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“命门火衰?#20445;?#37325;型燃气轮机的叶片之殇
2018-05-09 08:17:13 来源: 科技日报
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  重型燃气轮机(以下简称重燃),名副其实的大国重器。作为迄今为止热/功转换效率最高的动力机械,广泛应用于机械驱动(如舰船、火车)和大型电站。我国现已具备轻型燃机(功率5万千瓦以下)自主化能力;但重燃(功率5万千瓦以上)仍基本依赖引进。据悉,重燃发电机组目前占全国发电装机总量的3%左右,虽不是一大块,却是不可或缺的一块——启停快捷、热效率更高、污染更少的燃机机组,作为大电网调峰容量的最佳选择,在国家能源安全中扮演着无?#21830;?#20195;的全局性角色。没有自主化能力,意味着我国能源安全的重要?#25442;罰?#20173;然受制于人,存在被“卡脖子”的风险。

  极致?#38469;酰?#23545;质量和性能近乎变态的追求

  把熔化的液态金属浇入模具,?#20154;?#20957;固;在显微镜下看其金相,会呈现形似“干裂农田”状的缝隙,专业术语称之为“晶界?#34180;?/p>

  “晶界是金属的薄弱?#26041;凇!?#22269;家科技重大专项“重型燃气轮机”?#38469;?#36127;责人表示。为提高金属材料在高温下的强度,就要想办法消除晶界。

  这是一个极其复杂、漫长的过程,包括精确的温度控制,以及精密铸造、定向/拉单晶等工艺。其核心部件的毛坯“?#38469;?#26469;自国外?#20445;?#26680;心设备单晶炉,也须从国外进口。

  该?#38469;?#36127;责人解?#20572;?#20316;为一?#20013;?#36716;叶轮式热力发动机,燃气轮机的叶片是最重要的核心部件之一。它要在1400℃—1600℃的高温下长期稳定地工作,目前没有任何金属可以做到。怎么办?

  极限工况催生出极致?#38469;酰?#19968;种对质量和性能疯狂到近乎变态的追求。除了消除晶界、提高所用材料本身的强度之外,“只有靠冷却?#20445;?#21494;片是中空的,以便通冷却空气;表面有陶瓷涂层、冷却气膜,使它跟高温燃气隔离,等?#21462;?/p>

  更关键一点,在以上复杂流程的所有?#26041;冢?#20219;何一项?#38469;醪问?#37117;不能有丝毫偏差,“这是它跟常规制造流程最大的不同?#34180;?#20182;强调,常规制造中还有一个安全系数,即一定的容错裕量;而“极限制造完全是另一概念?#20445;?#21494;片?#24378;?#24515;的、又很薄,除了精铸,目前没有其他工艺手段可以做出来,未来3D打印能不能解决还不清楚;铸造过程中,材料的?#24615;?#35010;纹、疏松、气孔以及变形等,都会影响叶片的强度和性能。因为?#20843;?#26412;身是不可能的,要靠好多极限手段硬让它变得可能?#20445;?#25152;有?#38469;?#24517;须做到极致。所以,一就是一,二就是二,偏差根本不能容忍、不被?#24066;懟?/p>

  体系差距:即使有钱也不知从哪下手

  美国GE公司高层曾声称,要买重燃成套?#38469;酰?#38500;非买下整个GE。

  “重型燃气轮机”重大专项总设计师顾?#20309;?#25945;授和上述?#38469;?#36127;责人都谈到,国际上大的重燃厂家,主要就是美国GE、日本三菱、德国西门子、意大利安萨尔多4家,与国内三大动力合作的也是这4家。但他们都附带?#37327;?#26465;件:首先,设计?#38469;?#19981;转让;其次,核心的热端部件制造?#38469;?#20063;不转让,仅以许可证方式许可?#23601;?#21046;造非核心部件。

  这两条注定了,没有自主设计能力,我们需要什么样的重燃、能要到什么样的重燃,只能听从人家的意志。核心制造?#38469;?#19981;转让,国内上?#22235;?#20040;多重燃发电机组,设备运维、备件提供完全受制于人,长期安全稳定运行堪忧;?#23601;?#21046;造的许可证又?#21152;?#26399;限,到期之后能否付钱再延,还须看他人眼色。所谓“卡脖子?#20445;?#33707;此为甚。

  跨国公司秘不示人、惜之如命的设计?#38469;酰?#26159;真正的核心?#38469;酢?#39038;?#20309;?#34920;示,重燃三大部件(压气机、燃烧室、燃气透平)的设计?#38469;?#38590;上加难,因为它们需要“大量基础研究支撑”和“长期试验验证及经验积累?#20445;?#27809;有长期积累,“即使有钱你也不知从哪儿下手?#34180;?/p>

  仍以叶片为例。即使分毫不差做足各种极致功课,叶片材料仍是有寿命期限的:重燃叶片,寿命在5万小时、3万小时不等,到期必须报废。

  怎么证明5万小时安全运行没问题?极限工况下、5万小时连续不断的材料试验必不可少。试想,一年8000多小时,5万小时要做将近6年,“这还只是做一轮配方、一轮工艺所需时间?#20445;?#25152;以“一个人一辈子都做不了?#29238;?#27597;合金?#34180;?#23427;意味着巨量的投资、巨量的耗时和巨量的数据采集,而且每一步都必须亲历亲为,否则就“不知其所以然?#34180;?/p>

  “尽早建立起我国完整的设计体系、试验验证体系,才是重燃自主化的关键所在?#20445;?#20013;国联合重型燃气轮机?#38469;?#26377;限公司负责人如是说。

  三位一体:工匠的经验仍不可或缺

  叶片精铸过程中,“拉单晶”工艺很有画面?#23567;?/p>

  上述?#38469;?#36127;责人介绍,一般的铸造,?#21069;?#37329;属液浇入模?#21360;?#33258;然冷却,出来的产品是多晶体,就会有晶界。而透平叶片单晶/定向铸造,“是在底下选一个晶体,让它慢慢往上走;上面保持高温,还是液体;然后这个界面一点点往上冷却,所以凝固时间特别长?#34180;?/p>

  顾?#20309;?#31216;之为“多物理场耦合?#20445;?#21363;制造流程中,每?#25442;方?#28041;及各种细节的工艺控制,这种控制又受到各种物理条件的影响,?#28909;?#28287;?#21462;?#28201;?#21462;?#36895;度等控制下的成型,“每一步?#38469;?#24037;匠、工艺、设备的‘三位一体’?#34180;?/p>

  三位一体中,设备当然必不可少,“先进单晶炉须从德国进口,国产的目前仍不完善。但光强调设备也不行?#34180;?#21333;晶制造过程中,涉及多个?#26041;凇?#22810;位顶尖高手,每人各管一段;每人都身怀绝技,相互不?#21830;?#20195;。包括所有的?#38382;?#25511;制、补偿等,既靠数据标准,更有“手上的功夫?#20445;?#20063;就是经验积累。因为“多物理场耦合”中,没有一把尺子可以包打天下。这是基于大数据的3D打印仍无法终结工匠的道理,也是我国高端制造流程中目前最紧缺的?#25442;貳#?#35760;者 瞿剑)

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