【行業觀察】美國國家科學院公布的未來燃氣輪機技術的優先研究領域

導讀：近期，美國國家科學院發布了受美國能源部委託完成的《先進燃氣輪機技術》報告。該報告預測了到2030年燃氣輪機產品和技術可能實現的發展狀況，闡述了燃氣輪機在發電、航空及石油天然氣工業三個方面的應用，通過分析影響燃氣輪機這些應用的全球領導地位、市場趨勢和技術趨勢，評估和預測了2030年全球燃氣輪機發展格局，並在此基礎上梳理出了相應的研究目標及相關的研究領域，給出了推薦的高優先級研究主題。

從全球市場發展趨勢看，預計到2030年及以後，燃氣輪機的產值將會大幅增長。對燃氣輪機技術未來具有重要意義的主要全球市場趨勢，包括對世界人口增長、能源安全、減少碳排放和客戶概況等情況的綜合評估。例如，隨著城市化進程的加快，全球人口正在增長，從2015年的74億增長到2040年預計的92億。預計人口增長的90%以上將發生在非洲（48%）和亞洲（43%），因此，這些地區的國家對可靠的電力、能源供應和航空運輸的需求將不斷增加。

預計航空業未來也將強勁增長。在未來的20年裡，印度的航空運輸量預計將每年增長7%，中國和非洲的航空運輸量預計將每年增長6%。這大約是北美和歐洲預計增長的兩倍。鑑於預計的人口增長、個人和國家提高生活水平的動力以及國家缺乏傳統的電力和能源基礎設施，滿足發展中國家的電力需求將是困難的。與發達國家相比，互聯的輸配電網絡的普及程度將降低。如果新的燃氣輪機能夠滿足這些不斷變化的市場的需求，那麼它們將具有更大的競爭力。

能源安全除了人口變化外，能源安全的方法還將推動發電資產的多樣化，以及發電資產的建設。液化天然氣正在發展成為一種很像汽油應用廣泛的商品，預計到2030年全球液化天然氣貿易將翻一番。惡劣的天氣和某些地區大型基礎設施缺乏資金，也往往會促使人們需要更小的電網和更小、更可靠的燃氣輪機，以滿足電網可靠性方面日益增長的需求，並抵消許多可再生能源不可預測的可得性。另外，各國政府和國際組織等制定的低碳政策和標準，以及最終客戶的偏好，都將大大減少溫室氣體排放，以應對全球變暖。這種低碳和可持續發展的趨勢將激勵人們用可再生系統取代傳統的燃氣輪機發電系統，它還將鼓勵使用燃氣輪機替代以煤或石油產品為燃料的發電設施。

燃氣輪機技術環境的主要全球技術趨勢則必須考慮廉價、大規模的計算能力、高度自治的系統、增材製造、人工智慧和網絡安全等方面因素。在全球範圍內，發電量自1990年以來翻了一番多，在未來20年內，發電量可能增長50%以上。全球對天然氣的需求未來20年，石油和天然氣可能會增長20%，其中中國佔增長的三分之一。在航空領域，基本上所有大型商用和軍用飛機都由燃氣輪機推進系統提供動力。

在截至2017年的20年間，全球商業航空公司的乘客數量幾乎增長了兩倍，在未來20年內，預計將生產超過40000架新飛機。鑑於上述趨勢，在未來幾十年內，無論是在國內還是全球，燃氣輪機行業都將繼續在發電、飛機推進動力和石油天然氣行業中發揮至關重要的作用。燃氣輪機的運行效率、功率密度、可靠性和安全性都得到了很好的保證。在一種可能的情況下，過剩的太陽能或風能可以用來製造氫氣，作為一種重要的能量儲存機制，而氫氣又可以在燃氣輪機中燃燒來發電。燃氣輪機為整個價值鏈上的石油和天然氣行業提供動力。考慮到燃氣輪機已被證明的效率、功率密度、可靠性和安全性，航空市場對燃氣輪機表現出強烈的偏好。因此，在可預見的未來，燃氣輪機將可能繼續主導不斷增長的航空市場。總的來說，預計到2032年，全球燃氣輪機年產值將從目前的約900億美元增長到1100億美元，其中航空燃氣輪機約佔總市場的85%。

基於上述全球燃氣輪機的市場需求和技術發展環境分析，在性能改進、技術風險和應用範圍等三個維度進行分析研究，其中燃氣輪機應該特別關注的性能改進參數如下：

效率-全額定負載-部分負載（跨越運行範圍）

生命周期成本-設計和開發時間和成本-製造時間和成本-可靠性、可用性，可維護性

燃料靈活性 二氧化碳排放量

與可再生能源和未來電網的兼容性（僅用於發電和油氣應用）

通過深入研究燃氣輪機的性能改進、技術風險和應用範圍等三個維度，可以給出燃氣輪機在三個應用領域的研究目標：

01

發電燃氣輪機應用領域的研究目標如下

提升效率。將燃氣輪機聯合循環效率提高到70%，單循環效率提高到50%以上。

提高與可再生能源的兼容性。減少燃氣輪機的啟動時間，提高燃氣輪機在簡單和聯合循環中高效運行的能力，滿足靈活的電力需求，以及與其他可再生能源和儲能系統集成運行的要求。

減少二氧化碳排放。儘可能將二氧化碳排放量減少到接近零的水平，同時仍然滿足氮氧化物（NOx）的排放標準。

提高燃料多樣性與靈活性。除使用傳統燃料外，使發電用燃氣輪機運行時能夠使用高比例（高達100%）氫氣或和其他各種成分的可再生氣體燃料。

降低電力成本。降低發電燃氣輪機的電力平均成本，以確保這些成本在長期內與太陽能和風能系統的成本保持持續的競爭力。

2

航空燃氣輪機應用領域的研究目標如下

開發先進技術，提高熱效率，使所有飛機，包括窄體和寬體飛機的燃油燃燒比當今最好的渦扇發動機減少25%，同時降低軍用飛機的燃油燃燒。

3

石油天然氣工業燃氣輪機應用領域的研究目標如下

提高燃料靈活性。使天然氣管道壓氣站（及其他石油和天然氣應用）的燃氣輪機能夠與高比例（高達100%）氫氣和其他各種成分的可再生氣體燃料混合運行。

基於狀態的操作和維護。發展基於狀態的操作和維護能力，在不降低可用性或可靠性的情況下，將天然氣管道壓氣站的不間斷運行時間延長至3年或更長時間。

靈活的電力需求和效率。為管道壓氣站（以及其他石油和天然氣應用）設計燃氣輪機，該壓氣站能夠處理大負荷波動並在部分負荷下運行，其效率超過使用電動機驅動壓縮機的壓氣站的效率。

為實現上述三個應用領域的研究目標，分析確定了10個優先研究領域，包括燃燒、結構材料和塗層、燃氣輪機增材製造、熱管理、高保真綜合仿真和驗證實驗、非常規熱力學循環、系統集成、基於狀態的操作和維護、數字孿生及其支持基礎設施、燃氣輪機在燃氣管道中的應用等。下面就分別就每個研究領域及其包含的研究主題進行解讀和分析。

4

燃氣輪機優先研究領域解讀和分析

燃燒

開拓低排放燃燒系統所需的基礎理論或知識，可以使該低排放燃燒系統可在高效循環所需的高壓、高溫環境中工作，包括恆壓和增壓燃燒系統；以及具有不限制燃氣輪機瞬態響應或轉速（即在一系列功率設置範圍內可接受地運行的能力）的運行特性，在一系列燃料成分範圍內具有可接受的性能。

