Vývoj technologie derivátních plynových turbín

Ovlivněno politickými, vojenskými a ekonomickými faktory, je vývoj technologie letadlových motorů rychlejší než u plynových turbin. Plynové turbiny a letadlové motory mají široké spektrum technických společností, které lze sdílet v návrhových systémech, výrobních systémech, systémech talentů a testovacích systémech. Proto, založeno na obrovské tržní poptávce a zřejmých aplikacích výhod plynových turbin, se stalo průmyslovou konzencí vyvíjet plynové turbiny na základě vysokovýkonných, dospělých letadlových motorů a pokročilých průmyslových technologií a metod návrhu. Existují dvě cesty pro přenos technologie letadlových motorů do plynových turbin, jak je znázorněno na obrázku 1: jedna je přímá modifikace a derivace dospělých letadlových motorů za účelem tvorby derivovaných plynových turbin; druhá je transplantace technologie letadlových motorů do těžkých plynových turbin a výzkum a vývoj nové generace těžkých plynových turbin.

Vývojová historie derivovaných plynových turbin

Spolu s rozvojem technologie leteckých motorů a aplikací pokročilé cyklové technologie prošel vývojový proces techniky derivovaných plynových turbin etapou technologického průzkumu, etapou vývoje technologie a etapou aplikace pokročilého cyklu, čímž byl realizován vývoj derivovaných plynových turbin od jednoduché úpravy k optimalizovanému návrhu vysokovýkonnostního jádra, od jednoduchého cyklu ke složitému cyklu, od dědičnosti zralého systému návrhu a materiálového systému leteckých motorů k návrhu nových součástí a aplikaci nových materiálů, což umožnilo dosáhnout významného rozvoje ve výkonu, spolehlivosti a životnosti derivovaných plynových turbin.

Etapa technologického průzkumu

V roce 1943 byl úspěšně vyvinut světový první aeroderivátní plynový turbine. Poté navrhli společnosti Rolls-Royce, GE a Pratt & Whitney první sérii aeroderivátních plynových turbin na základě úprav dospělých leteckých motorů, včetně průmyslové Avon, průmyslové Olympus, Spey plynové turbiny, LM1500 a FT4. V této fázi byla technologie aeroderivátních plynových turbin v období zkoumání. Struktura přímo zdědila jádro leteckého motoru a výkon byl dosažen přidáním vhodné sílové turbiny; celkový výkon stroje nebyl vysoký a cyklická efektivita byla obecně méně než 30 %; počáteční teplota před turbínou byla méně než 1000 ℃ , a poměr tlaku byl 4 do 10; kompresor byl obecně podzvukový; lopatky turbíny používaly jednoduchou technologii vzduchového chlazení; materiál, který byl použit, byl počáteční vysokoteplotná slitina; řídící systém obecně používal mechanický hydraulický nebo analogový elektronický regulací systém.

Fáze vývoje technologie

S dospělým využíváním leteckých motorů byly poskytnuty vysokorychlostní, spolehlivé mateřské stroje a pokročilé návrhové technologie pro rychlý rozvoj derivovaných plynových turbin. Zároveň požadavky na pokročilé derivované plynové turbiny ze strany námořnictev Spojeného království, USA a dalších zemí poskytly široké aplikací procházet, což umožnilo derivovaným plynovým turbinám rychle se vyvíjet a významně zlepšit jejich výkon. Byla spuštěna řada derivovaných plynových turbin s vynikajícími vlastnostmi a vysokou spolehlivostí, jako jsou sériové LM2500, průmyslové Trent, FT4000 a MT30, které jsou široce používány v lodním pohonu, výrobě elektrické energie a dalších oblastech.

Komponenty horkého koncového úseku aeroderivátních plynových turbin ve stadiu technologického vývoje obvykle používají super slitiny a ochranné nátěry pro zvýšení odolnosti vůči teplotě a aplikují pokročilou vzduchovou chlazení a technologii spalování s nízkou emisí znečišťujících látek; počáteční teplota před turbínou dosahuje 1400 ° °C, výkon může být 40-50 MW, tepelná efektivita jednotky přesahuje 40 % a efektivita kombinovaného cyklu může dosáhnout 60 %; je použit systém digitální elektronické kontroly, přičemž přesnost a výkon řízení byly významně zlepšeny.

