“命门火衰”，重型燃气轮机的叶片之殇

 

　　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可替代的全局性角色。没有自主化能力，意味着我国能源安全的重要一环，仍然受制于人，存在被“卡脖子”的风险。

 

　　极致技术：对质量和性能近乎变态的追求

 

　　把熔化的液态金属浇入模具，等它凝固；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”。

 

　　“晶界是金属的薄弱环节。”国家科技重大专项“重型燃气轮机”技术负责人表示。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“都是来自国外”；核心设备单晶炉，也须从国外进口。

 

　　该技术负责人解释，作为一种旋转叶轮式热力发动机，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技术，一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”：叶片是中空的，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，等等。

 

　　更关键一点，在以上复杂流程的所有环节，任何一项技术参数都不能有丝毫偏差，“这是它跟常规制造流程最大的不同”。他强调，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”：叶片是空心的、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，材料的夹渣、裂纹、疏松、气孔以及变形等，都会影响叶片的强度和性能。因为“它本身是不可能的，要靠好多极限手段硬让它变得可能”，所有技术必须做到极致。所以，一就是一，二就是二，偏差根本不能容忍、不被允许。

 

　　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，要买重燃成套技术，除非买下整个GE。

 

　　“重型燃气轮机”重大专项总设计师顾春伟教授和上述技术负责人都谈到，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。但他们都附带苛刻条件：首先，设计技术不转让；其次，核心的热端部件制造技术也不转让，仅以许可证方式许可本土制造非核心部件。

 

　　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。核心制造技术不转让，国内上了那么多重燃发电机组，设备运维、备件提供完全受制于人，长期安全稳定运行堪忧；本土制造的许可证又都有期限，到期之后能否付钱再延，还须看他人眼色。所谓“卡脖子”，莫此为甚。

 

　　跨国公司秘不示人、惜之如命的设计技术，是真正的核心技术。顾春伟表示，重燃三大部件(压气机、燃烧室、燃气透平)的设计都是难上加难，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”，没有长期积累，“即使有钱你也不知从哪儿下手”。

 

　　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”，所以“一个人一辈子都做不了几个母合金”。它意味着巨量的投资、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”。

 

　　“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”，中国联合重型燃气轮机技术有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”工艺很有画面感。

 

　　上述技术负责人介绍，一般的铸造，是把金属液浇入模坑、自然冷却，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”。

 

　　顾春伟称之为“多物理场耦合”，即制造流程中，每一环节涉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，比如湿度、温度、速度等控制下的成型，“每一步都是工匠、工艺、设备的‘三位一体’”。

 

　　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”。单晶制造过程中，涉及多个环节、多位顶尖高手，每人各管一段；每人都身怀绝技，相互不可替代。包括所有的参数控制、补偿等，既靠数据标准，更有“手上的功夫”，也就是经验积累。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一环。

 

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