Udvikling af Aero-Derivative Gas Turbine Teknologi

Påvirket af politiske, militære og økonomiske faktorer, er udviklingen af flymotor teknologi hurtigere end den af gasturbiner. Gasturbiner og flymotorer har en bred vifte af tekniske fælleskaber og kan deles i designsystemer, produktionssystemer, talentsystemer og testsystemer. Derfor, baseret på den store markedsbehov og klare anvendelsesfordel af gasturbiner, er det blevet en branchekonsensus at udvikle gasturbiner baseret på højydende, modne flymotorer og avancerede industrielle teknologier og designmetoder. Der findes to måder at overføre flymotor teknologi til gasturbiner, som vist i figur 1: én er at direkte ændre og aflede modne flymotorer for at danne aeroafledte gasturbiner; den anden er at transplantere flymotor teknologi til tunge gasturbiner og udvikle en ny generation af tunge gasturbiner.

Udviklingshistorie af aeroafledte gasturbiner

Med udviklingen af flymotor teknologi og anvendelsen af avanceret cyklus teknologi har den tekniske udviklingsproces for aero-dérivater af gasturbiner gennemgået en teknologisk udforskningsfase, en teknologisk udviklingsfase og en fase med anvendelse af avancerede cykluser. Dette har ført til udviklingen af aero-dérivater af gasturbiner fra enkel ændring til højydelsesoptimering af kerne-motor design, fra simpel cyklus til kompleks cyklus-anvendelse, fra arvet af det modne designsystem og materiale-system af flymotorer til design af nye komponenter og anvendelse af nye materialer, hvilket har muliggjort betydelig udvikling af designniveauet, ydeevne, pålidelighed og livslængde af aero-dérivater af gasturbiner.

Teknologisk udforskningsfase

I 1943 blev verdenens første aero-derivat gas turbine udviklet med succes. Efter det designede Rolls-Royce, GE og Pratt & Whitney den første serie af aero-derivaterede gasturbiner baseret på modne flymotorændringer, herunder industrielle Avon, industrielle Olympus, Spey gasturbiner, LM1500 og FT4. På dette tidspunkt var teknologien for aero-derivaterte gasturbiner i en udforskningsperiode. Strukturen arvede direkte kernen fra flymotoren, og outputtet opnås ved at udstyre med en passende kraftturbine; den samlede ydelse af maskinen var ikke høj, og cyklus-effektiviteten var generelt mindre end 30%; den indledelige temperatur før turbinen var mindre end 1000 ℃ , og trykforholdet var 4 til 10; kompressoren var generelt subsonisk; turbinebladene brugte enkel luftøjlings teknologi; materialet, der blev brugt, var den første højtemperatursalloy; styresystemet brugte generelt et mekanisk hydraulisk eller analog elektronisk justeringssystem.

Teknologiudviklingsfase

Med den modne applikation af flymotorer er højydende, højtilfælighedsforældre maskiner og avancerede designteknologier blevet tilbudt for den hurtige udvikling af aeroafledte gasturbiner. Samtidig har kravene til avancerede aeroafledte gasturbiner fra marinekorerne i Storbritannien, USA og andre lande også tilbudt en bred anvendelsesplatform, hvilket har gjort det muligt for aeroafledte gasturbiner at udvikle sig hurtigt og betydeligt forbedre deres ydelse. En række aeroafledte gasturbiner med god ydelse og høj tilfælighed er blevet lanceret. Såsom LM2500-serien, industrielle Trent, FT4000 og MT30 osv., bruges vidt om i skibsfremdrivning, elektricitetsproduktion og andre områder.

De varme slutter af aero-derivaterede gas-turbiner i teknologisk udviklingsfase bruger normalt superlegemer og beskyttende coatings for at forbedre temperaturmodstand, og anvender avanceret luftkjølingsteknologi og lav-forureningens brændstofteknologi; den indledende temperatur før turbinen når 1400 ° C, kraften kan nå 40-50MW, den termiske effektivitet af en enkelt enhed overskrider 40%, og den kombinerede cyklus effektivitet kan nå 60%; der bruges et digitalt elektronisk kontrolsystem, og kontrollens nøjagtighed og ydelse er blevet betydeligt forbedret.

