试验能力。综合两部及科研院所、大专院校现有的试验设备，部件试验多数可以进行，包括研究性试验及工业性试验。需增加的主要是压气机整机模化试验台、燃烧室全尺寸高参数试验台、燃气轮机辅机/整机试车台等工业性试验台位。这也是机械部门关五五期间未完成的建设项目。在设计能力中，机械部门、航空部门和中科院、有关院所拥有先进的热力、气动、强度、振动计算方法和手段，在结构设计、系统设计、工艺方法方面拥有一定的能力。目前最缺乏的是独立设计经验、先进的设计数据库和资金投入，其次是人才流失和不能很好地组织各方面的力量，取长补短，有效地开展工作。
三、我国工业燃气轮机的发展前景 1.我国燃气轮机的应用现状
近年来，由于我国经济快速发展，燃机的应用已经起步并较快增长。截止1999年底，我国燃气轮机的装机总容量为5939MW(不包括港澳台地区)，占当年全国发电装机容量的1.99%，其中，重型燃气轮机4734.6MW，占79.7%。并且，已从八十年代的简单循环为主逐步过渡到联合循环为主。据初步统计，在发电用重型燃气轮机中，已有775%组成了联合循环发电机组。其中，30MW以上的联合循环发电机组有42套，有4套已达300MW等级，标志着我国燃气轮机电站已迈入大容量高效率的发展阶段。
我国现有的燃气轮发电机组主要分布在沿海经济高速发展的地区、大中城市和油气田等处。 我国现有燃气轮机绝大多数为进口机组，主要用于发电，少部分用于油气田的注水、进气、增压以及舰船和坦克动力。按发电千瓦计，国产部分只占约 7%。 2.可供燃气轮机使用的能源状况
以煤为主的能源结构使我国的环境污染日趋严重，目前，酸雨覆盖区已占国土面积约40%。