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研究所“十三五”重点培育方向之“工业燃气轮机方向”介绍
发稿时间:2016-06-14         作者:胡宏斌 付经纶          来源:工业燃气轮机实验室     【字号:

    一、方向概述 

  1939年瑞士BBC公司制成世界上第一台工业燃气轮机以来,经过70多年的发展,工业燃气轮机已经在舰船动力、工业发电、管线驱动等领域获得了广泛应用。目前,就国内外形势来看,工业燃气轮机方向具有巨大的市场需求和广阔的发展前景。 

  201510月,工程热物理研究所所领导从学科领域发展和研究所长足发展的角度出发,应实际情况所需, 集结了一支技术过硬、团结一致的科研队伍,组建了工业燃气轮机实验室,并将工业燃气轮机列为研究所十三五重点培育方向。  

  实验室以能源动力可持续发展需求为动力,以工程热物理及交叉学科为基础,以研究工业燃气轮机高效热功转换、环境友好和经济可承受相结合的科学问题,并突破相关关键技术、形成系列化产品设计能力和系统集成能力为目标。 

  实验室的主要研究方向包括:工业燃气轮机总体设计方法和控制、压气机复杂流动机理和设计、燃烧机理污染物控制和燃烧室设计、透平流热固耦合机理和设计等。主要研究内容为:工业燃气轮机总体设计、燃气轮机性能参数优化设计及整机性能计算方法、计算模型和软件开发;大压比、高效率多级轴流式压气机设计体系与设计平台开发,多级轴流压气机级间匹配技术研究;多排进口导/静叶调节规律研究;灵活燃料低污染燃烧室设计方法和设计体系研究,低污染燃烧室火焰特性、污染物排放特性以及热声振荡特性研究;多级空气冷却透平气动设计技术,高温燃气透平冷却结构设计技术,空气冷却透平叶片多场耦合设计技术研究等。 

    、“十三五”发展方向和工作设想 

  工业燃气轮机实验室的发展目标是:把应用基础研究、关键技术研发、产品研制有机结合,通过争取承担更多国家科研项目,将实验室建设成工业燃气轮机领域国内不可替代、国际知名的实验室奠定基础。“十三五”期间,实验室将紧密围绕国家航空发动机/燃气轮机重大科技专项目标,工作设想如下: 

  1. 基础研究方面 

  探索高负荷压气机叶片通道内部复杂流动机理、富氢/纯氢燃料贫预混火焰机理和热声振荡机理、高温透平叶片先进冷却结构、流热固耦合机理等基础科学问题。 

  2. 关键技术研究方面 

  继续开展35MW燃气轮机关键技术研究,完成燃气轮机控制系统、多级轴流压气机、环形燃烧室、高压透平和动力透平设计与关键技术验证、完成燃气发生器和动力透平样机研制和整机试验;验证H级燃气轮机压气机设计、低污染燃烧室设计、透平冷却设计等关键技术,争取并完成重大专项H级燃气轮机关键技术研发相关任务;突破透平初温1600℃级燃气轮机高效压气机设计、低污染燃烧室设计和透平冷却设计等关键技术;完善压气机气动设计、二次空气系统计算和整机温度分布计算等软件并力争推广应用。 

  3. 人才队伍建设方面 

  首先人才数量适度,以能适应科研项目(燃机)的研究与管理需要为目标;其次人员结构合理,优化配置项目管理、基础研究、燃机关键技术研发以及试验人员;再次积极引进成熟型人才,引进具有高级职称、技术过硬、国内或者海外的中青年学术带头人;最后注重现有人员的培养,支持职称晋升晋级。 

  4.平台建设和发展方面 

  完善现有的基础压气机、燃烧、高温透平试验平台,提高试验平台的试验工况参数,增强平台的测试能力;完善现有的数值模拟试验平台,提高平台的计算能力,购置或开发力学、声学、寿命和可靠性评估计算软件,与现有CFD、化学反应软件耦合,建立新的数学模型,提高压气机、透平内复杂流动计算,燃烧室热声振荡预测和叶片颤振、高温蠕变-疲劳叶片寿命预估等方面的准确度。 

  为完成35MW级燃气轮机的研制,建立压气机、透平、燃烧室部件试验台,完成压气机、透平、燃烧室新型号的试验定型任务,另外还需建设整机试车台,进行燃机全流程参数的测试工作。 

  三、近期工作进展和成果 

  1. F级重型工业燃气轮机第一级透平导向叶片(1400℃)研制 

  中国科学院2014年启动了院重点部署项目“燃气轮机高温透平叶片研制与验证”,由工程热物理研究所、金属研究所和过程研究所共同承担,拟重点突破F级燃气轮机透平的复合冷却叶片设计、定向结晶叶片制造、热障涂层工艺、高温试验等关键技术。这是国内首次自主设计该温度等级透平叶片并进行全温冷效试验验证,研究成果将填补国内空白。 

  工业燃气轮机实验室承担了透平叶片设计和全温冷效试验等研究内容。在叶片设计方面,通过自主气动设计软件、流热固耦合设计,完成了叶型设计、冷却结构设计、及叶片加工图纸。金属所按照工程热物理所的设计图纸,已经完成了叶片的加工。在全温冷效试验方面,依托已有燃烧试验台,完成了高温风洞、试验段设计、加工及调试,目前已经具备进行全温冷效试验条件。 

  2. 35MW工业燃气轮机方案设计 

  中等输出功率等级的35MW工业燃气轮机主要用于舰船动力、分布式供能以及天然气管道压缩机驱动等,目前我国已成为世界最大的30MW级燃气轮机潜在市场。 

  2015年底,工业燃气轮机实验室启动了35MW级燃气轮机总体方案设计。20163月,《35MW燃气轮机关键技术研究》获中国科学院重点部署项目支持,国拨经费2000万元。该项目的研究目标是突破35MW级燃气轮机总体性能和结构设计、高效多级轴流压气机设计、环形燃烧室设计、高温透平冷却设计、控制系统及附件设计等关键技术,解决燃气轮机部件性能匹配、转子动力学调试、宽范围工作调节规律等基础科学问题,完成功率35MW级的燃气轮机样机设计和燃气发生器的集成与调试,为后续的整机研制奠定坚实的理论基础和技术支撑。目前,实验室已经完成了总体方案设计,在此基础上,各项工作正稳步、有序地展开。 

    

 
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