R0110重型燃气轮机的研制

崔荣繁，陈克杰，郭宝亭

（中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，沈阳 110015）

0 引言

R0110燃气轮机是在国家科技部“十五”863计划能源领域燃气轮机重大专项下研制的具有自主知识产权的重型燃气轮机。其研制由总承担单位—中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，总设计师单位—中航工业沈阳发动机设计研究所，参研单位—国内相关科研院所、高等院校、大型企业等9家单位，采用“官产学研”联合模式进行。

R0110燃气轮机采用继承、借鉴和创新的方法研制，达到国外20世纪90年代重型燃气轮机产品（介于E级和F级之间）的性能指标，提升了中国重型燃气轮机工业的技术和产品水平。

1 设计工作

R0110燃气轮机是1台单轴、双支点（滑动轴承）、前输出的用于单独供电或热电联供的基本负荷供电及尖峰负荷调峰的重型燃气轮机。其设计是在继承已有的航空发动机和航改燃气轮机的技术与经验的基础上，并参考国内外重型燃气轮机相关资料并创新技术完成的。该燃气轮机性能指标为：在ISO条件下，输出功率为110 MW，热效率为35%，NOx排放量小于50 mg/m3，达到了国外20世纪90年代重型燃气轮机（介于E级和F级之间）的水平，在压气机、燃烧室和涡轮部件设计方面具有更先进的水平。

1.1 总体设计

R0110燃气轮机的总体设计是在参考样机资料的基础上，依据航改燃气轮机总体设计体系完成。主要包括：

（1）在标准大气额定状态点，对热力循环进行计算和相互验证；

（2）在通用发动机计算程序的基础上，针对燃气轮机的特点编制重型燃气轮机计算模型，计算变工况性能，重点保证比功、热效率、喘振裕度计算、变载荷能力等参数设置；

（3）确定台架试车和外场调试的全部测试参数和测试要求；

（4）提出对控制系统的要求；

（5）完成方案总安装图设计及总装目录编制工作；

（6）完成总体协调图设计；

（7）完成外部管路设计及外部管路目录；

（8）编写制造加工必要的技术文件与标准等。

1.2 压气机设计

在参考样机的基础上，按照总体设计要求，R0110燃气轮机压气机确定为轴流式，15级，压比为14.82，绝热效率为83.88%。

在总体结构设计过程中，为了保证发动机起动时压气机能可靠工作，在进气气缸上设有根据发动机的起动规律工作的进口可调静子叶片。为了提高压气机在低状态工作的稳定性，在第1、2级工作叶片的叶尖处采用处理机匣技术，在压气机第5、10和15级后设计了放气活门。

为了更好的验证总体设计要求，优化压气机的起动结构，进行了大量数值模拟，主要包括：

（1）考虑变比热，使用S2子午面2维计算程序和商用3维CFD软件在设计点工况下对压气机进行工作点的性能分析计算。计算结果显示，总性能、级性能和各级流场参数基本一致。

（2）采用多级轴流压气机1维特性计算程序，对15级压气机的不可调进口导流叶片角度基本特性、进口可调导流叶片由+5°～-25°时高转速调角度特性、关进口可调导流叶片角度工况的低转速放气特性计算。

压气机的具体结构最终包括进气气缸、转子前支撑、进口可调静子叶片、压气机转子、第1～15级气缸、扩压器、放气活门等。

1.3 燃烧室设计

由于原型样机中燃烧室部分的资料比较少，所以R0110燃气轮机燃烧室基本属于自主研发设计，工作难度很大。根据设计要求，确定R0110燃气轮机燃烧室为干式低污染（DLE）逆流环管型燃烧室。其主体结构主要由锥形外壳、燃烧室外壳、20个火焰筒、喷油组件、燃油总管等组成，燃烧室布置于压气机外侧。这样的结构布局可以缩短转子的轴向长度，增大转子刚性。R0110燃气轮机的燃料系统向火焰筒提供天然气和柴油2种燃料，其中天然气为主燃料，柴油作为应急燃料，从1种燃料向另1种燃料的过渡无需发动机停车就可以完成。

1.3.1 开孔位置设计

为了设计DLE燃烧室的开孔位置，搜集并分析了国内外有关资料，开发了DLE燃烧室火焰筒开孔规律设计方法，采用该方法得到的火焰筒流量分配和开孔规律与设计打样图上尺寸基本一致。由此基本掌握了DLE燃烧室火焰筒开孔规律的设计方法。

1.3.2 性能估算方法

已有的环管式燃烧室性能估算方法，是由常规燃烧室的性能试验结果和定型发动机燃烧室的性能数据总结而来。为了适应R0110燃气轮机燃烧室的预混、贫油特性，对已有程序进行了修改，并以此方法对该燃气轮机燃烧室的性能进行了计算。燃烧室流体损失、效率、出口温度场品质等燃烧室性能数据计算值与设计值基本相同。由此基本掌握了DLE燃烧室性能的估算方法。