燃燒室對燃燒排放有重要影響，控制可使用的替代燃料（如低碳燃料）的範圍，並對燃氣輪機的運行極限有重要影響。早期的燃氣輪機燃燒研究和開發側重於燃料噴射技術，這種技術將產生穩定的火焰，而不會爆炸，確保完全燃燒，產生可接受的有害排放水平。

在過去20年中，氮氧化物（NOx）排放限制的增加導致了燃燒設計方法的根本轉變，越來越多地推動燃燒系統朝著預混合設計方向發展，並相應地改變了政府和工業界的重大研發方向。這導致了對火焰穩定性、排放、湍流燃燒和燃燒化學的重要研究。最近，對提高燃氣輪機技術效率的更大興趣推動了研究和開發。此外，人們對類似於定容燃燒的循環越來越感興趣，例如脈衝爆震或旋轉爆震發動機。這推動了爆轟極限、爆轟波動力學以及從爆燃（燃燒以亞音速傳播）到爆轟（燃燒以超音速傳播）的轉變。最後，對燃氣輪機系統脫碳和開發碳捕獲系統的興趣激發了人們對替代燃料（如氫和生物燃料）和氧燃料燃燒的興趣。

針對本研究領域主要包括三個優先研究主題：

（1）基本燃燒特性研究

主要研究控制宏觀系統排放的基本燃燒特性，恆壓和增壓燃燒室的操作特性。

燃氣輪機燃燒室設計人員感興趣的燃燒相關特性包括：火焰穩定性：邊緣火焰速度和極限邊界條件、火焰速度和爆炸極限。

燃燒不穩定性：強制火焰響應、反應自由剪切流對幹擾的接受性和湍流火焰速度。

火焰位置：火焰傳播和自燃狀態下的湍流火焰速度等。

排放：高壓動力學。

爆炸強度：影響爆炸強度和速度的因素。

燃燒系統必須滿足氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）和顆粒物排放規範，同時能夠實現足夠的負荷調節和可操作性（即，通過避免關鍵限制現象，如回火、漏氣、爆震極限、自燃和燃燒不穩等）。由於各種基本原因，燃燒室在排放、調低和可操作性之間有著內在的權衡，並且它們通常是為窄燃料成分規範。需要進行研究，以便更好地了解有關壓力和溫度下的基本燃燒特性和流體力學（例如湍流火焰速度和火焰對流動幹擾的響應），以及開發對燃料成分不太敏感的燃燒模式。此外，這些問題中的許多涉及到燃燒和流體力學之間的耦合（例如，存在燃燒時渦流或橫向射流的不穩定性等）。

雖然圍繞這一性質的一般問題的研究在燃燒界是司空見慣的，但在燃氣輪機的相關邊界條件下幾乎沒有充足的實踐或數據，因為相關設施的維護和運行成本高昂，而且需要專門的人員來管理運行安全問題。例如，與一些提高效率的技術相關聯的更高的溫度和壓力正在將燃燒物理推入通過自燃產生燃料消耗的燃燒狀態。相比之下，燃料消耗和熱量釋放通常通過在較低壓力和溫度下運行的設施中的火焰傳播發生。同樣，由於在這些條件下遇到非常高的雷諾數，在期望的條件下進行大規模的計算變得越來越成本高昂。

這一研究主題的成果可以通過讓設計師更好地了解影響關鍵設計決策的關鍵燃燒過程，例如火焰的位置、極限行為和排放，來加速正在進行的開發。準確預測這些行為而不是在測試期間測量它們的能力將減少不確定性，並使設計師能夠更大膽地探索新的設計，而不是依賴具有已知試驗結果和行為的衍生品。到2030年，本研究主題可以提高在感興趣的條件下預測這些特性的相關知識的能力，為設計師提供燃燒特性的先驗知識將顯著降低風險，並使他們能夠在設計階段評估設計的有效性。本研究主題的技術風險是中等的，因為所需的實驗是複雜和困難的，而且現有的研究基礎設施很少。所需的數據並不存在，因為這些數據的獲取成本很高，而且只有相對較少的實驗室具備執行這些數據的高壓能力。第一原理計算同樣非常昂貴。

（2）在高溫高壓下減少有害排放的燃燒概念研究

過去通常的作法是在燃氣輪機入口溫度低於1500°C/2800°F的情況下，通過燃料和空氣的預混合降低了燃氣輪機中的氮氧化物水平。然而最近，一些飛機發動機主設備製造商（OEM）採用了分級燃燒方案，如富燃、急冷、稀燃（RQL）。在這兩種情況下，材料和冷卻技術的進步導致渦輪進口溫度升高，在此期間，即使有完美的預混合，也會產生大量的氮氧化物。此外，帶有PGC的燃氣輪機可能使用非混合燃燒概念和高局部溫度，然後在爆炸後膨脹波中進行潛在的快速冷卻或淬火。這種方法可能導致較高水平的氮氧化物、微粒、一氧化碳和未燃燒的碳氫化合物。當使用高渦輪進口溫度和/或PGC系統時，需要新的燃燒模式來實現低氮氧化物排放。NOx生成量與NOx生成速率和燃燒室停留時間成正比。

因此，可以通過開發燃燒室來減少氮氧化物的產生，該燃燒室將氮氧化物的生成速率降至最低，和/或在保持足夠的調節和操作特性的同時減少停留時間。例如，理論工作已經證明，與通常用於高效率地面燃氣輪機的傳統乾燥、低氮氧化物燃燒室方法相比，分布式燃料噴射可以將氮氧化物排放量減少一個數量級，只有當來自分布式燃料噴射的混合相對於反應迅速發生時。否則，與傳統方法相比，分布式燃油噴射實際上會增加NOx排放。需要研究開發出性能接近理論極限的可行系統。這一研究主題可以通過開發低排放燃燒的新模式來加速正在進行的研究。目前的設計基本上是舊設計的衍生物，技術集中在定製的預混料和最近的燃料軸向分段。新的研究可以集中在通過開發當前設計的高級衍生產品和根本上的新方法來進一步擴展當前能力的方法上。

本研究主題可在2030年前將相關技術從技術成熟度TRL 1提升到TRL 6。如果沒有額外的研究，設計界很可能會把重點放在當前設計的衍生產品上，而排除新的燃燒設計。發展燃燒概念，在高效循環中排放可接受水平的有害排放物。燃燒室可以在更高的溫度和壓力下工作，這將提高燃氣輪機的效率。對於採用恆壓燃燒熱力學循環（如傳統燃氣輪機採用的布雷頓循環）或壓力增益燃燒（PGC）熱力學循環的燃氣輪機來說，這是正確的。

不幸的是，氮氧化物的生成速率隨溫度呈指數增長，並且也隨壓力增加而增加。此外，降低NOx排放的潛在策略可能會增加CO或顆粒物排放。這是一個相對較新的挑戰，因為早期燃氣輪機設計中的條件使得通過確定的空氣和燃料混合，在不增加氮氧化物的情況下提高效率成為可能。因此，解決這一挑戰的工作很少。這一挑戰對於燃氣輪機應用也是獨一無二的，因為在這些高溫高壓下，基本上沒有其他燃燒技術平臺。

