美国、日本和欧洲在下一代燃气轮机研制领域竞争激烈，日本已经阶段性地完成了1700 ℃级燃气轮机关键技术的研究与验证，部分关键技术已应用于1650 ℃级燃气轮机，日本下一代燃气轮机研制经验对我国燃气轮机研制具有借鉴意义。

为了巩固日本在全球燃气轮机*技术及产品研制领域的领先地位，日本经济产业省于2003年牵头组织实施了1700 ℃级燃气轮机国家工程（简称日本国家工程），该工程是日本新低碳技术计划框架下高效天然气发电路线图的重要实施内容。

日本国家工程以1700 ℃级燃气轮机产品研制需求为牵引，明确设定涡轮进口温度需达到1700 ℃、简单循环效率需达到44%以及联合循环效率需达到65%等三大技术指标，系统性开展关键技术研究与验证，为产品研制提供技术储备。该工程按4个阶段分步实施，具体包括关键技术的基础与应用研究、关键技术在1600 ℃级燃气轮机上验证、关键技术深化研究、关键技术在1650 ℃级燃气轮机上验证。本文作者已在《日本1700 ℃级燃气轮机关键技术》[1]一文中针对前两个阶段的实施及取得的成果进行了分析，本文将对后两个阶段进行分析，剖析日本经验，给我国下一代燃气轮机研制提供部分启示。

日本国家工程的实施和管理

日本国家工程由经济产业省组织，并制定政策及预算；新能源产业技术综合开发机构作为专业机构负责项目的管理，并派出项目经理；三菱动力公司负责具体实施、派出项目负责人，并联合大阪大学、九州大学、北海道大学和大阪工业大学等高校开展关键技术研究与验证。此外，文部科学省组织实施了21世纪高温材料计划，开展高温材料基础研究，由国立材料科学研究所联合京都大学具体实施，并由三菱动力公司开展应用研究与验证。

日本国家工程第三和第四阶段的总经费为136.7 亿日元，政府出资80.41 亿日元，第三阶段政府出资占比为2/3，随着技术成熟度不断提升，部分技术开始进入整机验证阶段，第四阶段政府出资比例调减到1/2。

关键技术分析

在1700 ℃级燃气轮机产品研制需求和对现有技术充分评估的基础上，日本国家工程确立的关键技术研究与验证涵盖5大类、13个小项，具体包括基于边界层控制的高性能压气机、燃烧不稳定性控制技术、高性能涡轮、高性能冷却系统、超高温强度评估技术、低热导率热障涂层、特种测试技术、高性能/多功能测试技术、结构分析技术、先进制造技术、叶栅设计系统、铸造工艺设计系统和高性能密封/轴承。

基于边界层控制的高性能压气机

1700 ℃级燃气轮机对压气机性能提出了更高的要求，其压比要高于当前压气机（压比为25）的水平。为实现在压气机级数和轴向长度基本不变的前提下提升压比，叶栅气动负荷会变得更大，从而带来效率下降、喘振裕度减小及燃气轮机起动过程的稳定性降低等问题。日本国家工程建立了高精度数值模拟方法，研究了边界层增厚机理并优化了叶型，设计并制造了缩比试验件，对设计改进的压气机进行性能验证，并对数值模拟精度进行了评估。该工程还开展了压气机前8级缩比试验件及低负荷工况下压气机喘振点的验证，通过叶型优化，目标流量达到了预期。后续将持续推进更高性能、更高可靠性的压气机开发工作。

燃烧不稳定性控制技术

提高燃烧温度是提升燃气轮机效率的重要方法之一，但燃烧温度升高会带来氮氧化物（NO_x）排放增加的问题。贫预混燃烧技术可有效降低NOx生成，但燃烧过程中火焰位置不稳定且易因周期性热释放引发燃烧振荡。因此，在预混燃烧室开发中，抑制燃烧振荡及通过均匀预混来减少NO_x排放是设计中的重要课题。针对上述问题，为明确燃烧室内火焰的位置，在缺少有效试验数据支撑的前提下，日本国家工程开发了基于光学测量方法和大规模非定常数值模拟方法的火焰形态评估技术。采用探头阵列布置测量燃烧室轴向释热率分布的方法，实现了实际工况下全尺寸燃烧室火焰分布的可视化表征；采用基于大涡模拟的非定常数值模拟方法实现了高精度火焰形态预测，基于大涡模拟的非定常数值模拟方法预测的释热率峰值在燃烧室轴向位置前移，与试验结果高度吻合，验证了该方法的高精度预测能力，该技术已应用于低NO_x燃烧室的工程化开发中。

高性能涡轮

在燃气轮机低负荷工况运行过程中，气流旋流角的增大易诱发排气扩压器内壁出现大范围流动分离现象，这一流动失稳问题会显著影响燃气轮机的气动性能与运行效率。针对上述问题，日本国家工程提出了基于涡轮与排气扩压器一体化的设计方案，并从数值模拟和试验测试中揭示排气扩压器内壁的流动分离行为与内壁面支板位置形成的涡旋结构密切相关。研究表明，控制支板间的涡旋结构能有效减少分离，该一体化设计方案在额定负荷条件下验证试验中展现出了显著的性能提升效果，为燃气轮机扩压部件的气动优化提供了新的技术路径。