Anvend avancerede cykluser

Med hensyn til kravene om høj ydelse for aeroderivat gas turbine, især brændstofsforbrug, outputmagt og andre indikatorer, stiger avancerede cyklus aeroderivat gas turbine i bred teknisk praksis. Ved at tilføje en intercooling eller intercooled varmeegenoptagningscyklus på baggrund af gas turbine varmecyklen kan outputmagten og ydeevnen under lav driftsignifikant forbedres for aeroderivat gas turbine. For eksempel når magtniveauet for LMS100 intercooled gas turbine 100MW, og effektiviteten er så høj som 46%. Termisk effektivitet for WR21 inter-cooling recuperation gas turbine under lav drift er meget højere end en simpel cyklus gas turbine. Som skibsmagt forbedrer det betydeligt skibets økonomi og slagbredde.

Udgangs effekten af avancerede cyklus aeroderivater gas-turbiner, der bruger interkjøling eller interkjølede varmeoptholdelsescykler, er blevet meget forøget, og termisk effektivitet under alle driftstilstande er blevet forbedret. For eksempel kan effektniveauet nå 100MW, og termisk effektivitet ved designpunktet er så høj som 46%; ydelsen under lav drift har været betydeligt forbedret; Termisk effektivitet kan nå 40% under 50% belastning; Interkjøling reducerer den specifikke effekt af højtrykskompressoren, og designtrykforholdet for hele maskinen kan nå over 40.

Teknologisk udviklingsmodel

Ved at se på udviklingshistorikken har aeroderivater gas-turbiner tekniske udviklingsmodeller som stamtræets udvikling, serieudvikling, indførelse af avancerede cyklusteknologier og anvendelse af kombineret cykleregenskaber.

Stamtræets udvikling

Genealogisk udvikling er udviklingen af gasturbiner af forskellige typer og styrke niveauer baseret på den samme flymotor, hvilket fuldt ud afspejler karakteristikkerne for luftfartsdrevne gasturbiner: "en maskine som grundlag, opfylder flere brug, sparer cykler, reducerer omkostninger, giver anledning til flere typer, og danner et spektrum."

Ved at tage CF6-80C2-flymotor som eksempel, bruger LM6000-gasturbinen direkte kernen af CF6-80C2 og beholder maksimal fleksibilitet i den lavtryks turbine; LMS100 arver kernteknologien fra CF6-80C2, kombinerer F-klasse tungt byggede gasturbineteknologi og intercoolingsteknologi og har en effekt på 100MW; MS9001G/H anvender fuldt ud den modne teknologi fra CF6-80C2-flymotor, og ved kombination med tungt byggede gasturbineteknologi øges temperaturen før turbinen fra 1287 ℃ for F-klasse til 1430 ℃ , og effekten når 282MW. Den succesfulde udvikling af de tre typer gas turbine har gjort det muligt at opnå "en maskine med flere typer, udvikling af forskellige typer og styrker af gas turbines" inden for luftfart baseret på udviklingen af CF6-80C2 flymotor.

Serieudvikling

Den serielle udvikling indebærer at konstant opgradere og forbedre, forbedre ydeevne og reducere emissioner på baggrund af en vellykket gasturbine, således at der opnås seriel udvikling af aeroafledte gasturbiner, hvoraf LM2500-serien er den mest typiske, som vist i figur 2. LM2500-gasturbinen bruger hovedmotorens kerneturbine TF39/CF6-6, og ændrer hovedmotorens lavtryks-turbine til en kraftturbine; LM2500+-gasturbinen tilføjer et trin foran kompressoren på LM2500-gasturbinen for at forbedre luftmassestrømmen og outputtet; LM2500+G4 øger gasturbinens luftstrøm ved at forbedre kompressorbladernes profil og øge turbinhalsens areal på baggrund af LM2500+, for at opnå formålet med kontinuerlig forbedring af outputtet. Med den seriel udvikling af LM2500 bliver produktet konstant opgraderet og forbedret, med en effektområde på 20 til 35MW, og antallet af enheder verden over overstiger 1.000, hvilket gør det til den mest udbredte model indtil videre.