Aplikujte pokročilé cykly

S rostoucími požadavky na vysoký výkon aeroderivátních plynových turbín, zejména spotřeby paliva, výstupního výkonu a dalších ukazatelů, získaly pokročilé cykly aeroderivátních plynových turbín rozsáhlou inženýrskou praxi. Přidáním interchladění nebo cyklu s návratem tepla do termálního cyklu plynové turbíny lze významně zlepšit výstupní výkon a výkonnost při nízkých běžných podmínkách aeroderivátní plynové turbíny. Například úroveň výkonu LMS100 interchladěné plynové turbíny dosahuje 100 MW a její efektivita je až 46 %. Termální efektivita WR21 interchladěné recuperativní plynové turbíny při nízkých běžných podmínkách je mnohem vyšší než u jednoduchého cyklu plynové turbíny. Jako lodní pohon výrazně zvyšuje hospodárnost lodě a její bojový poloměr.

Výstupní výkon pokročilých cyklických aeroderivátních plynových turbín s využitím interchladění nebo cyklů s návratem tepla byl významně zvýšen, a toto se projevilo také zlepšením tepelné účinnosti ve všech provozních režimech. Například může být úroveň výkonu 100 MW, a tepelná účinnost v bodě návrhu dosahuje až 46%; výkonnost při nižším zatížení byla významně zlepšena, tepelná účinnost může dosahovat 40% u zatížení 50%; interchladění snižuje specifický výkon vysoko tlakového kompresoru a celkové tlakové poměry stroje mohou dosahovat více než 40.

Model technologického rozvoje

Pokud se podíváme na historii rozvoje, aeroderivátní plynové turbíny mají technologické modely rozvoje jako rodokmenový rozvoj, sériový rozvoj, využití pokročilých cyklických technologií a aplikaci kombinovaného cyklu.

Rodokmenový rozvoj

Genealogický vývoj je vývojem plynových turbín různých typů a výkonů založených na stejném leteckém motoru, což plně odrazuje charakteristiky plynových turbín odvozených z letectví: "jeden stroj jako základ, splňující více účelů, ušetření cyklu, snížení nákladů, odvození více typů a tvorba spektra."

Příkladem je letecký motor CF6-80C2, kde plynová turbína LM6000 přímo používá jádro motoru CF6-80C2 a zachovává maximální univerzálnost nízkoštěpné turbíny; LMS100 zdědilo technologii jádra motoru CF6-80C2, kombinuje technologii těžkých plynových turbín třídy F a mezikonzervaci a má výkon 100 MW; MS9001G/H úplně využívá dospělou technologii leteckého motoru CF6-80C2 a kombinací s technologiemi těžkých plynových turbín se zvýší teplota před turbínou z 1287 ℃ třídy F na 1430 ℃ , a výkon dosahuje 282 MW. Úspěšný vývoj tří typů plynových turbín umožnil vývoj letadlového motoru CF6-80C2 na základě aviac尼 technologie dosáhnout "jedna mašina, více typů, vývoj různých typů a výkonů plynových turbín".

Sériový vývoj

Vývoj sériově vychází z neustálého upgradování a vylepšování, zlepšování výkonu a snižování emisí na základě úspěšné plynové turbiny, aby bylo dosaženo sériového vývoje plynových turbin odvozených od letadelních motorů. Mezi nimi je série LM2500 nejtypičtější, jak je znázorněno na obrázku 2. Plynová turbina LM2500 používá jádro mateřského motoru TF39/CF6-6 a nahradila nízkonápravní turbINU mateřského motoru energetickou turbínou; u plynové turbíny LM2500+ byla přidána jedna stupně před kompresorem plynové turbíny LM2500, aby se zvýšil proud hmotnosti vzduchu a výstupní výkon; LM2500+G4 zvyšuje průtok vzduchu plynové turbíny zdokonalením profilu listů kompresoru a rozšířením plochy průchodového krku turbíny na základě LM2500+, aby dosáhlo cíle neustálého zvyšování výstupního výkonu. Sériovým vývojem LM2500 je produkt neustále upgradován a vylepšován, s rozsahem výkonů 20 až 35 MW, a počet zařízení po celém světě přesáhl 1000 kusů, čímž se stalo tímto modelem nejpoužívanějším dodnes.