高性能冷却系统

燃气轮机涡轮叶片前缘普遍采用喷淋射流冷却方式，但其冷却气消耗量较高。为降低冷却气量以提升燃气轮机整机性能，日本国家工程通过优化冷却系统结构，基于燃烧室模拟件与涡轮静子叶片组成的试验平台，获得了静子叶片前缘冷却效率的分布特性，该研究为进一步减少冷却气量提供了依据。此外，采用增材制造技术研制了具有新型冷却结构的涡轮叶片护环，并已完成综合性能试验。目前，该部件正在高砂制作所燃气轮机联合循环电站中进行可靠性验证。

超高温强度评估技术

1700 ℃级燃气轮机的金属工作温度升高，为满足高温环境下的力学性能要求，需使用定向凝固材料和单晶材料，且在强度评估中考虑材料固有的各向异性。同时，涡轮叶片冷却孔等部位会产生应力集中，因此建立可靠且合理的热疲劳寿命评估方法成为下一代燃气轮机设计的重要需求。针对上述问题，日本国家工程开展了冷却孔特征模拟件热疲劳试验，明确了晶体生长方向与冷却孔形状对裂纹萌生寿命的影响机制，并将成果用于热疲劳寿命评估方法的优化。

金属温度升高导致材料性能劣化，成为制约高温部件长期服役可靠性的关键因素。为解决该问题，日本国家工程基于高温长期服役后的材料数据对高温部件进行了强度分析与评估。正在进一步开发长期服役部件劣化状态的定量表征方法，以支持剩余寿命预测与可靠性设计。

低热导率热障涂层

在热障涂层材料方面，三菱动力公司开发了基于第一性原理的材料设计系统，计算出兼具高温稳定和低导热特性的材料组分，制备烧结体并开展导热性能等评估，确定热导率低于传统氧化钇稳定氧化锆（YSZ）的新型候选材料。在此基础上，采用大气等离子喷涂制备工艺，通过调控涂层孔隙率使涂层热导率低于烧结体。同时，针对涂层的过量孔隙导致实际服役中发生早期剥落问题，通过采集喷涂粒子温度/速度分布等参数信息，建立了其与涂层微观结构及性能的映射关系。

新的热障涂层表现出优异的抗剥落性能，具备通过增加涂层厚度进一步提升热障性能的能力。为验证其工程适用性，日本国家工程通过弯曲性能测试和二氧化碳激光温度循环测试，对涂层的界面结合强度进行了系统评估，证实了增厚条件下该先进热障涂层仍具有优异的界面结合强度和抗温度循环性能。在可行性验证基础上，进一步开展了喷涂工艺优化与温度循环试验。整机验证方面，在高砂制作所M501J和M501JAC联合循环验证电站开展了第1级涡轮静子叶片的长期可靠性验证。

先进制造技术

为满足1700 ℃级燃气轮机高温部件对材料高温力学性能与成本经济性的双重需求，三菱动力公司联合国立材料科学研究所共同开发了MGA1700单晶合金，该合金在不含昂贵铼元素的前提下，仍具有优异的蠕变强度和带保持的热机械疲劳强度。

为实现MGA1700单晶合金部件的高效修复与性能恢复，研究团队开展了焊接修复技术研究。采用通用热流体分析软件（Flow-3D）对焊接过程进行数值模拟，并结合激光金属沉积工艺，实现了MGA1700单晶合金焊接修复。考虑到单晶材料的各向异性，焊接修复过程的技术难点在于确保焊缝金属与基材的单晶取向一致，对此研究表明，焊接修复过程需精确调控熔合边界处的温度梯度与凝固速率，并确保凝固过程中形成较高的温度梯度/凝固速率值。基于上述成果，研究团队采用数值模拟方法，基于温度梯度/凝固速率值预测了熔合界面处单晶结构的有效生长区域，为焊接修复工艺的优化提供了理论依据。

与此同时，针对燃气轮机高温部件中复杂冷却结构的成形问题，研究团队开发了适用于复杂冷却结构的增材制造技术，通过材料成分调整、成形工艺优化及热处理制度的改进，初步满足了高温环境对部件强度的要求。

特种测试技术

日本国家工程围绕提升燃气轮机测试能力的需求，开发了3项特种测试技术并完成相关验证。第一，开发了阶梯式主流加热与红外热像仪相结合的非稳态传热系数测量系统，实现低成本和更短前期准备时间的涡轮叶片传热系数表面分布测量。第二，开发了基于叶尖定时技术的非接触式叶片振动测试系统，通过在涡轮末级叶片上开展试验验证，确认了系统对叶片振动特征的准确识别能力，满足了高温、高速工况下的叶片振动监测需求。第三，研制了叶尖间隙传感器，在燃气轮机整机试验条件下完成了验证。