本研究主題具有中等技術風險，因為在低NOx燃燒系統方面的歷史經驗表明，在燃氣輪機的可操作性、耐久性和排放方面存在重大的現場問題。儘管如此，理論工作已經證明，相對於目前單點燃油噴射的燃燒室，數量級的減少是可能的，因此朝著這些限制的進展是可以實現的。此外，這些概念可以逐步部署，從少到多，實現氮氧化物排放的連續減少。PGC增加了技術風險，因為這些系統涉及到組件上的衝擊載荷，引起了對必須連續運行數年而無需更換的組件的壽命和磨損的關注。這些技術將在諸如飛彈或火箭等不需要很長壽命或檢查間隔很長時間的應用中得到早期採用。這些應用的經驗將為發電、航空和石油天然氣應用的適當性提供重要的見解。本研究主題適用於具有氮氧化物限制的市場中渦輪進口溫度高於1500°C/2800°F的所有燃氣輪機應用。根據世界地理區域的不同，這些氮氧化物限制對發電、航空和油氣應用的影響也不同。例如，發電通常受到最嚴格的監管。氮氧化物的限制在美國和歐盟是最嚴格的，而在其他地區則不那麼嚴格。

（3）燃燒室運行和性能限制研究

主要發展更好地理解和預測限制整體燃氣輪機瞬態響應（例如，快速改變負荷以支持間歇性可再生能源）的燃燒操作極限、降低功率和適應可變燃料成分的能力。最近幾十年的經驗表明，關鍵的限制現象以意想不到的方式出現，造成損害、延誤，並限制了燃氣輪機可使用的燃料範圍。由於需要平衡排放、調低、燃料靈活性和操作限制，在設計階段進行了艱難的權衡，意外事件經常發生。例如，燃燒不穩定性是開發用於發電和航空的新型燃氣輪機的最高風險之一，因為燃燒不穩定性通常在開發過程的後期甚至在交付給客戶之後才會出現。提高預測燃燒不穩定性發生的能力將降低燃氣輪機的總體開發風險。

燃燒系統對燃氣輪機和聯合循環電站的運行極限有著重要的影響，因為燃燒系統的主要極限現象有：燃燒不穩定、回火和自燃等。在壓力增益系統中，它們還強烈影響熱效率和性能的限制。這些都是非定常或瞬態現象，涉及火焰熄滅、火焰穩定性、非定常流動中的火焰動力學以及反應流的流體動力學穩定性。這些現象在燃氣輪機燃燒界歷來都有大量的研究，因為它們引起了重大的現場問題。儘管如此，預測這些現象的能力仍然不夠成熟，以至於在現場或測試期間仍然會經常發生意想不到的行為。此外，解決這些現象至關重要，因為相關的運行極限強烈影響整個燃氣輪機的運行極限和壽命。類似地，PGC系統，如旋轉爆震發動機，已經在許多設施被證明是一個可行的概念，但這些系統的性能通常遠遠低於理論水平。

這一研究主題可以通過在瞬態響應和運行條件等方面擴大操作範圍來加速正在進行的研究。特別是，如果能夠開發出基本上不太容易出現關鍵限制現象或對操作條件、設計或燃料成分的微小變化敏感的燃燒模式，將大大降低風險和成本。本研究課題可在2030年前將相關技術從技術成熟度TRL 2提升到TRL 7。

總之，基於燃氣輪機的更廣泛的需求，燃燒理論和技術的研究將成為未來燃氣輪機技術發展和創新的最關鍵和核心的關注點。在不同應用場景和邊界條件下，如何使燃燒更充分和獲得更高效率，如對各種不同燃料（油、氣及多相流等）燃燒機理現象的基礎研究以及相應工程應用研究創新都提出了新課題和新挑戰。

結構材料和塗層

該領域主要研究開發陶瓷基複合材料（Ceramics Matrix Composites, CMC）生產所需的技術，先進的計算模型，和先進的金屬材料和組件技術，以提高燃氣輪機的效率，降低其開發時間和生命周期成本。

從燃氣輪機的開發使用開始，先進材料的研發就顯得至關重要。第二次世界大戰期間，由於熱氣流道材料的限制，早期噴氣發動機的性能改進受到了嚴重的限制。英國格洛斯特（Gloster）飛機的動力來自於1941年首次實現飛行的惠特爾噴氣發動機，它的優勢在於使用鎳基合金渦輪葉片，這種葉片可以採取不冷卻設計方案。另一方面，德國著名的梅塞施密特Me262發動機由Junkers Jumo噴氣發動機提供動力，由於無法獲得鎳基合金，因此只能使用鋼合金材料的葉片，需要採取複雜而昂貴的空心葉片設計方案，內部冷卻。為了提高燃氣輪機的熱氣流道溫度和熱效率，高溫結構材料、塗層和製造工藝的發展取得了重大進展。早期的燃氣輪機發動機的熱效率約為30%，而目前的燃氣輪機發動機的熱效率約為50%- 55%。

為實現更高的熱效率和燃料燃燒目標，需要先進的高溫技術來提高熱氣流道的溫度。該研究領域包括三個研究主題：

陶瓷基複合材料（CMC）性能和經濟性

基於物理基礎的壽命預測模型

先進高溫合金及部件設計

這三個研究主題的範圍包括靜態和旋轉零組件。這些和相關主題的進展將大大提高燃氣輪機的效率和耐久性。

01

陶瓷基複合材料（CMC）性能和經濟性研究

要開發以低於當前成本製造的高質量碳化矽（SiC）纖維的加工方法，支持廣泛應用於燃氣輪機內的熱氣流道應用的陶瓷基複合材料（CMC）部件製造。

陶瓷基複合材料（CMC）材料在提高燃氣輪機性能和效率方面發揮了關鍵作用。燃氣輪機在運行中採用布雷頓循環。高熱效率的一個關鍵參數是高循環壓力比，進而驅動高渦輪流道溫度。渦輪流道溫度通常高於部件材料的耐熱極限，需要冷卻空氣通過內部和外部流道冷卻的組合來冷卻部件。

最小化所需的冷卻流量可以提高循環的整體效率。因此，需要開發具有更能耐受高溫的先進材料，如CMCs。總的來說，高質量CMC的應用優點包括：由於較高的工作溫度和降低的冷卻空氣要求，提高了燃氣輪機的效率，以及更有效的燃燒，從而減少了二氧化碳排放量。可使航空應用中的燃料燃燒減少了高達2%，很少有其他技術具有如此大的燃料燃燒減少能力。此外，CMCs的材料密度是當今鎳基高溫合金的三分之一，能夠使渦輪部件重量減少50%以上。

SiC纖維當前的極高成本以及導致複合材料的製造工藝成本較高的現狀，嚴重阻礙了其作為超高溫CMC（適用於1500°C/2700°F及以上的表面溫度）組件在燃氣輪機中的廣泛應用。所以，為解決此問題就包括了研究優化的CMC製造過程，過程建模和有效提高生產率。目前，碳化矽纖維由數量很少的供應商製造，而且每個供應商都有獨特的工藝和化學成分，這就需要優化化學成分、材料性能和成本。

