Entwicklung der Aero-Derivative Gasturbinentechnologie

Durch politische, militärische und wirtschaftliche Faktoren beeinflusst, entwickelt sich die Technologie von Flugzeugtriebwerken schneller als die von Gasturbinen. Gasturbinen und Flugzeugtriebwerke weisen eine breite Palette an technischen Gemeinsamkeiten auf und können in Design-Systemen, Fertigungssystemen, Fachkräfte-Systemen und Testsystemen gemeinsam genutzt werden. Daher ist es aufgrund der riesigen Marktnachfrage und offensichtlichen Anwendungsvorteile von Gasturbinen zu einer Branchenübereinkunft geworden, Gasturbinen auf Basis leistungsstarker, reifer Flugzeugtriebwerke sowie fortschrittlicher Industrietechnologien und -designmethoden zu entwickeln. Es gibt zwei Wege, um Flugzeugtriebwerks-Technologie auf Gasturbinen überzutragen, wie in Abbildung 1 gezeigt: Einer besteht darin, reife Flugzeugtriebwerke direkt zu modifizieren und abzuleiten, um luftfahrtbezogene Gasturbinen zu bilden; der andere besteht darin, Flugzeugtriebwerks-Technologie auf Schwerlastgasturbinen zu übertragen und eine neue Generation von Schwerlastgasturbinen zu entwickeln.

Entwicklungsgeschichte der luftfahrtbezogenen Gasturbinen

Mit der Entwicklung der Flugzeugtriebwerks-Technologie und der Anwendung fortschrittlicher Zyklus-Technologien hat der technische Entwicklungsprozess von luftfahrtabgeleiteten Gasturbinen die Stufen der technologischen Erkundung, technologischen Entwicklungsphase und der Anwendung fortschrittlicher Zyklen durchlaufen. Dadurch wurde die Entwicklung von luftfahrtabgeleiteten Gasturbinen von einfachen Modifikationen zu einer hochleistungsfähigen Kernmotor-Optimierungsgestaltung ermöglicht, von einfachem Zyklus zu komplexem Zyklusanwendungen, von der Übernahme des reifen Design- und Materialsystems der Flugtriebwerke bis hin zum Design neuer Komponenten und der Anwendung neuer Materialien, was das Design-Niveau, die Leistung, Zuverlässigkeit und Lebensdauer von luftfahrtabgeleiteten Gasturbinen erheblich verbessert hat.

Technologie-Erkundungsphase

Im Jahr 1943 wurde die weltweit erste aero-derivativ Gas turbine erfolgreich entwickelt. Danach entwarfen Rolls-Royce, GE und Pratt & Whitney die ersten aero-derivativen Gasturbinen auf Basis reifer Flugzeugtriebwerksmodifikationen, darunter die industriellen Avon, industrielle Olympus, Spey-Gasturbinen, LM1500 und FT4. In dieser Phase befand sich die Technologie der aero-derivativen Gasturbinen noch im Erkundungsstadium. Die Struktur übernahm direkt das Kernstück des Flugzeugtriebwerks, und die Leistung wurde durch Ausrüstung mit einem passenden Kraftwerksturbine erreicht; die Gesamtleistung der Maschine war nicht hoch, und die Kreislaufwirkungsgrad lag im Allgemeinen unter 30 %; die Anfangstemperatur vor der Turbine war weniger als 1000 ℃ , und das Druckverhältnis lag zwischen 4 und 10; der Kompressor war im Allgemeinen subsonisch; die Turbinenschaufeln verwendeten einfache Luftkühltechnologie; das verwendete Material war die erste Hochtemperaturlegierung; das Steuersystem verwendete im Allgemeinen ein mechanisches Hydraulik- oder Analogelektronik-Regelsystem.