高性能/多功能测试技术

日本国家工程围绕燃气轮机旋转部件遥测系统和部件内部微小缺陷检测需求开展了相关测试技术的研发与验证。第一，研发了长距离传输遥测供电模块，其体积减小20%，更适配燃气轮机紧凑的内部安装空间，通过了3600 r/min转速下供电试验验证，确认了100%通信成功。第二，开发了超声相控阵检测系统，实现了叶片内表面0.5 mm尺寸裂纹快速检测。

铸造工艺设计系统

为实现铸造工艺的精准优化，日本国家工程开发了用于定向凝固和单晶叶片铸造工艺的多种模拟技术，可预测铸造缺陷的产生，解析铸造全流程中的物理现象。

高性能密封/轴承

1700 ℃级燃气轮机热变形问题加剧，密封系统需应对更大幅度的间隙动态变化。针对上述问题，日本国家工程开发了柔片密封，开展了密封性能测试和耐久性验证，获得了间隙变化状态下的密封特性数据，制定了针对更大间隙变化、具备更高间隙随动能力的柔片密封件设计准则。

技术成果转化

日本国家工程掌握的增厚热障涂层和热端部件增材制造两项关键技术，已经应用到了最新燃气轮机M501JAC中。增厚热障涂层用于燃烧室、第1～第3级涡轮叶片、涡轮静子叶片以及涡轮叶片护环，已通过了2年多的长期试运行。M501JAC燃气轮机第1级涡轮叶片护环采用了增材制造技术。

面向1700 ℃级燃气轮机燃烧室冷却和间隙控制的需求，三菱动力公司开展了增强型冷却系统的研究与验证。增强型冷却系统有两种工作模式：一种是性能模式，该模式下冷却气流经涡轮持环后再流向燃烧室，实现基本负荷下涡轮叶尖间隙减小所带来的燃气轮机性能最大化；另一种是灵活模式，该模式下关闭三通阀，冷却气直接冷却燃烧室，可应对负荷剧烈波动。三菱动力公司还开展了系统级验证，测试了燃烧室冷却效果、燃烧振动特性、排放、部分负荷及额定负荷条件下的燃烧室稳定运行情况，检验了其在燃气轮机起停、负荷变化、甩负荷等瞬态或极端工况下的响应能力。整机验证中只测试了其对燃烧室的冷却能力，未验证主动间隙控制功能。

启示

日本的燃气轮机从最初的引进、消化到吸收实现了正向设计与自主研发，借鉴日本的研发经验，给我国开展下一代燃气轮机研制提供了启示。

第一，持续推进燃气轮机基础研究和关键技术研究与验证。燃气轮机研发技术难度大、投资大、周期长，每一代产品的基础研究和关键技术研究与验证都是在政府的资助下，组织相关企业、高校和科研机构共同实施的。近年来，我国多型号燃气轮机研制实现历史性突破，但技术指标与国外先进燃气轮机仍存在一定的差距，未来还需通过政策持续支持，开展基础研究、关键技术研究与验证来补齐技术短板。

第二，围绕下一代燃气轮机产品需求，有组织地开展关键技术研究与验证。下一代燃气轮机的关键技术研究与验证工作以产品总体目标为顶层设计，进而分解为压气机、燃烧室、涡轮、材料、热障涂层、制造等多个可量化的系统级与部件级技术指标，并据此设立相应的关键技术研究与验证项目。同时，依托专业机构、产品研制方，联合相关企业、高校和科研机构开展有组织的科研工作，形成“产品需求定义与分解—关键技术研究—系统/部件及整机验证”研发流程。

第三，在长期发展战略上，以2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标为牵引，构建氢能制备、储存、运输、使用等全产业链技术装备体系，提高氢能技术经济性和产业链完备性。在燃气轮机领域，将氢燃气轮机研发纳入国家科技重大专项和国家重点研发计划，推动关键技术研究与验证、重大装备产出，加快建设氢燃气轮机科研试验条件、工程示范项目，稳妥有序地推进基础设施建设。

结束语

日本1700 ℃级燃气轮机以明确的性能目标为牵引，分阶段系统性推进关键技术研究与验证，不仅实现了13项关键技术突破，更将增厚热障涂层、增材制造等成果成功转化至新产品研制，使燃气轮机涡轮进口温度达到1650 ℃。我国燃气轮机的技术指标与国际先进水平仍存差距，需通过强化顶层设计与协同攻关，持续保障基础研究、关键技术研究与验证投入，补齐技术短板，加速我国下一代燃气轮机自主化研制进程。

（于洪飞，中国联合重型燃气轮机技术有限公司，高级工程师，主要从事燃气轮机转子结构完整性分析）

参考文献

[1] 于洪飞. 日本 1700℃级燃气轮机关键技术[J].航空动力,2018(1) : 64-68.