Развитие на технологията на аеродеривативните газови турбини

Под влияние на политически, военни и икономически фактори, развитието на технологията за авионни двигатели е по-бързо от това на газовите турбини. Газовите турбини и авионните двигатели имат широк спектър от технически общности и могат да се споделят в проектиране на системи, производствени системи, системи с таланти и тестови системи. Следователно, базирано на огромното пазарно изискване и очевидните приложими предимства на газовите турбини, стана индустриална консенсус да се развиват газови турбини, базирани на високопроизводителни, зрелизи авионни двигатели и напреднали индустриални технологии и методи на проектиране. Има два начина за прехвърляне на технологията на авионните двигатели към газовите турбини, както е показано на фигура 1: единият е директното модифициране и произход на зрелизи авионни двигатели, което формира авио-производни газови турбини; другият е трансплантирането на технологията на авионните двигатели към тежки газови турбини и разработването на ново поколение тежки газови турбини.

История на развитието на авио-производни газови турбини

Във връзка с развитието на технологията за авиен двигател и приложението на напреднала циклова технология, техническият процес на развитие на газовите турбини, изведени от авиен двигател, е минавал през стадията на технологическо проучване, стадията на технологично развитие и стадията на приложение на напреднали цикли, осъществявайки развитие на газовите турбини, изведени от авиен двигател, от прост модифициране до оптимизирано проектиране на високопроизводителни основни двигатели, от прост цикъл до приложение на комплексни цикли, от наследяване на зрелата конструктивна система и материална система на авиен двигател до проектиране на нови компоненти и приложение на нови материали, което е позволило на нивото на проектиране, производителността, надеждността и срока на служба на газовите турбини, изведени от авиен двигател, да постигнат значително развитие.

Стадия на технологическо проучване

В 1943 г. беше успешно разработен първият в света аеродеривативен газов турбинен двигател. След това компании като Rolls-Royce, GE и Pratt & Whitney проектираха първата серия аеродеривативни газови турбини, базирани на модификации на зрелищи самолетни двигатели, включително индустриалния Avon, индустриалния Olympus, Spey газови турбини, LM1500 и FT4. На този етап технологията на аеродеривативните газови турбини беше в експериментален период. Структурата пряко наследяваше ядрото на самолетния двигател, а мощността се постигаше чрез оборудването с подходяща сила турбина; общото изпълнение на машината не беше високо, а цикличната ефективност обикновено беше под 30%; началната температура преди турбината беше под 1000 ℃ , а отношението на даванието беше 4 до 10; компресорът беше общо подсоничен; лопастите на турбината използваха проста технология за въздушно охлаждане; материалът, използван, беше първоначалният високотемпературен сплав; системата за управление общо взето използваше механична хидраулна или аналого elektronna система за регулиране.

Етап на развитие на технологията

Със зреялото прилагане на авиационни двигатели, са предоставени високопроизводителни и надеждни матерински машини, както и напреднали технологии за проектиране, които подпомагат бързото развитие на газовите турбини, използвани в авиацията. Едновременно това е предложило широка apliкационна сцена, благодарение на заявктата на високоразвити газови турбини от морските сили на Великобритания, САЩ и други страни, което е позволило на тези турбини да се развиват бързо и значително да подобрят своята производителност. След това са започнали да се произвеждат серийни газови турбини с добри характеристики и висока надеждност, като например серия LM2500, индустриален Trent, FT4000 и MT30, които се използват широко в корабната енергетика, производството на електричество и други области.

Компонентите на горещата част на аеродеривативните газови турбини в стадията на технологично развитие обикновено използват супералои и защитни покрития, за да подобрят устойчивостта към температурата, и прилагат moden въздушен охлаждан отехнология и технология за горене с ниски емисии; първоначалната температура преди турбина достига 1400 ° °C, мощността може да достигне 40-50 МВт, термичната ефективност на единична установка надхвърля 40%, а ефективността на комбиниран цикъл може да достигне 60%; се използва цифрова електронна система за управление, а точността и характеристиките на управлението са значително подобрени.

Прилагайте moden цикли

С увеличаването на изискванията за висока производителност на газовите турбини с аеродеривативен принцип, особено във връзка с разхода на гориво, изходната мощност и други показатели, продвинатите цикли на аеродеривативните газови турбини получиха широко инженерно приложение. Добавянето на интеркулация или цикъл за възстановяване на топлина върху термичния цикъл на газовата турбина може значително да подобри изходната мощност и производителността при ниски оперативни условия на аеродеривативната газова турбина. Например, нивото на мощността на интеркулираната газова турбина LMS100 достига 100 МВт, а ефективността е до 46%. Термичната ефективност на WR21 интеркулирана рекуперативна газова турбина при ниски оперативни условия е много по-висока от тази на проста циклична газова турбина. Като корабен двигател, тя значително подобрява икономичността и боевия радиус на кораба.

Изходната мощност на усъврените цикли на аеродеривативните газови турбини, използващи интеркулация или цикли за възстановяване на топлина с интеркулация, е значително увеличена, като термичната ефективност при всички режими на работа е подобрена. Например, нивото на мощността може да достигне 100 МВт, а термичната ефективност при проектния режим е до 46%; производителността при ниски режими на работа е значително подобрена, термичната ефективност може да достигне 40% при натоварване от 50%; интеркулацията намалява удельната мощност на високотоณежния компресор, а проектното отношение на налягане на цялата машина може да надхвърли 40.

Модел за развитие на технология

Вжеляйки се в историята на развитието, аеродеривативните газови турбини имат технически модели за развитие, като развитие по родословие, серийно развитие, прилагане на усъврен цикъл и приложение на комбиниран режим.