1.3.3 燃料流量分配估算方法

由于R0110燃气轮机燃烧室火焰筒为分级燃烧，为保持燃烧室出口温度场具有确定的不均匀度，保持燃烧室中具有一定的空气压力脉动值和脉动频率，必须保持燃料在各燃烧区之间进行确定的分配，开发了DLE燃烧室燃料流量分配设计方法，采用该方法对DLE燃烧室燃料流量分配进行了计算，计算结果与设计要求基本一致。由此基本掌握了DLE燃烧室燃料流量分配的估算方法。

1.3.4 火焰筒设计

为了降低燃烧产物中污染物的含量，R0110燃气轮机燃烧室火焰筒的设计与常规火焰筒的有显著区别：

（1）火焰筒结构不同。R0110燃气轮机燃烧室的单个火焰筒由环形火焰筒和主火焰筒组合而成，在低功率状态时，环形火焰筒保证燃烧完全，污染物排放减少；在高功率状态时，环形火焰筒可作为均匀预混区使用。

（2）燃烧方式不同。R0110燃气轮机燃烧室采用均匀预混燃烧，以降低NOx排放；而常规火焰筒采用扩散燃烧，燃料和空气没有经过预先混合。

（3）火焰温度不同。R0110燃气轮机燃烧室的均匀预混燃烧将火焰温度控制在1500～1800 K，远远低于扩散燃烧的火焰温度。

（4）长度不同。R0110燃气轮机燃烧室火焰筒的长度约为常规燃烧室的2倍，因而火焰筒的容热强度比常规燃烧室的低得多，可满足火焰筒长寿命的需要，同时延长燃气在火焰筒内的驻留时间，有利于降低燃烧产物中CO的含量。

1.3.5 试验验证

在工程设计基础上，还对R0110燃气轮机的单管燃烧室进行了模拟试验，包括冷态流体损失试验、起动点火试验等，在整个试验过程中，保持燃烧室进口温度、进口马赫数、余气系数与设计值相等。试验表明：各项性能指标都满足了设计要求，并根据试验结果对燃烧室的火焰筒开孔位置、燃料分配等做了适当调整。

为了验证R0110燃气轮机DLE燃烧室在实际运行工况下的性能特征，采用3维CFD计算软件，对燃烧室在设计点工况下进行了数值模拟计算，将计算结果与单管试验结果进行对比分析，计算得到的燃烧室出口温度场分布和温度场品质与试验结果比较接近。

通过化学动力学计算软件对R0110燃气轮机DLE燃烧室的NOx排放进行了评估，经对比，计算结果与试验结果吻合得很好。

综上所述，为了满足R0110燃气轮机燃烧室的设计要求，发展了适合重型燃气轮机特点的DLE燃烧室的预混方式、组织燃烧模式、燃料调节模式、火焰筒开孔规律、保证低污染物排放等设计方法，采用单管燃烧室试验和数值模拟方法对燃烧室的性能和特征参数进行了对比验证，并在此基础上优化了局部设计。

1.4 透平设计

R0110燃气轮机透平的设计是在参考样机部分图纸资料的基础上，根据航改燃气轮机涡轮设计体系完成的。透平采用4级轴流式结构，包括4级透平隔板、透平转子、内壳体和透平支承环装配组件。

透平的第1～3级静子叶片为气冷叶片，第1级静子叶片表面喷涂陶瓷隔热涂层，第2级静子叶片表面覆盖JT-G隔热涂层。透平第1～3级气冷叶片主要采用不同结构和形式的肋，形成矩阵式结构，叶盆和叶背的肋板是相互交错的，有的还相互垂直，使叶片内部形成密布的迷宫式结构，冷却空气进入叶片内腔后，沿肋板形成的通道迂回流动，强迫冷却气体进入叶片内的各部位，使冷却气体形成局部涡流，加强冷却效果。透平的第1～2级转子叶片也为气冷叶片，将叶片分为前、后2个腔室，冷却空气采用环绕和对流的冷却方式，第1级转子叶片表面喷涂陶瓷隔热涂层，第2级转子叶片表面覆盖JT-G隔热涂层。

对于R0110燃气轮机透平，首先对4级透平中径处进行1维流场计算程序分析其特性，计算考虑了变工况、冷气掺混以及流道冷热态的影响，并考虑了速度系数和叶片攻角之间的关系。计算结果显示:该转子在3000 r/min的转速下能够保证发动机在额定点工作所必须的参数要求。

2维正问题透平流场计算是摸底工作中的最重要过程，通过计算可以摸清该设计的原始参数，为进一步自主设计打下坚实基础。在参考样机图纸的基础上，通过对叶根、叶中、叶尖3个截面的S22维正问题进行计算分析，对透平叶片进行了摸底计算，并与外方专家的计算结果进行对比。S22维正问题计算详细分析了透平中9项损失，详细考虑了透平中9种冷却结构的影响，甚至考虑了叶片力的影响。此计算过程实际上相当于1个准3维过程。与外方专家的计算相比，本计算更加复杂深入，计算量庞大，可信度更高。通过对比计算过程，使得对大尺寸透平结构设计应该重点考虑的问题有了更深入完整的认识。

