刘展鹤

摘要：重型燃气轮机是一种能够对能源进行高效转换的核心动力装备。重型燃气轮机有助于实现能源系统的高效、清洁以及安全，我们能够发现在燃气轮机的发展中，高效清洁燃烧室、多级轴流压气机以及二次空气清洁系统，是最为重要的技术。我们以国家需求为导向，通过吸收、消化以及研发，来突破重型燃气轮机发展中的关键技术问题，逐渐首先我国重型燃气轮机核心技术的国产化道路。

关键词：重型燃气轮机;自主研发;压气机;燃烧室;气冷透平

0  引言

燃气轮机在人类生存生活中具有非常广泛的应用，特别是在发电领域中的应用更为广泛，使用燃气轮机来进行发电，其效率能够高达65%，是人类当前所掌握的能源利用效率较高的商业化发电方式。当前燃气轮机大多采用天然气和燃油为燃料，是继煤电和核电之后的第三大发电方式。我国当前的燃气轮机装机容量为3100万千瓦。根据当前的科技发展速度，在21世纪燃气轮机仍然成为能源转换效率最高的核心动力装置。

1  重型燃气轮机的市场现状和发展趋势

在国家经济快速发展，人们生活水平不断提高的情况下，对重型燃气轮机的要求也不断提升，一般来说使用重型燃气轮机来进行发电，具有造价低、水需求少以及较高的调峰性能，因此是重要的复杂能源系统的重要组成部分，能够提供高效、清洁和安全的能源。总的来说在国际市场份额中，重型燃气轮机的提供商主要有GE、Siemnes、MHI和Alstom。西方国家在燃气轮机中的投入较多，研发时间较长，同时也具有较深的技术积累，掌握着重型燃气轮机的核心技术。并且许多国家也都投入了更多的时间以及精力等，来进行重型燃气轮机的研发与使用，希望能够以更高的技术以及更好的服务，来获得更多的市场份额。我们可以预测燃气轮机在以后，将会朝着以下几个方向发展：第一以E/F级燃气轮机为主的联合循环发电站技术已经相对成熟;其次随后延伸出来的G/H级燃气轮机，也出现了使用合成气的趋势;最后在未来燃气轮机很有可能会逐渐使用氢气作为燃料，对外部实现零排放[1]。

2  重型燃气轮机的技术分析

随着科学技术的发展重型燃气轮机也展现出了较大的技术进步，比如燃气轮机的初温以及整机功率都得到了提升，提高了燃气轮机的效用，降低了轮机的能耗。一般来说燃气轮机的初温以每年提高12℃的速度上升，具体见图1。

2.1 多级轴流压气机

在多级轴流压气机中，所使用的技术主要有气动热力设计、结构以及强度的设计等。随着发动机转速的提升，以及负荷的提高，会造成压气机内部出现振动或者失速的现象，使得压气机的功能无法得到真正发挥，因此我们需要不断提高压气机的失速特性[2]。

2.2 高效清洁燃烧室

在重型燃气机中燃烧室发挥着非常重要的作用，能够保证燃料的充分燃烧并排出多余气体。由于在燃烧过程中，表面压力的变化以及温度的提升，都会使得燃烧室的壁面受到影响，比如说燃烧室的关键部位出现抖动等，从而使得轮机运行中存在着安全隐患。在燃烧室温度不断提升的情况下，我们需要对产生的作用进行综合分析，同时提出具体的控制振动的方法。

在未来随着技术的进步以及人们对环境保护的重视，燃气轮机将会朝着富氢的方向发展，氢气作为一种清洁能源，虽然能够有效地对环境进行保护，但是氢气在燃烧室中的应用，也对燃烧室提出了更大的挑战。氢脆是金属物体在含氢的介质中，经过长期的使用由于吸收氢而形成的一种严重的机械性能退化、使得金属发生脆断的现象，所以在使用氢气作为燃料时，需要考虑到燃烧室运行中可能存在的风险。如何有效地控制氢燃烧室材料所形成的氢脆现象，就成为了燃气轮机技术中的关键点。并且对燃气轮机的温度进行有效的控制，使得内部燃料能夠得到充分燃烧，可以防止出现热斑、旋流以及辐射等现象[3]。