CMC的發展和成熟投資活動已經持續了30多年，在過去10年中，通用電氣公司的自有投資超過15億美元。由於對纖維製造能力進行了大量投資，這一領域重新引起了人們的興趣。鑑於這種情況，必須解決目前生產碳化矽纖維的工藝局限性，並利用以較低成本提供更高性能的高質量纖維。這些先進的高質量羧甲基纖維素纖維將使熱氣流道的溫度更高，尤其是對於燃燒室襯套和渦輪模塊內的旋轉和靜態部件。較高的工作溫度將減少必須從推力轉移的冷卻空氣量，並使燃料燃燒得更徹底。預期的好處包括燃料燃燒和二氧化碳減少2%，燃氣輪機效率提高10%，推力提高（用於航空應用）和電力成本降低（用於發電應用）。

該研究主題應聚焦於以下研究內容：

利用低成本和高效益的聚合物加工路線開發出最佳的碳化矽纖維，該纖維具有優異的強度保持率、模量和抗蠕變性能，其關鍵特性為：化學計量比或碳矽比，保護晶界，殘餘氧含量低，無雜質相等。SiC纖維經過兩個塗層步驟，使用化學氣相沉積等工藝在集束中的每個長絲上塗覆薄塗層。

開展陶瓷基複合材料部件製造過程控制、統計監測、數位化和自動化相關的生產質量一致性和能力改進。目前，由於陶瓷基複合材料部件生產工藝過程複雜及對對複合材料製備過程機理的全面深入了解不足等因素，使複合材料部件的質量一致性和穩定性較差，嚴重影響了複合材料部件的經濟成本和生產能力。

通過對陶瓷基複合材料部件設計、原材料、製造等全壽命周期過程的全面系統集成優化，使複合部件的耐溫能力在目前最高水平上再增加170°C/300°F，從而使CMCs比當今的鎳基材料提高450°C/800°F。預計這項研究將在2030年前，可以把技術成熟度從TRL 3提高到TRL 6或更高。本研究具有中等技術風險，因為目前具有適當材料專業知識的工程人員和製造資源有限，無法支持更高質量碳化矽的生產，碳化矽纖維製造商使用的獨特加工系統導致碳化矽纖維特性的變化。目前的碳化矽纖維製造能力很大一部分致力於滿足支持當前應用的生產量，這可能限制了製造工藝潛在改進的設施的可用性。另外，缺乏包括中試生產線在內的專用研究設施，也可能阻礙了對關鍵纖維工藝變量的工藝優化研究。

02

基於物理基礎的壽命預測模型研究

燃氣輪機的熱端部件在工作時，會不可避免地經歷各種極端條件的考驗，包括暴露在多軸高溫應力和腐蝕性環境中。為了最大限度地提高熱效率，這些部件服役的設計溫度往往被推向材料的最大耐受極限（如對金屬材料，在熔點附近溫度），包括鎳基單晶高溫合金和先進的熱障塗層系統。隨著工作溫度的升高，驅動更高的熱效率也同時加速了環境破壞。此外，這些損傷模式在速率和機理上是多樣的，包括高溫氧化、熱腐蝕（沉積物引起的高溫腐蝕）、顆粒侵蝕、熱障塗層的剝落和熱障塗層系統的環境沉積物鈣鎂鋁矽酸鹽（CaO-MgO-Al2O3-SiO2，CMAS）降解等。

對於大型發電燃氣輪機來說，與這些環境破壞模式相關的生命周期成本的增加每年可以以數以百萬美元來衡量。在航空發動機中，高壓渦輪葉片的故障可能導致發動機的非計劃拆卸、航空公司服務的潛在中斷，以及在最壞情況下造成空中停車等飛行安全風險。在發電或油氣應用中使用的燃氣輪機發生故障時，也會產生類似的費用。顯然，如果能夠可靠地預測在給定的熱端部件應用中哪些損傷模式將被激活，以及它們的進展速度，將能夠有效地開發和優化抵抗這些損傷模式的先進材料，以及實現先進的數字孿生基礎設施，這就需要建立基於物理基礎的壽命預測模型，解決熱端渦輪材料的環境退化問題。該模型必須能夠在極端渦輪工作溫度下長期保持CMC機械性能的前提下，處理以下損傷模式：

金屬結構材料和塗層的熱腐蝕和氧化

熔鹽引起的高溫應力腐蝕開裂

熱腐蝕、氧化、水分引起的降解、鈣鎂鋁矽酸鹽（CMAS）引起的熱障塗層和環境障礙塗層的降解和侵蝕

基於物理基礎的壽命預測模型將通過可靠和準確預測現場性能的實驗室測試進行驗證。這一研究主題對於實現和保持未來先進燃氣輪機在其使用壽命內的熱效率目標至關重要。但是目前缺乏相關的研究。對於諸如CMCs這樣的材料，在1500°C/2700°F及以上溫度幾乎肯定會加劇熱腐蝕和以上列出的其他損壞模式的耦合作用，從而使部件壽命不足，又會使帶有CMC的部件的燃氣輪機維修間隔相對於鎳基高溫合金部件減少一個數量級。隨著CMC部件在燃氣輪機使用中積累更多的時間，很可能會出現其他降級模式，從而造成當前無法預見的耐久性挑戰。因此，從這個意義上說也需要深入了解CMCs材料失效或退化模式或機制，並予以定量化描述納入壽命預測模型。

此研究主題的成果可以使未來抗損傷材料設計成為可能，同時在保證材料在最高溫度極限運行來提高渦輪機的熱效率的前提下，並通過向運營商提供準確的燃氣輪機何時需要停止使用進行維護的信息，潛在地消除計劃外的燃氣輪機停機時間或延長燃氣輪機運行時間，大大降低成本。本研究課題可在2030年前將相關技術成熟度從TRL 3提升到TRL 6。這一研究主題具有中等技術風險，因為對CMCs材料的各種環境退化或失效模式的物理機制的基本了解已經取得重大進展，了解這些環境退化或破壞的演變機制為建立物理模型打下了重要的基礎。最大的一個風險是在較高的渦輪工作溫度下CMCs材料出現未知的退化或失效模式。

03

探索和開發先進的高溫合金和部件設計的新理念或方法

鎳基高溫合金在燃氣輪機中的應用已有50多年的歷史。在這段時間的大部分時間裡，先進的高溫合金技術發展主要集中在定向凝固鑄造技術、渦輪葉片鎳基高溫合金化學成分開發優化、盤（轉子）用粉末冶金高溫合金。如CMSX-4、RenéN5和PWA 1484等單晶合金渦輪葉片常由定向凝固鑄造，Waspaloy、IN718和U720等高溫合金部件常採用鍛造加工路徑生產。

目前，根據目前的燃氣輪機設計方案，成熟的燃氣輪機的主熱氣流道中的大多數部件都是由合金製成的，而且近20年實踐表明，企圖提高耐更高溫度的研究和開發已經達到了遞減的回報，這類合金的使用已基本達到了其工作溫度極限。隨著燃氣輪機不斷提出的對更高效率、減輕重量和減少排放的新要求，提高主熱氣流道溫度已成為必須的途徑，對熱端部件材料的使用溫度極限要求也隨之提高。尤其是隨著燃氣輪機的部件不斷採用具有更高耐溫能力的CMCs材料，隨之也水漲船高也提升了整個燃氣輪機熱端金屬部件（這些部件包括盤、軸、殼體、密封件和軸承等）的使用溫度要求。所以，為應對已有合金材料已達使用溫度極限的挑戰，需要探索和開發先進的高溫合金、部件設計的新理念或方法。