Z důvodu obtížnosti vývoje a výroby je sériový vývoj založený na úspěšném plynovém turbíně důležitým technickým vývojovým modelem pro deriváty leteckých plynových turbin, který spočívá v průběžném upgradingu a vylepšování, zvyšování výkonu a snižování emisí. Sériový vývoj derivátů leteckých plynových turbin je podobný rodokmenu vývoje, což nejen zkracuje vývojový cyklus, ale také zajišťuje lepší spolehlivost a pokročilost a významně snižuje náklady na návrh, vývoj, testování a výrobu.

Efektivita

Cílem zvýšení efektivity je neustálé vylepšování výkonnosti celého stroje, zejména výstupního výkonu celého stroje a tepelné účinnosti při všech provozních podmínkách. Hlavními způsoby jsou následující.

Jednou z aplikací jsou pokročilé cykly. Použití pokročilých cyklů může neustále vylepšovat výkon aeroderivátních plynových turbin, jako jsou cykly s přetopem, cyklus se znovuzařekáním páry, chemický regenerační cyklus, vlhký vzduchový cyklus, sériový vlhký vzduchový pokročilý turbínový cyklus a Kalina cyklus atd. Poté, co je aplikován pokročilý cyklus, se nejen vylepší výkon jednotky aeroderivátní plynové turbine, ale také výkon a tepelná účinnost celé jednotky bude významně zvýšena a emise oxidu dvojnatříku bude významně snížena.

Druhá je vysokě účinný návrh komponentů. Návrh vysokě účinných komponentů se soustředí na vysokě účinný návrh kompresoru a vysokě účinný návrh turbíny. Vysokě účinný návrh kompresoru bude nadále překonávat technické obtíže spojené s vysokou rychlostí a vysokou účinností, stejně jako s nízkou rychlostí a silným proudovým hranicím čelícím kompresorům. Jak je znázorněno na obrázku 3, návrh turbín se bude dále vyvíjet ve směru vysoké účinnosti, odolnosti vysokým teplotám a dlouhé životnosti.

Třetí je návrh efektivních vzduchových systémů. Technické vývojové směry efektivních vzduchových systémů zahrnují vývoj technologií uzavíracích prvků s nízkou průtokovou ztrátou, odolných proti opotřebení a efektivních, jako jsou včelí uzavírání, tenkolisté uzavírání, kartáčové uzavírání a kombinované uzavírání; efektivní technologie snižování odporu pro zlepšení výkonu vzduchového toku, jako je návrh na snížení odporu při odstranění víření a řízený návrh pro efektivní proudění; pokročilé technologie předvíchového návrhu pro dále zvyšování efektivity předvíchování, jako je aerodynamický návrh předvíchovacích děr a kaskádový návrh předvíchovacích děr; metody kvantifikace nejistot, které mohou zvýšit spolehlivost a odolnost vzduchových systémů atd.

Závěr

Gazové turbíny odvozené od letadel jsou široce využívány v lodním pohonu, elektrické energii, mechanickém přenosu, naftových plošinách v oceánech, nádržním pohonu a distribuované energetice díky širokému rozsahu výkonu, vysoké tepelné účinnosti, dobré manévrovatelnosti, dlouhé životnosti a vysoké spolehlivosti. S rychlým rozvojem technologie leteckých motorů a s postupným používáním nových návrhů a technologií se budou gazové turbíny odvozené od letadel rychle vyvíjet ve směru vysoké účinnosti, nízké karbonizace, nové kvality a digitální inteligence. Návrhová a výrobní technologie těchto turbin také udělá velký pokrok, postupně se zlepší v oblastech ekonomiky, nízkých emisí znečištění, spolehlivosti a udržitelnosti, a jejich aplikace budou nevyhnutelně širší.