På grund af vanskeligheden ved udvikling og produktion er serieludviklingen baseret på den succesfulde gasturbine et vigtigt teknisk udviklingsmodel for aeroafledte gasturbiner, hvilket indebærer at konstant opgradere og forbedre, forbedre ydeevne og reducere emissioner. Serieludviklingen af aeroafledte gasturbiner ligner slægtskabsudviklingen, hvilket ikke kun kan forkorte udviklingscyklen, men også sikre bedre pålidelighed og fremgang, og betydeligt reducere design-, udviklings-, test- og produktionsomkostningerne.

Effektivitet

Målet med effektivitetsforbedring er at konstant forbedre ydeevnen af hele maskinen, særlig hele maskinens udgangsistung og termisk effektivitet under alle driftstilstande. De hovedsaglige metoder er følgende.

En er anvendelsen af avancerede cykluser. Anvendelsen af avancerede cykluser kan forbedre ydeevne af aeroderivat gaskraftværker kontinuerligt, såsom genopvarmingscyclus, dampgenindskudscyclus, kemisk genopvarmningscyclus, mættet luftcyclus, serie-mættet-luft-avanceret turbin-cyclus og Kalina-cyclus osv. Efter anvendelse af den avancerede cyklus vil ikke kun ydeevnen på enheden for aeroderivat gaskraftværk blive forbedret, men også effekten og termisk effektivitet for hele enheden vil blive betydeligt forbedret, og udledningen af stikstofoxid vil blive markant reduceret.

Den anden er høj-effektiv komponentdesign. Høj-effektiv komponentdesign fokuserer på høj-effektiv kompressor design og høj-effektiv turbine design. Høj-effektiv kompressor design vil fortsat overvinde de tekniske vanskeligheder med høj hastighed og høj effektivitet samt lav hastighed og høj surge-grænse, som kompressorer står overfor. Som vist i figur 3, vil designet af turbiner fortsat udvikle sig i retningen af høj effektivitet, høj temperaturmodstand og lang levetid.

Den tredje er design af effektive luftsystemer. De tekniske udviklingsretninger for effektive luftsystemer omfatter udviklingen af lavtætsige, slipmodstandskræftige og effektive sigilleringsteknologier, såsom honningrør-sigiller, tyndbladet-sigiller, børstesigiller og kombinerede sigiller; effektive træthedsnedsættelsesdesignteknologier for at forbedre luftstrømnytten, såsom de-swirl-træthedsnedsættelsesdesign og strømnings-effektiv kontrollerbart design; avancerede pre-swirl-designteknologier for yderligere at forbedre pre-swirl-efterligningen, såsom aerodynamisk pre-swirl-huldesign og kaskade-pre-swirl-huldesign; usikkerhedskvantificeringsanalysemetoder, der kan forbedre robustheden og pålideligheden af luftsystemer osv.

Konklusion

Aero-afledte gas turbine bruges vidt om i skibskraft, elektricitet, mekanisk transmission, offshore olieplatforme, tankkraft og fordelt energi på grund af deres brede kapacitetsomfang, høj termisk effektivitet, gode manøvreringsevne, lang levetid og høj pålidelighed. Med den hurtige udvikling af luftfartsmaskinteknologi og den kontinuerlige anvendelse af nye design og teknologier vil aero-afledte gas turbine udvikle sig hurtigt i retning af høj effektivitet, lav karbonisering, ny kvalitet og digital intelligens. Design og produktionsteknologi for aero-afledte gas turbine vil også gøre store fremskridt, gradvist forbedre sig med hensyn til økonomi, lave forureningsemissoner, pålidelighed og vedligeholdbarhed, og udsigterne for anvendelse vil uundgåeligt blive bredere.