تطوير تقنية التوربينات الغازية المشتقة من الطائرات

تأثرت تطوير تقنية محركات الطائرات بالعوامل السياسية والعسكرية والاقتصادية بشكل أسرع من تلك الخاصة بمحركات الغاز. تتمتع محركات الغاز ومحركات الطائرات بتشابهات تقنية واسعة النطاق، ويمكن مشاركتها في أنظمة التصميم وأنظمة التصنيع وأنظمة المواهب وأنظمة الاختبار. لذلك، بناءً على الطلب السوق الكبير والمزايا التطبيقية الواضحة لمحركات الغاز، أصبح من الإجماع الصناعي تطوير محركات الغاز بناءً على محركات طائرات عالية الأداء ومتطورة باستخدام تقنيات صناعية متقدمة وطرق تصميم. هناك طريقتان لنقل تقنية محركات الطائرات إلى محركات الغاز كما هو موضح في الشكل 1: الأولى هي تعديل المحركات الجوية الناضجة مباشرة وإنشاء مشتقات محركات الغاز؛ والثانية هي نقل تقنية محركات الطائرات إلى محركات الغاز الثقيلة وتطوير جيل جديد من محركات الغاز الثقيلة.

تاريخ تطور محركات الغاز المشتقة من الطائرات

مع تطور تقنية محركات الطيران وتطبيق تقنية الدورة المتقدمة، مرَّت عملية التطوير الفني لمحركات الغاز المستمدة من الطيران بعدة مراحل: مرحلة استكشاف التكنولوجيا، مرحلة تطوير التكنولوجيا ومرحلة تطبيق الدورة المتقدمة، مما مكن من تطوير محركات الغاز المستمدة من الطيران من التعديل البسيط إلى تصميم محركات مركزية عالية الأداء، ومن الدورة البسيطة إلى تطبيق الدورة المعقدة، ومن اعتماد النظام التصميمي والنظام المادي الناضج لمحركات الطيران إلى تصميم مكونات جديدة وتطبيق مواد جديدة، مما ساهم في تحقيق مستوى كبير من التطوير في مستوى التصميم، الأداء، الموثوقية وعمر محركات الغاز المستمدة من الطيران.

مرحلة استكشاف التكنولوجيا

في عام 1943، تم تطوير أول توربين غازي مستوحى من الطيران بنجاح. بعد ذلك، صممت شركات رولز رويس وجي إي وبرات أند ويتني الدفعة الأولى من التوربينات الغازية المستوحاة من الطيران بناءً على تعديلات ناضجة لأنظمة المحركات الجوية، بما في ذلك التوربينات الغازية الصناعية آفون، والصناعة أوليمبوس، وسباي، وLM1500 وFT4. في هذه المرحلة، كانت تقنية التوربينات الغازية المستوحاة من الطيران في فترة الاستكشاف. الهيكل直接 استلهم النواة الأساسية من محرك الطائرة، وتم تحقيق القدرة الكهربائية بتزويد توربين كهربائي مناسب؛ الأداء الشامل للجهاز لم يكن مرتفعًا، وكفاءة الدورة كانت عادة أقل من 30%؛ درجة الحرارة الأولية قبل التوربين كانت أقل من 1000 ℃ , ونسبة الضغط كانت 4 إلى 10؛ كان المضاغف عادةً فرعي السرعة الصوتية؛ استخدمت شفرات التوربين تقنية تبريد بسيطة بالهواء؛ كان المادة المستخدمة هي السبائك الحرارية العالية الأولية؛ عادةً ما استخدم نظام التحكم نظام ضبط ميكانيكي هيدروليكي أو أنظمة إلكترونية تناظرية.