Technologieentwicklungsstufe

Durch die reifende Anwendung von Flugtriebwerken wurden hochleistungsfähige, zuverlässige Basismaschinen und fortschrittliche Design-Technologien für die schnelle Entwicklung ableitungsbasierter Gasturbinen bereitgestellt. Gleichzeitig hat der Bedarf an fortschrittlichen ableitungsorientierten Gasturbinen durch die Marine von Ländern wie dem Vereinigten Königreich, den USA und anderen auch eine breite Anwendungsbühne geboten, was dazu geführt hat, dass ableitungsorientierte Gasturbinen sich rasch entwickelt und ihre Leistung erheblich verbessert haben. Eine Reihe von leistungsstarken und zuverlässigen ableitungsorientierten Gasturbinen wurde auf den Markt gebracht. Zum Beispiel die Reihen LM2500, industrielle Trent, FT4000 und MT30, die in der Schiffsantriebs- und Stromerzeugungsbranche weit verbreitet sind.

Die Komponenten der Heißseiten von ableitungs-basierten Gasturbinen im technologischen Entwicklungsstadium verwenden im Allgemeinen Superallegierungen und Schutzbeschichtungen, um die Temperaturbeständigkeit zu verbessern, und setzen fortgeschrittene Luftkühltechnologie sowie Niederschlagsverbrennungstechnologie ein; die Eingangstemperatur vor der Turbine erreicht 1400 ° C, die Leistung liegt bei 40-50 MW, die thermische Effizienz eines Einzelaggregats überschreitet 40 %, und die Kombikraftwerks-Effizienz kann 60 % erreichen; es wird ein digitales elektronisches Steuersystem eingesetzt, wodurch die Steuerungsgenauigkeit und das Steuerungsverhalten erheblich verbessert werden.

Erproben fortschrittlicher Kreisprozesse

Da die Anforderungen an die Hochleistung von aeroderivativen Gasturbinen, insbesondere an den Treibstoffverbrauch, die Ausgabeleistung und andere Indikatoren zunehmen, haben fortschrittliche Zyklus-aeroderivative Gasturbinen eine breite ingenieurtechnische Praxis gefunden. Durch Hinzufügen einer Intercooling- oder Intercooled-Wärmerückgewinnungszyklen auf der Basis des Gasturbinen-Thermzyklus kann die Ausgabeleistung und die Leistung bei niedrigen Betriebsbedingungen der aeroderivativen Gasturbine erheblich verbessert werden. Zum Beispiel erreicht die Leistungsebene der LMS100-Intercooled-Gasturbine 100 MW und die Effizienz beträgt bis zu 46 %. Die thermische Effizienz der WR21-Intercooling-Rückgewinnungsgasturbine bei niedrigen Betriebsbedingungen ist viel höher als die einer einfachen Zyklus-Gasturbine. Als Schiffstriebwerk verbessert es erheblich die Wirtschaftlichkeit und den Kampfradius des Schiffs.

Die Ausgabeleistung fortschrittlicher Zyklen aeroderivater Gasturbinen mit Intercooling oder intercooled Wärmerecovery-Zyklen wurde erheblich erhöht, und die thermische Effizienz bei allen Betriebsbedingungen wurde verbessert. Zum Beispiel kann die Leistungsstufe 100 MW erreichen, und die thermische Effizienz am Designpunkt beträgt bis zu 46%; die Leistung bei niedrigen Betriebszuständen wurde erheblich verbessert, wobei die thermische Effizienz bei 50%-Last bis zu 40% erreicht werden kann; Intercooling reduziert die spezifische Leistung des Hochdruckverdichters, und das Design-Druckverhältnis der gesamten Maschine kann über 40 erreichen.

Technologieentwicklungsmodell

Unter Berücksichtigung der Entwicklungsge schichte haben aeroderivate Gasturbinen technische Entwicklungsmodelle wie stammesweise Entwicklung, serienmäßige Entwicklung, Einführung fortgeschrittener Zyklus-Technologien und Anwendung von Kombikraftwerks-Modus.

