Influenciado por factores políticos, militares y económicos, el desarrollo de la tecnología de motores aeronáuticos es más rápido que el de las turbinas de gas. Las turbinas de gas y los motores aeronáuticos tienen una amplia gama de similitudes técnicas y pueden compartir sistemas de diseño, sistemas de fabricación, sistemas de talento y sistemas de prueba. Por lo tanto, basándose en la gran demanda del mercado y las ventajas de aplicación obvias de las turbinas de gas, se ha convertido en un consenso industrial desarrollar turbinas de gas basadas en motores aeronáuticos de alto rendimiento y maduros, así como tecnologías industriales avanzadas y métodos de diseño. Hay dos formas de transferir la tecnología de motores aeronáuticos a las turbinas de gas, como se muestra en la Figura 1: una es modificar directamente y derivar motores aeronáuticos maduros para formar turbinas de gas derivadas de aviación; la otra es trasplantar la tecnología de motores aeronáuticos a turbinas de gas pesadas e investigar y desarrollar una nueva generación de turbinas de gas pesadas.
Junto con el desarrollo de la tecnología de motores aeronáuticos y la aplicación de tecnología avanzada de ciclo, el proceso de desarrollo técnico de los turbinas de gas derivadas de la aviación ha pasado por la etapa de exploración tecnológica, la etapa de desarrollo tecnológico y la etapa de aplicación de ciclo avanzado, logrando el desarrollo de las turbinas de gas derivadas de la aviación desde modificaciones simples hasta un diseño optimizado de motor central de alto rendimiento, desde ciclo simple hasta la aplicación de ciclos complejos, desde la herencia del sistema de diseño maduro y del sistema de materiales de los motores aeronáuticos hasta el diseño de nuevos componentes y la aplicación de nuevos materiales, lo que ha permitido que el nivel de diseño, el rendimiento, la fiabilidad y la vida útil de las turbinas de gas derivadas de la aviación alcancen un considerable desarrollo.
En 1943, se desarrolló con éxito el primer turbogás derivado de aeronaves del mundo. Después de eso, Rolls-Royce, GE y Pratt & Whitney diseñaron el primer lote de turbinas de gas derivadas de aeronaves basadas en modificaciones de motores aeroespaciales maduros, incluidos los modelos Avon industrial, Olympus industrial, Spey, LM1500 y FT4. En esta etapa, la tecnología de las turbinas de gas derivadas de aeronaves estaba en el período exploratorio. La estructura heredaba directamente el núcleo del motor aeronáutico, y la potencia de salida se lograba equipando un turbina adecuada; el rendimiento general de la máquina no era alto, y la eficiencia cíclica generalmente era inferior al 30%; la temperatura inicial antes de la turbina era menor a 1000 ℃ , y la relación de presión fue de 4 a 10; el compresor era en general subsónico; las palas de la turbina utilizaban tecnología de enfriamiento por aire simple; el material utilizado era la primera aleación de alta temperatura; el sistema de control generalmente utilizaba un sistema de ajuste mecánico hidráulico o electrónico analógico.
Con la aplicación madura de motores aero, se han proporcionado máquinas base de alto rendimiento y alta fiabilidad, así como tecnologías avanzadas de diseño, para el desarrollo rápido de turbinas de gas derivadas de aeronaves. Al mismo tiempo, la demanda de turbinas de gas avanzadas derivadas de aeronaves por parte de las marinas del Reino Unido, Estados Unidos y otros países también ha proporcionado una amplia plataforma de aplicación, lo que ha permitido que las turbinas de gas derivadas de aeronaves se desarrollen rápidamente y mejoren significativamente su rendimiento. Se han lanzado una serie de turbinas de gas derivadas de aeronaves con buen rendimiento y alta fiabilidad. Por ejemplo, la serie LM2500, industrial Trent, FT4000 y MT30, entre otras, son ampliamente utilizadas en propulsión naval, generación de electricidad y otros campos.
Los componentes de la parte caliente de los turbinos de gas derivados de aeronaves en la etapa de desarrollo tecnológico generalmente utilizan super aleaciones y recubrimientos protectores para mejorar la resistencia a la temperatura, y aplican tecnología avanzada de enfriamiento por aire y tecnología de combustión de baja contaminación; la temperatura inicial antes de la turbina alcanza los 1400 ° C, la potencia puede alcanzar los 40-50 MW, la eficiencia térmica de una sola unidad supera el 40%, y la eficiencia del ciclo combinado puede alcanzar el 60%; se utiliza un sistema de control electrónico digital, y la precisión y el rendimiento de control mejoran significativamente.