مرحلة تطوير التكنولوجيا

مع نضج تطبيق محركات الطيران النفاثة، تم توفير آلات أم ذات أداء عالٍ وموثوقية عالية والتكنولوجيا التصميمية المتقدمة لتطوير سريع لمولدات الغاز المستمدة من التطبيقات الجوية. وفي الوقت نفسه، فإن الطلب على مولدات الغاز المستمدة من التطبيقات الجوية المتقدمة من قبل الأساطيل البحرية للولايات المتحدة والمملكة المتحدة وغيرها من الدول قد قدم أيضًا منصة تطبيق واسعة، مما مكن مولدات الغاز هذه من التطور بسرعة وتحسين أدائها بشكل كبير. وقد تم إطلاق سلسلة من مولدات الغاز المستمدة من التطبيقات الجوية ذات الأداء الجيد والموثوقية العالية. مثل سلسلة LM2500، وترينت الصناعية، وFT4000 وMT30، والتي تُستخدم على نطاق واسع في مجالات قوة السفن وإنتاج الكهرباء وغيرها.

تستخدم مكونات النهاية الساخنة لأنواع التوربينات الغازية المستمدة من الطائرات أثناء مرحلة التطوير التكنولوجي عادةً السبائك الفائقة والطلاءات الوقائية لتحسين مقاومة درجات الحرارة، وتطبق تقنية التبريد الهوائي المتقدمة وتقنية الاحتراق المنخفضة للتلوث؛ تصل درجة الحرارة الأولية قبل التوربين إلى 1400 درجة °C، يمكن أن تصل القوة إلى 40-50 ميجاوات، يتجاوز كفاءة الطاقة للوحدة الواحدة 40٪، ويمكن أن تصل كفاءة الدورة المركبة إلى 60٪؛ يتم استخدام نظام تحكم إلكتروني رقمي، وقد تحسنت دقة التحكم وأداء التحكم بشكل ملحوظ.

تطبيق الدورات المتقدمة

مع زيادة المتطلبات الخاصة بالأداء العالي للمحركات الغازية المستمدة من تقنية الطائرات، خاصة استهلاك الوقود، قوة الإخراج والمؤشرات الأخرى، حصلت الدورات المتقدمة للمحركات الغازية المستمدة على تطبيق هندسي واسع الانتشار. إضافة دورة تبريد وسيط أو استرداد الحرارة التبريدية الوسيطة إلى دورة المحرك الغازي يمكن أن تحسن بشكل كبير قوة الإخراج وأداء التشغيل في الظروف المنخفضة للمحرك الغازي المستمد. على سبيل المثال، يصل مستوى القوة لمحرك LMS100 الغازي ذو التبريد الوسيطي إلى 100 ميجاوات وكفاءته تصل إلى 46%. الكفاءة الحرارية لمحرك WR21 الغازي ذي التبريد الوسيطي باسترداد الحرارة تكون أعلى بكثير في ظروف التشغيل المنخفضة مقارنة بدورة المحرك الغازي البسيطة. كقوة سفن، فإنه يعزز بشكل كبير اقتصادية السفينة ونصف قطر القتال.

تم زيادة قدرة الطاقة الإخراجية بشكل كبير للمحركات الغازية المتقدمة ذات الدورة المبردة أو دورة استرداد الحرارة المبردة، كما تم تحسين الكفاءة الحرارية في جميع الظروف التشغيلية. على سبيل المثال، يمكن أن يصل مستوى القوة إلى 100 ميجاوات، وأن تكون الكفاءة الحرارية عند نقطة التصميم高达 46٪؛ وقد تحسن الأداء في ظروف التشغيل المنخفضة بشكل ملحوظ، حيث يمكن أن تصل الكفاءة الحرارية إلى 40٪ تحت حمل بنسبة 50٪؛ تعمل التقنية المبردة على تقليل القوة النوعية للمضاغط العالي الضغط، ويمكن أن يصل نسبة الضغط في تصميم الجهاز بأكمله إلى أكثر من 40.