2.3 二次空气系统

空气系统也是重型燃气轮机中的重要技术环节，我们在提高燃气轮机运行效率的同时，还不能对外部环境产生影响。所以我们既要重视提高燃气轮机的运行功率，得到更大的产出，但也需要加强对环境的保护。由于燃气轮机中会产生加大的压力，所以在进口处的温度也相对较高。所以在冷却空气系统中加入了冷却空气通道，既能够将冷却燃气输送到外轴，同时也可以保护涡轮主流道内的部件，提高二次冷却空气系统的作用。图2是燃气轮机的二次空气系统结构示意图。

二次空气系统具有不同的功能，我们可以将其分为密封泄露结构、旋转盘腔以及预旋腔三个部分。不同类型腔室的流动传热特征也不一样。对二次冷却空气系统性能的发挥产生了较大的影响。因此我们能够使用二次空气系统，来挺对燃气轮机中冷却流量的利用效率。

2.4 镍基超级合金叶片材料与制造

在重型燃气轮机中，不同部位的零件受到的温度等环境是不一样的，一般来说高温部件所受到的环境最为恶劣，因此也是发生故障最高的部件。在严格的运行环境下要求高温部件具有较高的可靠性、较强的抗组织退化以及防止寿命降低的性能。与航空发动机相比，重型燃气轮机需要有更长的使用寿命，并且有足够的稳定性以及可靠性作为保证。但是重型燃气轮机由于高温部件非常容易受到影响而降低性能，所以我们可以采取使用镍基超级合金叶片材料来制造高温部件。

在重型燃气轮机的使用中，提高对高温部件的监测，科学合理地评估高温部件的使用寿命，及时发现可能存在的问题，并提出具体的对策建议，是当前燃气轮机产业面临的共同问题。因此我们需要对燃气机的高温部件，进行科学的评估以及分析，探讨在不同情况下燃气轮机使用中的情况，同时建立有关的寿命模型，以此来建立有效的燃气轮机高温部件，在复杂环境下的寿命评估方法。

3  我国重型燃气轮机发展现状

我国发展重型燃气轮机的时间较早，可以追溯到建国时期。我国在吸收前苏联重型轮机的基础上，不断发展成为了具有自主知识产权的轮机，具体包括200km车载轮机等。

在我国经济水平不断发展，科学技术进步较快的情况下，人们不仅需要加强对重型燃气轮机的发展，同时也需要注重对环境的保护。因此我们在重型燃气轮机的发展中，经历了以环境换技术和市场换技术等极端，不断从国外引进了GE、F/E等重型燃气轮机等。通过对这些技术的吸收，我们也研制出了国产化的重型燃气轮机。

国外对我国重型燃气轮机技术，一直处于封锁状态，不愿意出售关键技术。我国在消化与吸收的基础上，进行了大量的研发，并且在燃气轮机的生产上取得了明显的进步。

4  总结

重型燃气轮机是国家科技的代表与象征，对我们的能源系统的安全以及环境的保护等，都能够起到非常重要的作用。因此我们需要从燃气轮机产业发展，以及技术研发的角度，通过自主研究以及引进消化吸收的方式，不断缩短我国与发到国家的差距，提高我国燃气轮机的制作工艺与技术。

参考文献：

[1]曾之禄.重型燃气轮机现状与发展趋势[J].军民两用技术与产品，2016（8）.

[2]伍赛特.重型燃气轮机研究现状与技术发展趋势展望[J].机电产品开发与创新，2019（2）.

[3]蒋洪德.加速推进重型燃气轮机核心技术研究开发和国产化[J].动力工程学报，2011，031（008）：563-566.

[4]温焱明.重型燃气轮机燃烧系统和控制系统升级改造[D].