燃氣輪機研發(fā)技術(shù)難度大、投資大、周期長，在美德日法等國家，每一代產(chǎn)品的基礎(chǔ)研究和核心 技術(shù)研發(fā)都是在政府的資助下，組織相關(guān)企業(yè)、高等院校和科研機構(gòu)共同開展的，在核心技術(shù)取得突破之后，企業(yè)就進一步增加投資和研發(fā)力度，并發(fā) 展為產(chǎn)品。目前燃用天然氣的E、F 級重型燃氣輪 機技術(shù)已經(jīng)基本成熟，H、J級產(chǎn)品也已經(jīng)進入市場，基礎(chǔ)研究與核心技術(shù)研發(fā)的重點是下一代更高溫 度、超低污染的天然氣燃氣輪機，以及用于 IGCC、多聯(lián)產(chǎn)、煤化工，以及未來近零排放的二氧化碳捕 獲利用系統(tǒng)（CCS）中的富氫燃料乃至純氫燃料燃氣 輪機（參見圖 ）。

重型燃氣輪機技術(shù)發(fā)展趨勢

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　　美國能源部（DOE）在2005年同時啟動為期 6 年的“先進 IGCC /H2燃氣輪機”項目和“先進燃氫透平的發(fā)展”項目。這2個項目以NOx排放 3 mL/m3的燃氣輪機為目標，主要研究內(nèi) 容包括：富氫燃料/氫燃料的燃燒、透平及其冷卻、 高溫材料、系統(tǒng)優(yōu)化等。歐盟2007年在其第七框架協(xié)議（FP7）中啟動了“高效低排放燃氣燃氣輪機和 聯(lián)合循環(huán)”重大項目，以氫燃料燃氣輪機為主要研 究對象，預(yù)期為未來的近零排放和二氧化碳捕獲利用能源系統(tǒng)打下理論基礎(chǔ)。歐盟第七框架（FP7）在2008年又把“發(fā)展高效富氫燃料燃氣輪機”作為一 項重大項目，旨在加強針對富氫燃料燃氣輪機的研 究，為 2015 年實現(xiàn)其近零排放煤基 IGCC 系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。日本將高效富氫燃料 IGCC 系統(tǒng)的研 究作為未來基于氫的清潔能源系統(tǒng)的一部分列入其為期 28 年的“新日光計劃”中（WE-NET），以效 率大于 60%的低污染煤基 IGCC 系統(tǒng)為目標展開研究。

　　進一步提高燃氣輪機參數(shù)以提高循環(huán)熱效率表征燃氣輪機循環(huán)熱效率2個主要參數(shù)是燃 氣初溫與壓氣機壓縮比。當代F級重型燃氣輪機的燃氣初溫為 1 400℃左右，單循環(huán)效率達到38%，聯(lián)合循環(huán)效率達到57%；先進的 G/H/J 級燃氣輪機 燃氣初溫已經(jīng)達到1500~1 600 ℃左右，單循環(huán)和聯(lián)合循環(huán)效率分別達到 40%~41%和60%~61%（表）； 未來級重型燃氣輪機燃氣初溫的目標是1 700 ℃，其單循環(huán)和聯(lián)合循環(huán)效率將分別達到 43%和 64% 左右。

國際重型燃氣輪機 G/H/J 級產(chǎn)品概述

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　　拓寬燃料適應(yīng)范圍的同時進一步降低 NOx 等 污染物排放 隨著透平進口溫度的提高，同時受到污染物排 放的限制，G/H/J 級重型燃氣輪機燃燒室的技術(shù)特 征主要體現(xiàn)在高穩(wěn)定性、低排放以及燃料適應(yīng)性等 方面。表所示為國外公司燃用天然氣燃燒室的技術(shù)參數(shù)，3家公司在先進燃燒室的結(jié)構(gòu)類型上都選 擇了環(huán)管型燃燒室來保證燃燒的穩(wěn)定性，同時結(jié)合 貧預(yù)混、多噴嘴和分級燃燒實現(xiàn)在較寬的工作范圍內(nèi)保持較低的污染物排放。為了減少冷卻所消耗的 冷氣量，將空氣更好地用于組織燃燒和保證燃燒室 出口溫度剖面，G/H/J 級重型燃氣輪機燃燒室均采 用了熱障涂層和先進的冷卻形式來保護燃燒室筒 壁、提高冷氣利用率。 燃燒組織是燃燒室設(shè)計的核心，先進燃燒室最 大的特點是將旋流器和噴嘴合二為一，GE 的 Swozzle、西門子的 SFI 和三菱的 V Nozzle 都是這樣的設(shè)計。

GE/西門子/三菱燃用天然氣燃燒室的技術(shù)參數(shù)