Stammesentwicklung

Die genealogische Entwicklung ist die Entwicklung von Gasturbinen verschiedener Typen und Leistungsstufen auf Basis der gleichen Flugzeugtriebwerks, was die Merkmale von luftfahrtabgeleiteten Gasturbinen vollständig widerspiegelt: "ein Gerät als Basis, für verschiedene Anwendungen geeignet, Zyklus sparend, Kosten senkend, mehrere Typen ableitend und ein Spektrum bildend."

Am Beispiel des CF6-80C2-Flugzeugtriebwerks wird die LM6000-Gasturbine direkt mit dem Kernmotor des CF6-80C2 ausgestattet und behält die maximale Vielseitigkeit der Niederdruckturbine; die LMS100 übernimmt die Kernmotortechnologie des CF6-80C2, kombiniert F-Klasse-Schwerlastgasturbinentechnologie und Intercooler-Technologie und hat eine Leistung von 100 MW; die MS9001G/H nutzt vollständig die reifen Technologien des CF6-80C2-Flugzeugtriebwerks und durch die Kombination mit Schwerlastgasturbinentechnologien wird die Turbinenvortemperatur von 1287 ℃ auf 1430 der F-Klasse erhöht. ℃ , und die Leistung erreicht 282 MW. Die erfolgreiche Entwicklung der drei Arten von Gasturbinen ermöglicht es der auf Luftfahrt basierenden Entwicklung des CF6-80C2-Flugzeugtriebwerks, das Ziel "eine Maschine mit mehreren Typen, Entwicklung von Gasturbinen unterschiedlicher Art und Leistung" zu erreichen.

Reihenentwicklung

Die serienmäßige Entwicklung besteht darin, kontinuierlich zu aktualisieren und zu verbessern, die Leistung zu steigern und Emissionen zu reduzieren, basierend auf einer erfolgreichen Gasturbine, um so die serienmäßige Entwicklung von Flugzeugableitungsgasturbinen zu erreichen, wobei die LM2500-Serie das typischste Beispiel ist, wie in Abbildung 2 gezeigt. Die LM2500-Gasturbine verwendet den Kernmotor des Muttermotors TF39/CF6-6 und ändert die Niedrigen-Druck-Turbine des Muttermotors in eine Leistungsturbine; die LM2500+-Gasturbine fügt eine Stufe vor dem Kompressor der LM2500-Gasturbine hinzu, um den Luftmassenstrom und die Ausgabeleistung zu erhöhen; die LM2500+G4 steigert den Luftstrom der Gasturbine durch die Verbesserung des Profils der Kompressorschneiden und die Erhöhung des Turbinen-Durchlasses basierend auf der LM2500+, um so das Ziel einer kontinuierlichen Steigerung der Ausgabeleistung zu erreichen. Mit der serienmäßigen Entwicklung der LM2500 wird das Produkt kontinuierlich aktualisiert und verbessert, mit einer Leistungsbereich von 20 bis 35 MW, und weltweit überschreitet die Anzahl der Einheiten 1.000, was sie zum am weitesten verbreiteten Modell bis heute macht.

Aufgrund der Schwierigkeiten bei der Entwicklung und Produktion ist die serienmäßige Weiterentwicklung basierend auf der erfolgreichen Gasturbine ein wichtiges technisches Entwicklungsmodell für Flugzeugableitungsgasturbinen. Dabei wird kontinuierlich aktualisiert und verbessert, um die Leistung zu steigern und Emissionen zu reduzieren. Die serienmäßige Weiterentwicklung von Flugzeugableitungsgasturbinen ähnelt der Abstammungsentwicklung, wodurch nicht nur die Entwicklungszeit verkürzt werden kann, sondern auch eine bessere Zuverlässigkeit und Fortschrittlichkeit gewährleistet wird und die Gestaltung-, Entwicklungs-, Test- und Fertigungskosten erheblich gesenkt werden.