A medida que aumentan los requisitos de alto rendimiento para turbinas de gas derivadas de aero motores, especialmente en cuanto al consumo de combustible, potencia de salida y otros indicadores, las turbinas de gas derivadas de aero motores con ciclos avanzados han ganado una práctica ingenieril extendida. Agregar un ciclo de refrigeración intermedia o recuperación de calor sobre la base del ciclo térmico de la turbina de gas puede mejorar significativamente la potencia de salida y el rendimiento en condiciones de operación baja de la turbina de gas derivada de aero motores. Por ejemplo, el nivel de potencia de la turbina de gas LMS100 con refrigeración intermedia alcanza los 100 MW y la eficiencia es tan alta como el 46%. La eficiencia térmica de la turbina de gas WR21 con refrigeración intermedia y recuperación es mucho mayor que la de una turbina de gas de ciclo simple en condiciones de operación baja. Como propulsión naval, mejora considerablemente la economía y el radio de combate del buque.
La potencia de salida de los turbinos a gas avanzados de ciclo aeroderivado que utilizan interenfriamiento o ciclos de recuperación de calor interenfriados ha aumentado considerablemente, y la eficiencia térmica se ha mejorado en todas las condiciones de operación. Por ejemplo, el nivel de potencia puede alcanzar los 100 MW, y la eficiencia térmica en el punto de diseño es de hasta un 46%; el rendimiento en condiciones de baja operación ha mejorado significativamente, pudiendo alcanzar una eficiencia térmica del 40% bajo una carga del 50%; el interenfriamiento reduce la potencia específica del compresor de alta presión, y la relación de compresión de diseño de toda la máquina puede alcanzar más de 40.
Viendo la historia del desarrollo, las turbinas a gas derivadas de aviación tienen modelos de desarrollo técnico como el desarrollo genealógico, el desarrollo serial, la adopción de tecnología de ciclo avanzado y la aplicación del modo de ciclo combinado.
El desarrollo genealógico es el desarrollo de turbinas de gas de diferentes tipos y niveles de potencia basado en el mismo motor aeronáutico, lo que refleja plenamente las características de las turbinas de gas derivadas de la aviación: "un equipo como base, para múltiples usos, ahorrando ciclos, reduciendo costos, derivando múltiples tipos y formando un espectro".
Tomando el motor de avión CF6-80C2 como ejemplo, la turbina de gas LM6000 utiliza directamente el motor nuclear del CF6-80C2 y mantiene la máxima versatilidad de la turbina de baja presión; el LMS100 hereda la tecnología del motor nuclear del CF6-80C2, combina la tecnología de turbinas de gas pesadas de clase F y tecnología de enfriamiento intermedio, con una potencia de 100 MW; el MS9001G/H adopta completamente la tecnología madura del motor de avión CF6-80C2, y mediante la combinación con la tecnología de turbinas de gas pesadas, la temperatura antes de la turbina aumenta de 1287 ℃ de la clase F a 1430 ℃ , y la potencia alcanza los 282 MW. El desarrollo exitoso de los tres tipos de turbinas de gas ha permitido el desarrollo aeronáutico de la familia del motor CF6-80C2 para lograr "una máquina con múltiples tipos, desarrollando turbinas de gas de diferentes tipos y potencias".
El desarrollo en serie consiste en actualizar y mejorar continuamente, mejorar el rendimiento y reducir las emisiones sobre la base de una turbina de gas exitosa, con el fin de lograr el desarrollo en serie de turbinas de gas derivadas de aeronaves, entre las cuales la serie LM2500 es la más típica, como se muestra en la Figura 2. La turbina de gas LM2500 utiliza el motor principal del motor madre TF39/CF6-6, y cambia la turbina de baja presión del motor madre por una turbina de potencia; la turbina de gas LM2500+ agrega una etapa antes del compresor de la turbina de gas LM2500, con el fin de aumentar el flujo masivo de aire y la potencia de salida; el LM2500+G4 incrementa el flujo de aire de la turbina de gas mejorando el perfil de las palas del compresor y aumentando el área de la garganta de la turbina sobre la base del LM2500+, con el fin de lograr el propósito de mejorar continuamente la potencia de salida. Con el desarrollo en serie del LM2500, el producto se actualiza y mejora continuamente, con un rango de potencia de 20 a 35 MW, y el número de equipos en todo el mundo supera los 1,000 unidades, lo que la convierte en el modelo más utilizado hasta la fecha.