1.5 强度设计

R0110燃气轮机的透平设计重点为长寿命和高可靠性。在参考样机的基础上，对其强度设计进行了深入分析和计算仿真，并通过与外方专家沟通，结合国内的实际情况，进行适当改进，最终保证了设计的可行性。

R0110燃气轮机转子的强度设计包括对压气机、透平的强度分析。分别采用传统计算方法和现代有限元计算仿真分析方法对各级转子部件进行了强度计算和振动分析，包括叶身和榫头的强度计算和校核。计算结果表明各级转子叶片满足强度标准的要求。根据参考样机资料，通过转子动力学分析，提出了4种改变临界转速设计方案，并对各种方案进行了对比分析和可行性论证，最后根据试验数据选择了最终方案。

1.6 材料与工艺

重型燃气轮机的使用特点决定了它对材料的要求，即长寿命、高强度、工艺性和经济性好。在选材后，提出了一些当时国内尚没有的合金材料，以及一些大型锻件与铸件。为了解决没有合金问题，由北京钢铁研究总院和上钢五厂共同研制了用于压气机盘的OCr11Ni2MoVNb、用于透平盘的GH2674以及用于压气机叶片的1Cr16Ni2MoN；由中科院沈阳金属研究所研制了用作透平转子叶片和导向叶片的K4104、K488、K4091母合金等。针对既大又重且加工精度要求很高的大型锻件与铸件，在首台份研制生产中，解决了以下主要难点：

（1）大型盘（透平盘和压气机盘）锻件毛料的制造，并保证盘上各点处材质、性能参数均符合设计要求。

（2）大型薄壁盘类件的加工，特别是铣、拉槽（燕尾槽或纵树型榫槽）加工。上海汽轮机厂为铣加工高温合金钢的透平盘上的纵树型榫槽并钻槽底深孔，专门设计制造了专用机床来保证加工精度。

（3）透平工作叶片与导向叶片特别是中空冷却叶片的无余量精铸工艺、脱芯工艺等高难度工艺。由联合体的4家单位共同分担透平8组叶片的攻关制造。

（4）大型薄壁环类零件的燕尾槽铣削或数控线切割加工，对于研制阶段单件试制时采用线切割加工燕尾槽有其优势可取。

（5）转子盘组件的盘间加工采用真空电子束焊工艺。

（6）进气机匣的整体铸造与加工。

（7）DLE燃烧室中火焰筒、喷嘴的生产。

（8）压气机、透平的单盘立式平衡，转子卧式动平衡以及压气机-透平转子的整个动平衡工艺。

（9）整机总装配特别是需要由垂直装配转到水平装配的翻转工艺。为此专门设计制造了竖直装配平台与翻转工装。

1.7 其它重大设计改进

在完成R0110燃气轮机设计评审后，根据研制过程中制造的实际需要，进行了若干项必要的设计改进，主要包括：

（1）进口可调叶片伺服调节机构改为液压调节机构，提高了工作可靠性；

（2）优化透平第3、4级锯齿形叶冠，使工作叶片寿命延长和可靠性提高；

（3）增强前支点刚度，使转子临界转速提高；

（4）进气气缸由原来的焊接结构改为铸造结构，改善了加工工艺性；

（5）压气机第4级轴径盘由焊接结构改为可分解的螺栓联结结构，改善了加工工艺性；

（6）压气机出口扩压器由整环焊接结构改为竖直对分结构，简化了转子的动平衡调试；

（7）修改透平第2级动叶片的叶根结构设计，降低叶身根部截面的应力水平，延长了叶片的使用寿命；

（8）修改透平第2级气缸的水平对开整体结构，改进后安装边与气缸壁采用焊接方式，改善了加工工艺性；

（9）改进了压气机第5级后放气活门机构。

2 结束语

通过联合体各成员单位的通力合作和共同努力，R0110重型燃气轮机于2008年6月24日1次点火成功，7月19日成功实现了台架空负荷全转速运转，9月16日通过了第3方验证，并于同年12月28日正式通过了国家科技部组织的阶段性验收。

通过R0110重型燃气轮机的研制，积累了大量的设计、试验和调试经验，培养和锻炼了1支业务精炼的重型燃气轮机研发队伍。R0110重型燃气轮机的研制成功，填补了中国在自主设计工业用大功率重型燃气轮机领域的空白，同时提升了中国整个重型燃气轮机工业的技术水平，对于带动相关设计、加工制造、试验、材料、机电控制等技术的全面发展具有重要意义。

[1]李孝堂.发展中的中国一航燃气轮机产业[J].航空发动机，2006，32（2）：14-16.

[2]杨养花,李守秋,李鑫.某重型燃气轮机涡轮部件结构设计分析[J].航空发动机,2010,36（2）：13-15.