Effizienz

Das Ziel der Effizienzsteigerung besteht darin, die Leistung des Gesamtsystems kontinuierlich zu verbessern, insbesondere die Ausgabeleistung des Gesamtsystems und die thermische Effizienz unter allen Betriebsbedingungen. Die wichtigsten Methoden sind folgende.

Eins ist die Anwendung fortgeschrittener Kreisprozesse. Die Anwendung fortgeschrittener Kreisprozesse kann die Leistungsfähigkeit von Aeroableitungsgasturbinen kontinuierlich verbessern, wie zum Beispiel der Nachheizkreis, der Dampfwiederinjektionskreis, der chemische Rückgewinnungskreis, der feuchte Luftkreis, der serielle feuchte Luftfortschrittskreis und der Kalina-Kreis usw. Nach der Anwendung des fortgeschrittenen Kreisprozesses wird nicht nur die Leistungsfähigkeit der Aeroableitungsgasturbineneinheit verbessert, sondern auch die elektrische Leistung und die thermische Effizienz der gesamten Einheit werden erheblich gesteigert, und die Stickoxidemissionen werden deutlich reduziert.

Der zweite Punkt ist das Design von hoch-effizienten Komponenten. Das Design von hoch-effizienten Komponenten konzentriert sich auf die Entwicklung von hoch-effizienten Kompressoren und Turbinen. Die Entwicklung von hoch-effizienten Kompressoren wird weiterhin technische Herausforderungen in Bezug auf hohe Geschwindigkeit und Effizienz sowie niedrige Geschwindigkeit und einen hohen Surge-Bereich überwinden, mit denen Kompressoren konfrontiert sind. Wie in Abbildung 3 gezeigt, wird sich das Design von Turbinen weiterhin in Richtung von höherer Effizienz, Widerstandsfähigkeit bei hohen Temperaturen und langer Lebensdauer entwickeln.

Der dritte Punkt ist das Design effizienter Luftsysteme. Die technischen Entwicklungsschwerpunkte von effizienten Luftsystemen umfassen die Entwicklung von low-leakage, verschleißfesten und effizienten Dichtungstechnologien, wie Waben-Dichtungen, dünnblättrige Dichtungen, Bürsten-Dichtungen und kombinierte Dichtungen; effiziente Widerstandsreduktionsdesign-Technologien zur Verbesserung der Luftstromleistung, wie Entwirbelungs-Widerstandsreduktionsdesign und strömungseffizientes kontrollierbares Design; fortschrittliche Vorwirbelungsdesign-Technologien zur weiteren Verbesserung der Vorwirbelungseffizienz, wie aerodynamisches Vorwirbelungslochdesign und Kaskaden-Vorwirbelungslochdesign; Unsicherheitsquantifizierungsmethoden, die die Robustheit und Zuverlässigkeit von Luftsystemen verbessern können, usw.

Schlussfolgerung

Flugzeugabgeleitete Gasturbinen werden aufgrund ihres breiten Leistungsspektrums, hoher thermischer Effizienz, guter Manövrierfähigkeit, langer Lebensdauer und hoher Zuverlässigkeit in Schiffsantrieben, Elektrizitätserzeugung, mechanischer Antriebe, Offshore-Ölplattformen, Panzerkraftstoff und verteilter Energie eingesetzt. Mit der raschen Entwicklung der Flugzeugmotor-Technologie und dem kontinuierlichen Einsatz neuer Designs und Technologien werden flugzeugabgeleitete Gasturbinen rapid in Richtung von Effizienz, Niedrigkarbonisierung, Neuqualität und Digitalisierung fortschreiten. Die Design- und Fertigungstechnologie der flugzeugabgeleiteten Gasturbinen wird ebenfalls große Fortschritte machen, allmählich in Bezug auf Wirtschaftlichkeit, geringe Schadstoffemissionen, Zuverlässigkeit und Wartbarkeit verbessern, und die Anwendungsaussichten werden zwangsläufig weiter umfangreich werden.