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三菱的 V Nozzle 燃料噴嘴

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　　進一步提高壓氣機與透平部件性能 壓氣機作為燃氣輪機三大部件之一，其技術(shù)參 數(shù)正向著高負荷、超大流量的方向發(fā)展。目前較為 成熟的 F 級燃氣輪機壓氣機都屬于中低負荷設(shè)計， 如三菱的 M701F 壓氣機平均級壓比為 1.181，西門子的V94.3 壓氣機平均級壓比為 1.194，GE 的 9FA 壓氣機平均級壓比為 1.164。下表為GE、西門子、三菱公司最先進的 G/H/J 級重型燃氣輪機壓氣機的 基本參數(shù)。從表 3 中可以看出，G/H/J 級重型燃氣 輪機的壓氣機級壓比基本都已達到 1.25 左右。 高負荷壓氣機內(nèi)部存在強逆壓梯度，流動極為 復(fù)雜。

　　負荷的增加使得三維損失問題更加顯著，多 級匹配和氣動布局難度增大，激波、轉(zhuǎn)捩、流動分離等更加不易控制。為了提高壓氣機負荷同時保證 較高的部件效率，國外公司在其先進壓氣機設(shè)計中 采取了多種措施，包括采用先進葉型（三菱的 MCA、 CDA 葉型，西門子的 HPA 葉型）、三維葉片設(shè)計理 念（尤其是前幾級跨音葉片的彎掠三維造型）以及多 排可調(diào)葉片等等。 冷卻是透平設(shè)計的關(guān)鍵，也是現(xiàn)代重型燃氣 輪機最關(guān)鍵的核心技術(shù)之一，其難點在于透平的 熱負荷在不斷地提高，而冷氣量卻極為有限。目 前應(yīng)用較為廣泛的冷卻方式包括內(nèi)部強化換熱和 氣膜冷卻，其幾何結(jié)構(gòu)和布置形式的變化都會對 冷卻效果產(chǎn)生顯著影響。圖 為三菱公司從 D 級到 J 級透平葉片冷卻形式的發(fā)展過程，可以看 到?jīng)_擊冷卻、全覆蓋氣膜冷卻和新型氣膜冷卻孔 被用到了最新的產(chǎn)品中，各家公司都在全力挖掘這些冷卻形式的潛力來滿足更高溫度等級透平冷 卻的需要。

G/H/J 級重型燃氣輪機壓氣機技術(shù)特征

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三菱公司透平靜葉冷卻發(fā)展過程

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　　大力開發(fā)新一代高溫材料 材料方面的進展，尤其是高溫合金及其加工方式的突破極大地推動了重型燃氣輪機的發(fā)展。透平葉片的精密鑄造技術(shù)就是典型的代表，從多晶、定向結(jié)晶到單晶，透平葉片能夠承受的燃氣溫度不斷 上升，燃氣輪機整機的效率也不斷上升。圖為三菱公司透平葉片材料的發(fā)展歷史，圖很好地 反映了材料發(fā)展與燃氣輪機產(chǎn)品進化的關(guān)系，同時 也顯示出材料性能革新的難度（其研發(fā)周期要遠長 于燃氣輪機產(chǎn)品的更新?lián)Q代。

三菱公司透平葉片的材料發(fā)展

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　　燃氣輪機的多樣化燃氣輪機不僅是 21世紀天然氣發(fā)電的主要設(shè)備，同時也是許多高效潔凈能源動力系統(tǒng)的核心動 力裝備，如 IGCC 發(fā)電與多聯(lián)產(chǎn)、分布式發(fā)電與熱 電冷聯(lián)供、工業(yè)系統(tǒng)中余熱余能回收、高/焦爐煤氣、煤層氣、伴生氣、煉化尾氣等中低熱值燃氣發(fā)電、 高溫氣冷堆核電等。燃氣輪機的工質(zhì)、循環(huán)及參數(shù)、 燃料類型、功率大小和運行環(huán)境等正在迅速多樣 化。例如：閉式循環(huán)、間冷、回熱、再熱等復(fù)雜循 環(huán)燃氣輪機，蒸汽冷卻燃氣輪機，以各種中低熱值 富氫燃料乃至氫為燃料的燃氣輪機，單機功率為 300 MW以上的超大功率和僅為幾百瓦的超小型燃 氣輪機，在極端環(huán)境（沙漠、極地、核反應(yīng)堆內(nèi)等） 下運行的燃氣輪機，以氦、濕化空氣和其他特殊氣 體為工質(zhì)的燃氣輪機等。這些都有賴于對燃氣輪機 的核心技術(shù)及相關(guān)交叉學科進行更為廣泛和深入的研究，科技界與產(chǎn)業(yè)界都面臨挑戰(zhàn)。