نموذج تطوير التكنولوجيا

عند النظر إلى تاريخ التطوير، فإن المحركات الغازية المشتقة من الطائرات لديها نماذج تطوير تقني مثل التطوير العائلي، التطوير المتسلسل، اعتماد تقنية الدورة المتقدمة وتطبيق نمط الدورة المركبة.

التطوير العائلي

التطوير الجينولوجي هو تطوير توربينات غازية من أنواع مختلفة ومستويات قوة متنوعة بناءً على نفس محرك الطائرة، مما يعكس بشكل كامل خصائص توربينات الغاز المشتقة من الطيران: "آلة واحدة كأساس، لتلبية استخدامات متعددة، توفير الدورات، تقليل التكاليف، اشتقاق أنواع متعددة، وتشكيل طيف."

باستخدام محرك الطائرة CF6-80C2 كمثال، فإن توربين الغاز LM6000 يستخدم مباشرة المحرك الأساسي لـ CF6-80C2 ويحافظ على أعلى درجات المرونة في التوربين المنخفض الضغط؛ أما LMS100 فإنه يرث تقنية المحرك الأساسي لـ CF6-80C2، ويجمع بين تقنية التوربينات الثقيلة من فئة F وتقنية التبريد بين المراحل، ولديه قدرة 100 ميجاوات؛ بينما MS9001G/H يعتمد بشكل كامل على التقنية الناضجة لمحرك الطائرة CF6-80C2، ومن خلال دمجها مع تقنية التوربينات الثقيلة، تم رفع درجة الحرارة قبل التوربين من 1287 ℃ لدرجة حرارة فئة F إلى 1430 ℃ , ويصل الإنتاج إلى 282 ميجاوات. لقد مكن النجاح في تطوير الثلاثة أنواع منturbojets التطوير المستند إلى الطيران لمحرك الطائرة CF6-80C2 من تحقيق "آلة واحدة بأنواع متعددة، وتطوير turbojets بأنواع وقوى مختلفة".

التطوير المتسلسل

التطوير المتسلسل هو ترقية وتحسين مستمر، لتحسين الأداء وتقليل الانبعاثات بناءً على نجاح محرك الغاز، وذلك بهدف تحقيق التطوير المتسلسل للمحركات النفاثة المستمدة من الطائرات، حيث يعتبر سلسلة LM2500 الأكثر تمثيلاً، كما هو موضح في الشكل 2. يستخدم محرك الغاز LM2500 المحرك الأساسي TF39/CF6-6، ويغير توربين الضغط المنخفض للمحرك الأساسي إلى توربين قوة؛ بينما يضيف محرك الغاز LM2500+ مرحلة واحدة أمام ضاغط محرك الغاز LM2500 لتحسين تدفق كتلة الهواء وقوة الإخراج؛ أما محرك الغاز LM2500+G4 فيزيد من معدل تدفق هواء التوربين عن طريق تحسين شكل شفرات الضاغط وزيادة مساحة فم التوربين بناءً على LM2500+ لتحقيق هدف تحسين مستمر للطاقة الإخراجية. مع التطوير المتسلسل لـ LM2500، يتم ترقية وتحسين المنتج باستمرار، ليتراوح نطاق القوة بين 20 إلى 35 ميجاوات، ويتجاوز عدد الوحدات عالميًا 1,000 وحدة، مما يجعله النموذج الأكثر استخدامًا حتى الآن.

بسبب صعوبة التطوير والإنتاج، يعتبر التطور المتسلسل المستند إلى غلاية الغاز الناجحة نموذجًا تقنيًا مهمًا لتطوير غلايات الغاز المستمدة من الطائرات، وهو يهدف إلى تحسين الأداء بشكل مستمر وتقليل الانبعاثات. يشبه تطوير السلسلة لغلايات الغاز المستمدة من الطائرات التطوير العائلي، حيث يمكنه ليس فقط اختصار دورة التطوير، ولكن أيضًا ضمان موثوقية وتطور أفضل، مع تقليل كبير في تكاليف التصميم والتطوير والاختبار والتصنيع.