該研究主題主要開發新的合金概念，如高熵合金、高溫鈦合金、鈷基高溫合金和難熔合金、金屬間化合物強化鈮基或鉬基難熔合金。例如，新的基於耐火材料的高熵合金含有多個耐火元素，在1100°C/2000°F以上的溫度下表現出異常高的強度，但對這類材料的研究仍處在技術成熟度TRL 1。新的製造技術，如增材製造，可能可以用於製造其獨特的微觀結構，以解決先前發現的耐火合金性能缺陷。由於鈷基合金具有很高的熔點，它們也有可能在超過當前鎳基合金的溫度下使用。提高低溫合金的性能，例如鈦、鎂和鋁合金，也有利於改進燃氣輪機風扇和壓氣機部件的設計，這些材料在高溫下的強度密度比超過了目前最先進的高溫複合材料的性能。其中一個比較誘人的目標和巨大挑戰就是利用增材製造方法生產燃氣輪機單晶高溫合金渦輪葉片，這無疑會極大地降低目前單晶高溫合金渦輪葉片的高製造成本！

鑑於目前的材料開發方法主要是經驗驅動的，利用第一原理計算、基於物理的模型和人工智慧方法建立新材料的計算能力，開發加工模型和集成計算材料工程工具，利用材料基因方法，將使工程師能夠加速設計新材料和提升材料技術成熟度，並針對材料的特定應用進行優化，其速度比目前可能的要快得多，同時提高產品產量和降低採購成本。

此外，還需要探索新的先進的金屬部件設計。如，由單晶輪緣/多晶孔概念組成的混合性能渦輪盤，帶有鋼孔和高溫合金輪緣的混合圓盤等。

本主題的研究內容可以在2030年前將相關技術成熟度從TRL 1提升到TRL 9。在2030年之前，將適用於混合性能盤的技術成熟度將從當前的TRL3提升到TRL9，技術風險很低。使這項技術成功所需的基本製造工藝是眾所周知的。對於與高熵合金相關的技術，還需要做很多基礎性的工作，預測到2030年這項技術成熟度將從TRL 1向TRL 4發展更為現實。這方面的工作面臨中等技術風險。

燃氣輪機增材製造

在過去的30年裡，增材製造業發生了巨大的變化，而且變化的速度還在繼續增加。增材製造於1987年在3D系統的立體光刻技術中出現，該技術使用雷射固化對紫外線敏感的液體聚合物薄層。SLA-1成為世界上第一個商用增材製造系統，1988年， Asahi Denka Kogyo，Ltd. 公司推出了第一種用於立體光刻機的環氧樹脂。選擇性雷射燒結在1992年開始使用，利用雷射產生的熱量來熔化粉末材料。1997年，AeroMet開發了一種稱為雷射增材製造的工藝，該工藝使用高功率雷射焊接粉末鈦合金，隨後，Optomec迅速將其基於美國Sandia國家實驗室開發的技術製造金屬零件的雷射粉末成形系統商業化。

Extrude Hone（現在是ExOne）於1999年推出了另一種增材製造工藝，該工藝採用了麻省理工學院的3D噴墨列印技術，用於製造金屬零件。2001年，Generis GmbH將採用噴墨列印技術熔砂生產金屬鑄件砂芯和模具的系統商業化。到2006年，直接金屬雷射熔煉已經發展到包括不鏽鋼和鈷鉻材料。2009年，美國材料試驗協會（ASTM）國際增材製造技術委員會（F42）發布了行業標準術語。2011年，美國材料測試學會國際委員會和國際標準化組織技術委員會宣布了一項關於增材製造的合作協議。2012年，通用電氣（GE）航空公司收購了Morris Technologies和Rapid Quality Manufacturing，後者是航空應用增材製造領域的先驅。基於新設計的可能性，結合幾乎等同於變形合金的機械性能，直接金屬加工技術已經獲得了極大的興趣和發展。金屬基增材製造的應用涉及廣泛的行業，包括醫療、工業、航空航天、珠寶，甚至砂型鑄造模具。

增材製造提供了通往以前無法進入的設計空間的途徑，推動了一套新的響應式設計工具的開發，這些工具與製造模擬相結合，以最大限度地發揮增材製造的優勢。這種新的面向製造過程的設計的數字工件可以在數字線程基礎設施中捕獲，該數字線程基礎設施允許跨數字基礎設施共享信息，以提高產品設計和製造過程的性能。與燃氣輪機特別相關的增材製造面臨的挑戰包括成功管理潛在的破壞性工藝誘發現象的能力，如增加的變形和開裂、製造缺陷（如未熔合以及氣體孔隙率等），以及由於不同的體積和表面結構質量而導致的較低的機械性能。這將需要掌握這些製造過程的複雜物理機理，包括高溫和快速變化的溫度梯度、複雜的熔池流體流動現象、廣泛變化的凝固形態以及冷卻過程中的殘餘應力等。

增材製造已形成全球技術趨勢，這一研究領域將為增材製造渦輪部件開發專用的設計和製造方法。對新的、冷卻的部件，新的高溫合金的集成設計，以及用於定製性能的微觀結構形態的控制，都存在著巨大的技術機遇和挑戰，因為它們必須在燃氣輪機的極端條件下實施並最終合格。增材製造應用於燃氣輪機的主要優點是減輕重量、減少零件數量、獲得新的設計空間和縮短開發時間。

該研究領域包括三個研究主題：

集成設計和增材製造

高溫結構材料增材製造

傳感器集成、機器學習和過程分析

將基於模型的燃氣輪機材料（已在使用的材料及正在開發的先進材料）、工藝和製造機械的定義與設計工具、車間的設備結合起來，以加速設計並提高零部件的成品率，同時提高性能的一致性和穩定性。

01

集成設計與增材製造

與傳統的製造方法不同，對增材製造來說，逐步逐層構建零件的原理和過程，可以容易實現更多創新性的幾何結構和設計選擇，從而降低了成本和重量，提高了生產效率，並且已經開始對燃氣輪機的設計和製造模式開始產生革命性的影響。典型的一個表現就是，增材製造直接挑戰了傳統機械硬體開發周期的順序和速度。如對於燃氣輪機這樣非常複雜的機械系統，在許多情況下，增材製造可以通過將複雜程度更高的零件合併到使用傳統工藝無法製造的相對數量較少的零件來製造。增材製造還提供了一種獨特的能力，通過使原型硬體設計的製造、測試、修改和再製造比目前可能更快、更便宜，從而大大降低生產複雜開發零件的成本和周期。為系統地和充分地實現增材製造的這些優勢，需要開展集成設計與增材製造主題研究。

該主題主要開發先進的材料、工藝、機械模型集成方法，成本和計算機輔助設計（CAD）軟體形成一個完整的數字工程框架，以適應燃氣輪機設計的要求。總結、擴展增材設計輔助工具和加強設計實踐，從而降低全壽命周期成本，主要體現在如下幾個方面：

通過使用創造性和複雜的幾何結構或稱作為拓撲來優化設計。先進的設計輔助工具將使開發基於系統設計方法的新部件具有更為複雜的形狀或幾何圖形，這些幾何結構在傳統製造中可能根本不可能實現，同時，保證性能和材料使用（重量）最小化，而不受先前工業限制和利用傳統製造技術進行後處理的限制。例如，這些幾何結構可以優化冷卻空氣的使用，將改善熱量排放和零件之間間隙的控制，從而提高燃機效率。