Развитие по родословие

Генеалогичното развитие е развитието на газови турбини от различни типове и мощности, базирани на един и същ авиационен двигател, което напълно отразява характеристиките на авиационно-производните газови турбини: "една машина като основа, изпълняваща множество функции, спестяване на цикли, намаляване на разходите, производство на множество типове и формиране на спектър."

Взимайки CF6-80C2 авиационен двигател като пример, LM6000 газова турбина директно използва ядрото на CF6-80C2 и запазва максималната универсалност на нискотемпературната турбина; LMS100 наследява технологията на ядрото на CF6-80C2, комбинира F-класовата тежка газова турбина и технологията за хладене между стъпките, и има мощност от 100 МВ; MS9001G/H пълноценно прилага дозрелата технология на CF6-80C2 авиационен двигател, и чрез комбиниране с технологията на тежките газови турбини, температурата преди турбината се увеличава от 1287 ℃ до 1430 за F-класа ℃ , а мощността достига 282 МВ. Успешното развитие на трите вида газови турбини позволи авиационното базирано развитие на двигател CF6-80C2 да постигне "една машина с много видове, разработване на различни газови турбини с различна мощност".

Серийно развитие

Развитието на серията е да се продължава с усъвършенстването и подобряването, подобряване на производителността и намаляване на емисиите върху основата на успешен газов турбинен двигател, за да се постигне сериалното развитие на аеродеривативни газови турбини, от които серията LM2500 е най-типична, както е показано на фигура 2. Газовият турбинен двигател LM2500 използва основния двигател TF39/CF6-6 като ядро и променя нискотоносния турбинен стъпка на основния двигател в сила турбина; газовият турбинен двигател LM2500+ добавя един стъпка пред компресора на газовия турбинен двигател LM2500, за да се подобри масовият поток на въздуха и изходната мощност; LM2500+G4 увеличава потока на въздуха през газовата турбина чрез подобряване на профила на лопастите на компресора и увеличаване на площта на турбинния гърлото върху основата на LM2500+, за да се постигне целта за постоянно подобряване на изходната мощност. С развитието на серията LM2500 продукта постоянно се усъвършенства и подобрява, с мощностен диапазон от 20 до 35МВ и броят на устройствата по целия свят надхвърля 1000, което прави модела най-широко използван до днес.

Връзно с трудността при разработването и производството, серийната разработка базирана на успешния газов турбинен мотор е важна техническа модел за развитие на аеродеривативни газови турбini, която включва непрекъснато обновяване и подобряване, подобряване на характеристиките и намаляване на емисиите. Серийното развитие на аеродеривативните газови турбini е подобно на родословното развитие, което не само съкращава циклуса на разработване, но и гарантира по-добра надеждност и напредък, като значително намалява разходите за проектиране, разработване, тестове и производство.

Ефективност

Целта на подобряването на ефективността е непрекъснатото подобряване на характеристиките на цялата машина, особено изходната мощност на цялата машина и термичната ефективност при всички оперативни условия. Основните начини са следните.

Единият е приложението на усъвшените цикли. Приложението на усъвшените цикли може постоянно да подобрява производителността на аеродеривативните газови турбини, като например цикъл с повторно отопляне, цикъл с възстановяване на пара, химически рекуперативен цикъл, мокърен въздушен цикъл, серийен мокърен въздушен усъвшен турбинен цикъл и Калина цикъл и др. След прилагането на усъвшия цикъл не само производителността на аеродеривативната газова турбина ще се подобри, но мощността и термичната ефективност на целия агрегат също ще се подобрят значително, а изпаренията на оксидите на азот ще се намалят значително.

Второто е проектирането на компоненти с висока ефективност. Проектирането на компоненти с висока ефективност се фокусира върху проектирането на компресори и турбини с висока ефективност. Проектирането на компресори с висока ефективност ще продължи да преодолява техническите предизвикателства, свързани с висока скорост и висока ефективност, както и с ниска скорост и граница на високо изпълнение, пред които се намират компресорите. Както е показано на figura 3, проектирането на турбините ще продължи да се развива в посока на висока ефективност, устойчивост при високи температури и дълъг срок на служба.

Третото е проектирането на ефективни въздушни системи. Техническите посоки за развитие на ефективни въздушни системи включват разработване на технологии за създаване на нискоизтечливи, износустойчиви и ефективни пломби, като медовидни пломби, тонкостенни пломби, пломби от щетина и комбинирани пломби; технологии за ефективно намаляване на съпротивлението, които подобряват въздушния поток, като дизайн за намаляване на завъртането и контролируем ефективен дизайн на потока; напреднали технологии за предварително завъртане, които още повече подобряват ефективността на предварителното завъртане, като аеродинамичен дизайн на дупки за предварително завъртане и каскаден дизайн на дупки за предварително завъртане; методи за количествен анализ на неопределеността, които могат да подобрят устойчивостта и надеждността на въздушните системи и т.н.

Заключение

Газовите турбини на аеропромишленен основ са широко използвани в корабен енергетичен, електрически, механичен привод, морски нефтен платформи, танкови енергийни системи и разпределена енергия поради техния широк диапазон на мощността, висока термична ефективност, добри маневреност, дълъг срок на служба и висока надеждност. С бързото развитие на авиационната двигателна технология и непрекъснатото прилагане на нови дизайни и технологии, газовите турбини на аеропромишленен основ ще се развиват бързо в посока към висока ефективност, ниска карбонизация, нови качества и цифрова интелигенция. Дизайнът и производствената технология на газовите турбини на аеропромишленен основ ще направят големи напредъци, постепенно да се подобрят в плана на икономичност, нискозагадващи емисии, надеждност и обезщетряваемост, а перспективите за приложение непременно ще станат пошироко.