كفاءة

إن هدف تحسين الكفاءة هو تحسين أداء الجهاز بالكامل باستمرار، وخاصة قوة الإخراج الكلي وكفاءة الحرارة تحت جميع الظروف التشغيلية. وأهم الوسائل هي كما يلي.

واحد هو تطبيق الدورات المتقدمة. يمكن لتطبيق الدورات المتقدمة تحسين أداء التوربينات الغازية المستمدة من تقنيات الطيران بشكل مستمر، مثل دورة إعادة التسخين، ودورة إعادة حقن البخار، ودورة الاسترداد الكيميائي، ودورة الهواء الرطب، ودورة التوربين المتقدم مع الهواء الرطب المتسلسل، ودورة كالينا وما إلى ذلك. بعد تطبيق الدورة المتقدمة، لن يتحسن أداء وحدة التوربين الغازي المستمد فقط، ولكن سيعزز أيضًا قدرة الوحدة بأكملها وكفاءتها الحرارية بشكل ملحوظ، وسيتم تقليل انبعاثات أكسيد النيتروجين بشكل كبير.

الثاني هو تصميم مكونات كفاءة عالية. يركز تصميم المكونات ذات الكفاءة العالية على تصميم ضاغط عالي الكفاءة وتصميم توربين عالي الكفاءة. سيستمر تصميم الضاغط ذي الكفاءة العالية في التغلب على الصعوبات الفنية المتعلقة بالسرعة العالية والكفاءة العالية والسرعة المنخفضة وحدود الاندفاع العالي التي تواجه الضواغط. كما هو موضح في الشكل 3، سيستمر تصميم التوربينات في التطور في اتجاه الكفاءة العالية، ومرونة درجات الحرارة العالية، وطول العمر.

الثالث هو تصميم أنظمة الهواء الكفؤة. تشمل اتجاهات التطوير الفني لأنظمة الهواء الكفؤة تطوير تقنيات إغلاق كفؤة مقاومة للتسرب والارتداء، مثل أختام الشمعة، وأختام الأوراق الرقيقة، وأختام الفرشاة والأختام المدمجة؛ تقنيات تصميم تقليل السحب الكفؤة لتحسين أداء تدفق الهواء، مثل تصميم تقليل السحب لإزالة الدوامة وتصميم التحكم في التدفق الكفؤ؛ تقنيات التصميم المسبق للدوامة المتقدمة لتحسين كفاءة الدوامة المسبقة بشكل أكبر، مثل تصميم فتحات الدوامة المسبقة الديناميكية وتصميم فتحات الدوامة المسبقة المتدرجة؛ طرق تحليل كمية عدم اليقين التي يمكن أن تحسن متانة وموثوقية أنظمة الهواء، وما إلى ذلك.

خاتمة

تُستخدم توربينات الغاز المستمدة من الطائرات على نطاق واسع في قوة السفن، إنتاج الكهرباء، نقل الحركة الميكانيكية، المنصات النفطية البحرية، قوة الدبابات والطاقة الموزعة بسبب مدى قوتها الواسع، وكفاءتها الحرارية العالية، ومرونتها الجيدة، وطول عمرها وموثوقيتها العالية. مع التطور السريع لتقنية محركات الطيران واستخدام التصاميم والتكنولوجيات الجديدة باستمرار، ستنمو توربينات الغاز المستمدة من الطائرات بسرعة في اتجاه الكفاءة العالية، التحول إلى انبعاثات كربونية منخفضة، جودة جديدة والذكاء الرقمي. ستتحقق أيضًا تقدمات كبيرة في تقنية تصميم وتصنيع توربينات الغاز المستمدة من الطائرات، مما يؤدي تدريجيًا إلى تحسين الأداء من حيث الاقتصاد، انبعاثات التلوث المنخفضة، الموثوقية والقابلية للصيانة، وسيكون من المؤكد أن آفاق التطبيق ستكون أوسع.