能夠設計新的、更高性能的高溫材料以及分級的化學和微觀結構，在設計中定製微觀結構，允許特定位置的設計實現多種材料或微觀結構，從而減輕重量並提供最佳的應力分布，以提高耐久性和使用壽命。

失真控制。先進的設計工具可以預測快速凝固和熱排放等產生的變形效應，從而指導構件建造過程中支撐結構的尺寸和位置。這些工具還將為幾何補償提供指導，這可以顯著減少演示尺寸控制所需的構建迭代次數。由於極其嚴格的尺寸公差要求，這對燃氣輪機設計特別重要。

降低在現有應用中使用新材料或在新應用中使用現有材料的風險。將材料和工藝的數字定義與數字設計協議相結合，將有助於更有效地探索設計空間和早期驗證零部件性能。

提升數位化能力。優化Computer Aided Design（CAD）構建文件將提高將文件加載到製造機器的效率，減少構建過程中的延遲，因為信息是按層構建方法管理的，可以隨時管理零部件在製造時的殘餘應力，通過提高文件的可傳輸性，使遠程製造和捕獲無損評估結果成為可能，並可以為每個構建零部件提供身份及性能識別的數字「指紋」。

本主題的研究成果將大大提高燃氣輪機零部件的設計能力，減少從設計到製造過程中的不確定性，從而實現高保真度、特定位置的高性能設計，減少返工。基於模型的工程工具的進步對於充分利用增材製造提供的設計優勢至關重要。預計到2030年的相關技術成熟度可以從TRL 4提升到TRL 6。本主題具有中等技術風險。每一個增材過程都對設計界提出了獨特的挑戰和限制，如雷射粉末床的快速凝固、燒結粉末的去除、電子束過程的區熱控制以及粘結劑噴射，以及增材加工過程中的尺寸控制和緻密化都對零件的設計者提出了挑戰。

02

高溫結構材料增材製造

目前用於增材製造應用中的結構材料種類相對較少，如合金Inconel 718和Ti-6Al-4V等。使用這些結構材料的零部件設計主要都是用傳統的製造方法加工的。增材製造方法中可用的局域加工條件的高度可裁剪性特點將使增材製造能夠定製結構材料成分。通過降低開裂現象和消除有害的殘餘應力，可以對合金成分進行改性優化，以獲得更高的屈服強度等性能。此外，新的結構材料成分優化將受益於旨在大量生產更高溫度和更高質量粉末的粉末加工技術的進步，從而使材料微結構的精確剪裁至少具有與原來傳統製造方法同等的重量，同時使性能最大化。

為實現燃氣輪機行業使用的新型增材製造高溫結構材料的開發，需要賴於增材製造設備的進步，才能加工出比目前使用的耐火材料更多的高溫結構材料。為快速識別設計的新材料成分，需要更多的計算和表徵工具的耦合。這些工具將支持關鍵現象的建模，並確定哪些加工和成分修改的組合可以減輕裂紋形成的驅動力。多個傳統能源以及新型能源，如飛秒或皮秒雷射，將需要以一種更加有管理的方式提供能量，以加快零件成型速度和控制變形等缺陷。

本研究主題將利用增材製造的技術趨勢，開發新的、低成本的高溫結構材料粉末，開發新的增材製造方法和模型，使定向凝固或單晶成分的生長和修復將成為燃氣輪及設計和製造最誘人的和渴望的目標和挑戰。除了，粉末、製造方法，還需要開發快速鑑定和認證的方法，以便以經濟有效的方式生產具有更高溫度限制和耐久性的部件。

該研究主題的成果將使新的耐受更高溫度的結構材料成分以及控制微觀結構的新方法成為可能。其次，這些能力還可以發展用於生產柱狀顆粒或單晶組件，這將對燃氣輪機行業產生重大影響，使冷卻氣流的設計更加高效，同時為傳統加工的單晶組件提供潛在的修復途徑。此外，將會促進材料和工藝的快速認證和鑑定方法的發展，將使增材製造的應用範圍更加廣泛。預計在2030年前將相關技術成熟度從TRL 3提升到TRL 6。

03

集成傳感器、機器學習和過程分析

實際上，增材製造是將材料加工成有用工程零部件的一種極其複雜的方法。一些增材製造工藝正在燃氣輪機工業中使用或探索，包括粉末床熔合（使用電子束或雷射加熱源）和定向能沉積等。典型的金屬增材製造工藝可能需要考慮超過150個參數。一些參數可能不會對產品的質量有重大影響，有些則可能取決於其他變量，仍然有許多變量需要在非常複雜和動態的處理環境中進行表徵和解釋。

為了在現場糾正缺陷，需要立即分析關鍵參數的過程反饋（即在當前構建層內）。每種方法的完整的、基於物理的模型的建立或許都需要數年的時間，即使模型開發出來，它們也很可能過於複雜，無法集成為過程控制系統的一部分。要克服這一問題，就需要發展以物理知識為基礎、通過機器學習增強的模型，這些模型可以「訓練」來監控和自主控制，以實時糾正增材製造過程的偏差。因此，該過程的數位化表示對於改進增材製造過程以及及時發現潛在的在役問題至關重要。將基於物理的合成、加工、微觀結構和機械行為模型與過程信號的人工智慧分析和決策集成到製造基礎設施中，以增強過程控制和保證燃氣輪機部件質量。基於物理的過程模型和人工智慧系統將需要與工廠操作技術集成，以便對製造過程進行實時、智能控制和即時反饋。這將需要對材料狀態進行原位傳感，並在製造過程中採用自主方法實時識別和修復缺陷。製造過程的數字記錄將需要自動放置在數字線程基礎設施中，以便在零部件生命周期中進一步工程化使用。

這一研究主題可以通過提高製造產品質量、產品產量，減少性能分布分散度以及使增材製造過程的鑑定更加快速而有效。同時幫助科學家尋求建立和改進基於物理的製造過程模型。另外，因為對零部件的製造最終狀態有一個完整的數字記錄，將有可能在系統的整個生命周期中快速識別緊急性能問題和潛在的故障根源。預計2030年前將相關技術成熟度從TRL 4提升到TRL 7。現在已經有許多單獨的工具可供使用，並開始集成。隨著基於物理的模型、原位傳感和人工智慧的進一步發展，這將是一項不斷發展的技術，併集成到過程控制系統中。本主題具有中等技術風險，最大挑戰是難以開發有用的基於物理的模型和相關的現場傳感器集成方法。

熱管理技術

熱管理的總體目標就是開發先進的冷卻技術和策略，能夠快速且廉價地融入燃氣輪機，並使渦輪進口溫度更高，循環壓力比更高，燃燒室和渦輪冷卻氣體流量更低，從而在滿足燃氣輪機壽命要求的同時最大程度地提高熱力循環效率。

鑑於減少二氧化碳排放的重要性，通過提高燃氣輪機效率來減少燃料使用量仍然是燃氣輪機行業的高度關注點。燃氣輪機的熱效率，也就是燃料燃燒，與渦輪進口溫度直接相關。為了提高燃氣輪機的熱效率，通常採用兩種不同的方法：