Debido a la dificultad del desarrollo y la producción, el desarrollo en serie basado en la turbina de gas exitosa es un modelo técnico importante para el desarrollo de turbinas de gas derivadas de aeronaves, que consiste en actualizar e improving continuamente, mejorar el rendimiento y reducir las emisiones. El desarrollo en serie de turbinas de gas derivadas de aeronaves es similar al desarrollo de linaje, lo cual no solo puede acortar el ciclo de desarrollo, sino también garantizar una mayor fiabilidad y avance, y reducir significativamente los costos de diseño, desarrollo, prueba y fabricación.
El objetivo de la mejora de la eficiencia es optimizar continuamente el rendimiento de toda la máquina, especialmente la potencia de salida de toda la máquina y la eficiencia térmica bajo todas las condiciones de operación. Las principales formas son las siguientes.
Uno es la aplicación de ciclos avanzados. La aplicación de ciclos avanzados puede mejorar continuamente el rendimiento de las turbinas de gas derivadas de aero motores, como el ciclo de recale, el ciclo de reinyección de vapor, el ciclo de recuperación química, el ciclo de aire húmedo, el ciclo avanzado en serie de aire húmedo y el ciclo Kalina, entre otros. Después de aplicar el ciclo avanzado, no solo se mejorará el rendimiento de la unidad de turbina de gas derivada de aero motores, sino que también se mejorará significativamente la potencia y la eficiencia térmica de toda la unidad, y las emisiones de óxidos de nitrógeno se reducirán considerablemente.
El segundo es el diseño de componentes de alta eficiencia. El diseño de componentes de alta eficiencia se centra en el diseño de compresores de alta eficiencia y el diseño de turbinas de alta eficiencia. El diseño de compresores de alta eficiencia seguirá superando las dificultades técnicas de alta velocidad y alta eficiencia, y baja velocidad y límite de alta entrada enfrentados por los compresores. Como se muestra en la Figura 3, el diseño de turbinas continuará desarrollándose en la dirección de alta eficiencia, alta resistencia a la temperatura y larga vida útil.
El tercero es el diseño de sistemas de aire eficientes. Las direcciones de desarrollo técnico de los sistemas de aire eficientes incluyen el desarrollo de tecnologías de sellado eficiente, resistentes al desgaste y con baja fuga, como sellos de panal, sellos de hoja delgada, sellos de cepillo y sellos combinados; tecnologías de diseño de reducción eficiente de arrastre para mejorar el rendimiento del flujo de aire, como el diseño de reducción de arrastre de desvorticación y el diseño de flujo eficiente controlable; tecnologías avanzadas de diseño de pre-vorticación para mejorar aún más la eficiencia de pre-vorticación, como el diseño de agujeros de pre-vorticación aerodinámica y el diseño de agujeros de pre-vorticación en cascada; métodos de análisis de cuantificación de incertidumbre que pueden mejorar la robustez y fiabilidad de los sistemas de aire, etc.
Las turbinas de gas derivadas de aero motores se utilizan ampliamente en la propulsión naval, generación de electricidad, transmisión mecánica, plataformas petrolíferas offshore, potencia de tanques y energía distribuida debido a su amplio rango de potencia, alta eficiencia térmica, buena maniobrabilidad, larga vida útil y alta fiabilidad. Con el rápido desarrollo de la tecnología de motores aeronáuticos y la aplicación continua de nuevos diseños y tecnologías, las turbinas de gas derivadas de aero motores experimentarán un rápido desarrollo hacia la alta eficiencia, la baja carbonización, la nueva calidad y la inteligencia digital. La tecnología de diseño y fabricación de las turbinas de gas derivadas de aero motores también avanzará considerablemente, mejorando gradualmente en términos de economía, emisiones de bajo nivel de contaminantes, fiabilidad y mantenibilidad, y sus perspectivas de aplicación serán inevitablemente más amplias.
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