（1）在保持相同冷卻流量要求的同時提高渦輪進口溫度；

（2）在降低冷卻流量水平的同時保持相同的渦輪進口溫度。

除非熱管理方案提高整體冷卻效率，否則這兩種方法都可能降低渦輪部件壽命。在恆定的渦輪進口溫度下提高整體冷卻效率可降低渦輪部件金屬溫度並提高部件壽命。或者，在提高渦輪進口溫度的同時提高整體冷卻效率可以使渦輪金屬部件保持恆定的溫度，從而延長渦輪部件的壽命。隨著時間的推移，渦輪進口溫度與推進氣膜冷卻產生的整體冷卻效率水平保持良好的跟蹤關係，提高冷卻效率可降低葉片溫度。燃氣輪機熱端的冷卻包括燃燒室和渦輪模塊的冷卻，從燃氣輪機研究和開發的一開始就被設想出來。

然而，直到20世紀60年代，葉片冷卻才實際應用於燃氣輪機中。葉片冷卻是在進入燃燒室之前從壓氣機中抽出一部分空氣，然後將抽出的空氣送入位於燃燒室和渦輪模塊中的部件中，以冷卻這些部件。20世紀60年代，葉片冷卻技術使商用航空發動機起飛時渦輪進口溫度從900°C/1650°F提高到1000°C/1850°F。隨後高溫渦輪材料、塗層和冷卻技術的發展使商用航空發動機起飛時渦輪進口溫度從20世紀60年代的1000°C/1850°F提高到90年代的1400°C/2550°F。現代燃氣輪機得益於數十年對高溫合金、先進塗層和改進冷卻技術的大量有效研究。將最先進的鎳基高溫合金與更先進的冷卻技術（如微通道冷卻（也稱為雙壁葉片））的應用相結合，使得渦輪進口溫度不斷升高。

同時，熱效率的提高可以通過增加循環壓力比來實現，在今天的燃氣輪機中，循環壓力比在40-60之間。隨著循環壓力比的增加，從壓氣機中抽出的用於冷卻燃燒室和渦輪模塊的空氣溫度也會升高，這也將成為有效冷卻燃燒室和渦輪硬體的一個限制因素，因此開發能夠提高冷卻介質溫度的熱管理技術對於滿足熱端部件耐久性要求是必不可少的。

然而，由於製造工藝技術的限制，目前的冷卻策略存在一定的局限性。例如，在鑄造後的渦輪葉片上的氣膜冷卻孔的形狀受到雷射打孔和電火花打孔工藝的限制。過去的研究也發現了一些我們缺乏基本物理理解的關鍵課題，從而限制了燃氣輪機設計能力的提高。例如，有一個這樣的主題就是全共軛傳熱分析，其中一個單一的模型檢查涉及流體和固體在一個特定的系統中的傳熱。由於現有的模型無法準確地捕捉到冷卻膜流與主氣流路之間複雜的三維熱能交換，使得燃燒室和渦輪冷卻結構的優化受到限制，同時還需要進一步了解從外部運行環境進入燃氣輪機的含顆粒流的影響。

該研究領域包括三個研究主題：

新型冷卻方式

全共軛傳熱模型

基本物理和含顆粒流動建模

01

新型冷卻方式研究

該主題研究的目的是通過研發和創新冷卻技術和策略，以提高渦輪部件效率。開發創新冷卻策略的研究需要解決渦輪部件所經歷的高溫和高機械應力，以及特定的材料特性和製造方法。渦輪部件氣動性能和耐久性的要求增加了燃燒室壁以及葉片和葉片冷卻的幾何複雜性。由於循環壓力比的增加，從壓氣機出口抽出用於冷卻燃燒室和渦輪部件的空氣溫度高於前幾代燃氣輪機。因此，必須採用新型冷卻方式和策略來解決這個問題。

用於發電、推進和油氣應用的渦輪葉片通常採用熔模鑄造方法製造。這個過程需要幾個步驟，首先將蠟倒入葉片形狀的金屬模具中。每一個蠟狀物凝固後，將其從模具中取出，反覆浸入陶瓷漿料中，形成陶瓷塗層，然後去蠟和硬化陶瓷。實際的葉片是通過將熔化的金屬倒入熔化的蠟留下的中空空間而形成的。在生產的這一階段，每個葉片內的內部空氣冷卻通道也通過將陶瓷芯插入蠟模中而形成。

葉片進一步加工後，在葉片的外壁上設計氣膜冷卻孔，這些孔通向供應冷卻劑的內部通道。一旦製造出冷卻孔，在葉片的外表面塗上一層熱障塗層，以提高耐腐蝕性和抗氧化性。燃燒室壁通常由相對薄的高溫金屬片構成，採用雙壁結構，外表面噴塗熱障塗層。用於燃燒室壁的冷卻策略與用於葉片的冷卻策略相似。渦輪和燃燒室模塊的研究通常分為內部冷卻（葉片內部或燃燒室內襯雙壁之間的表面）或外部冷卻（暴露於熱氣體通道的表面）。內部冷卻策略可以通過使用高紊流和大表面積來獲得高的對流換熱係數。先進的葉片和葉片內部冷卻策略往往受到陶瓷芯模具設計或零件鑄造能力的限制。另一種潛在的內部冷卻策略是在渦輪葉片表面放置微通道，使冷卻更接近葉片表面。

隨著增材製造技術的進步，完全重新設計冷卻策略是可行的，包括更複雜的通道。氣膜冷卻孔的最新製造方法採用雷射打孔或電火花打孔製造，這是在鑄造渦輪葉片上完成的工藝。增材製造方法可實現複雜的氣膜冷卻孔形狀，這些形狀與內部冷卻氣體供應通道可以更好地集成。更複雜的氣膜冷卻孔形狀可以提高燃燒室和渦輪部件上的氣膜保護質量。

本研究主題可加速新型冷卻方式和策略的持續研究，使渦輪進口溫度更高，從而在滿足生命周期成本要求的同時提高熱效率。本主題針對新型高溫材料和增材製造方法在先進冷卻創新方面的發展提出了新的迫切需求。過去渦輪進口溫度升高的例子表明了冷卻策略創新的影響，特別是氣膜冷卻。隨著增材製造技術和高溫材料創新在新型冷卻方式和策略中的大規模採用，預計熱力循環性能將出現顛覆性提高。該主題預計在2030年將相關的創新冷卻技術成熟度從TRL 1提高到TRL 6。該主題的具有中高技術風險，完全取決於增材製造技術能力的發展和應用。該主題適用於發電、航空、油氣等領域。減少所有三種應用的燃料消耗是一個重要目標，特別是對於發電和航空。提高石油和燃氣輪機在部分負荷下運行時的效率也被確定為優先事項。

02

全共軛傳熱模型研究

該主題研究目的是開發先進的全共軛傳熱技術，以實現燃燒室和渦輪部件冷卻配置的優化設計，從而使冷卻空氣流量最小化，提高渦輪進口溫度，並可以達到更高的循環壓力比。

傳導傳熱是固體傳熱的主要形式，對流傳熱是液體傳熱的主要形式。一個全共軛傳熱模型分析了一個特定系統中固體和液體的傳熱。經過驗證的全共軛傳熱技術使燃燒室和渦輪冷卻結構的優化取得了進展。全共軛技術比通常使用的鬆散耦合的共軛分析過程（包括分離和順序執行的低保真度子模型）更精確地捕獲冷卻膜流、主氣流路、內部流和固體成分之間複雜的三維熱能交換。全共軛技術的應用將提高燃氣輪機的熱力效率，同時滿足其壽命要求，不確定性較小。如果在工業界、學術界和政府利益相關者的支持下，通過規範幾何和流動條件下的協調實驗獲得的傳熱數據對這些全共軛傳熱技術進行驗證，將對工程設計過程產生更大的影響。

燃燒室和渦輪模塊的最新冷卻策略包括但不限於氣膜冷卻孔的緊密排列陣列，其產生低溫膜，該低溫膜將底層金屬和保護性熱障塗層與主要高溫燃燒產物隔離，並且增大了孔內冷卻氣流與周圍金屬之間的對流換熱速率。低溫膜流動與周圍流體的快速混合是一個複雜的三維過程，它高度依賴於冷卻孔陣列的幾何特徵、內部冷卻流動動量、質量以及外部流動動量和湍流脈動水平。此外，與富含燃料的熱流氣體快速混合的壁面膜流促進了膜內的二次化學反應，降低了膜冷卻的預期效益，與上述有關的複雜物理機制目前還不清楚。用於預測熱端金屬部件溫度的熱計算模型通常使用鬆散耦合的共軛傳熱方法。對於渦輪葉片，捕獲內部流體流、外部流體流以及金屬和熱障塗層系統之間的傳熱過程的子模型分別按順序執行，直到這些模型接口處的溫度收斂到相同的值。外部葉片表面的氣熱子模型使用經驗驅動的低保真度和先進的高保真度工具的組合來捕捉薄膜混合和絕緣、傳熱增強的影響。這些子模型通常用控制實驗的結果進行驗證，在控制實驗期間，通常單獨測量上述效應。然而，對於包含緊密排列的冷卻孔陣列的冷卻策略，冷卻膜相互作用，固體傳導路徑變得更加三維，外部流體流動與葉片固體之間的能量交換變得更加複雜。利用全共軛傳熱模型技術可以更好地捕捉這些複雜的氣熱相互作用。

對於具有複雜冷卻結構的燃燒室和渦輪模塊，全共軛傳熱建模技術可以通過減少與在鬆耦合共軛分析過程中通常使用的簡化氣熱子模型相關聯的建模誤差來提高金屬部件溫度預測的精度。提高預測精度將提高熱端部件壽命預測的精度和耐久性，減少燃燒室和渦輪冷卻氣流，並使渦輪進口溫度更高，從而在滿足壽命要求的同時提高熱力學效率。該課題具有中等技術風險，其成果取決於從典型燃燒室和渦輪冷卻結構以及流動條件的完全共軛傳熱實驗中獲得的綜合數據集的生成，這些數據集可由燃氣渦輪工業、學術界的技術專家訪問，以及政府和利用這些公開數據集驗證全共軛傳熱模型。該主題適用於發電、航空、油氣等燃氣輪機在全負荷和部分負荷下的應用。

03

基本物理與顆粒流模擬研究

隨著全球飛行業務越來越多地穿越發展中國家，發電和油氣渦輪機不斷地安裝和運行在廣泛的環境中，小顆粒進入燃氣渦輪機的威脅越來越大。對於發電，可降低燃氣輪機性能的汙染物包括上遊部件的鐵鏽和周圍環境中未經過濾的微粒。對於飛機而言，感興趣的汙染物包括火山灰、懸浮在大氣中或在起飛和降落過程中攝入的細沙粒，以及燃煤電廠等工業汙染物。與用於飛機推進的燃氣輪機不同，用於發電和油氣應用的燃氣輪機可以使用過濾器去除許多較大的顆粒（>10μm），但較小的顆粒仍保留在主氣流中。

空氣品質差對每個燃氣輪機模塊的性能影響不同。在壓氣機模塊中，腐蝕是一個問題：風扇吸入的環境顆粒隨後會影響壓氣機葉片，一旦到達高壓壓氣機段，排出的空氣冷卻熱端部件，顆粒足夠小，可與二次冷卻流一起攜帶，二次冷卻流的溫度要高得多，導致顆粒沉積。顆粒沉積會堵塞內部通道和冷卻孔。在主氣流路中，顆粒可能沉積在葉片外表面上，這增加了它們的粗糙度。粗糙的渦輪葉片會增加空氣動力損失，並可能導致葉片上的早期邊界層過渡，從而導致熱流氣體沿葉片的外部傳熱。顆粒在熱端部件中的沉積位置和方式在很大程度上取決於其尺寸、成分、溫度、內部冷卻幾何結構和引入方法。

由於在可控的實驗環境中幾乎不可能模擬所有相關條件，因此對燃氣輪機內顆粒的輸運和沉積機理還沒有很好的了解。在渦輪模塊中，來自高速冷卻介質的摩擦阻力可以使顆粒保持在懸浮狀態，顆粒跟蹤流動。然而，考慮到粒子的質量和動量，粒子不一定沿著流線通過轉彎或各種冷卻特徵。總之，沙粒或大氣顆粒物等顆粒物的濃度和行為會顯著降低燃氣輪機的性能，並經常導致停機，特別是對於飛機和石油和天然氣工業。與這些環境相關的基本物理尚未被很好地理解，需要對相關環境條件進行高保真模擬和實驗驗證的綜合研究，這些環境條件包括與粒子攝入相關的簡單到複雜現象。

在燃氣輪機的燃燒室和渦輪熱端模塊內，如果顆粒停留時間足夠長，則顆粒溫度會迅速上升。這會導致顆粒粘附在組件表面，從而引發嚴重事件的連鎖反應。當顆粒附著在表面上時，金屬部件溫度通常會因內部通道堵塞而降低冷卻氣體流量或增加壁面與冷卻空氣之間的熱阻而升高。金屬部件溫度越高，則粘附在壁上的顆粒溫度越高，從而增加更多顆粒粘附在表面的可能性。冷卻後，熔融顆粒的存在也可能會導致部件保護塗層剝落。

建模這個問題的複雜性需要一個集成的方法，使用高保真數值模擬和實驗驗證。需要定義測試用例，從簡單的基本臺架模擬到更複雜的渦輪增壓等情況，以評估如何更好地理解影響渦輪運行的各種機制。該主題可以通過確定導致渦輪部件耐久性降低的主要機制來進行研究。該主題通過提供一個基於物理學的對高壓渦輪中顆粒輸運和沉積的理解，可用於驅動概念性、顆粒容限性渦輪冷卻設計，並提高在顆粒流中渦輪部件行為預測的質量。

目前，在理解渦輪部件上顆粒沉積的驅動機制方面基本處於空白狀態，基本的測試用例不存在，導致無法執行集成的、系統的實驗，從而能夠驗證低保真度和高保真度的粒子輸運和沉積模型，而這些模型與顆粒負載流中的渦輪運行相關。到2030年，可以開發基於物理的模型來驅動各種先進的、粒子容忍的渦輪設計，需要在顆粒輸運和沉積研究以及顆粒容限渦輪設計概念方面取得重大突破。此研究主題具有很高的技術風險，因為由於複雜的交互作用，模型可能需要根據每個案例的具體情況進行調整。在高壓和高溫下完全複製燃氣輪機條件的足夠的測試用例是困難的。本研究課題適用於航空、發電、石油和天然氣應用，通過更好地了解含顆粒流對渦輪運行的影響，從而改進渦輪冷卻設計以及所需的提升模型。