Ilmailuun perustuvien kaasuturbiinien teknologian kehitys

Vaikuttavat poliittisista, sotilas- ja taloudellisista tekijöistä, lentokoneen moottoritekniikan kehitys etenee nopeammin kuin kaasuturbiinien. Kaasuturbiinit ja lentokoneiden moottorit jakavat laajasti teknisiä yhteisöllisyyksiä, ja niitä voidaan käyttää yhteisenä suunnittelujärjestelmänä, valmistusjärjestelmänä, taitoja koostuvana järjestelmänä ja testausjärjestelmänä. Siksi, perustuen suureen markkinakysynteen ja merkittäviin soveltamisvaikutuksiin kaasuturbiineissa, on teollisuuden yleinen käsitys, että tulisi kehittää kaasuturbiineita korkean tehon, kypsien lentokoneiden moottoreiden ja edistyksellisten teollisuuden tekniikoiden sekä suunnittelumenetelmien pohjalta. Lentokoneiden moottoritekniikan siirtämiseksi kaasuturbiineihin on kaksi tapaa, kuten kuvassa 1 näkyvästi: toinen tapa on muuntaa ja johtaa kypsät lentokoneiden moottorit ilmakehittyneiksi kaasuturbiineiksi; toinen tapa on siirtää lentokoneiden moottoritekniikka raskaisiin kaasuturbiineihin ja kehittää uusi sukupolvi raskaita kaasuturbiineja.

Ilmakehittyneiden kaasuturbiinien kehityshistoria

Lennetyökalu-moottori-tekniikan ja edistyneiden kiertotekniikoiden kehittymisen myötä ilmailusta johdetut kaasuturbiinit ovat kokeneet teknisen kehitysprosessinsa kolme vaihetta: teknologian tutkimisvaiheen, teknologian kehittämisen vaiheen ja edistyneiden kiertojärjestelmien soveltamisvaiheen. Tämä on johtanut siihen, että ilmailusta johdetut kaasuturbiinit ovat kehittyneet yksinkertaisista muutosversioista korkeasuorituskykyisten ydinmoottorien optimaaliseksi suunnitteluksi, yksinkertaisesta kiertosta monimutkaisiin kiertojärjestelmiin sekä ilmailumoottoreiden kypsään suunnittelujärjestelmän ja materiaalijärjestelmän perintään uusien komponenttien suunnittelun ja uusien materiaalien käyttöön. Tämä on tehnyt ilmailusta johdetuista kaasuturbiineista merkittävästi paremmat suunnittelutaso, suorituskyky, luotettavuus ja elinajan osalta.

Teknologian tutkimisvaihe

Vuonna 1943 kehitettiin onnistuneesti maailman ensimmäinen ilmailuun perustuva kaasuturbiini. Sen jälkeen Rolls-Royce, GE ja Pratt & Whitney suunnittelivat ensimmäisen sarjan ilmailuun perustuvia kaasuturbiineja kypsyneistä lentokone moottoreista tehtyjen muutosten pohjalta, mukaan lukien teollinen Avon, teollinen Olympus, Spey-kaasuturbiinit, LM1500 ja FT4. Tämän vaiheen aikana ilmailuun perustuvien kaasuturbiinien teknologia oli tutkimusvaiheessa. Rakenne perii suoraan lentokoneen moottorin ytimen, ja tulot voima saavutettiin varustamalla sopiva voimaturbiini; koneen kokonaissuorituskyky ei ollut korkea, ja kykloeffektiivisyys oli yleensä alle 30%; turbiinin edessä oleva alkuperäinen lämpötila oli alle 1000 ℃ , ja paineen suhde oli 4:10; kompressori oli yleensä alihypynen; turbiinilehtien käytettiin yksinkertaista ilmakehokylmätekniikkaa; käytetty materiaali oli alkuperäinen korkealämpötiloisen sähkönselite; ohjelmistojärjestelmä käytti yleensä mekaanista hydraulista tai analogista elektronista säätöjärjestelmää.

Teknologian kehitysvaihe

Ilmoittimien kypsän soveltamisen myötä on tarjottu korkean suorituskyvyn ja korkean luotettavuuden äkilliset koneet sekä edistyksilliset suunnitteluteknologiat aeroderivaattien kaasuturbiinien nopealle kehitykselle. Samalla Yhdistyneen Kuningaskunnan, Yhdysvaltojen ja muiden maiden laivastojen kysyntä edistyksillellisistä aeroderivaattien kaasuturbiineista on myös tarjonnut laajan käyttöalueen, mikä on mahdollistanut aeroderivaattien kaasuturbiinien nopean kehityksen ja merkittävän suorituskyvyn parantumisen. On käynnistetty sarja suorituskykyisiä ja luotettavia aeroderivaattien kaasuturbiineja, kuten LM2500-sarja, teollinen Trent, FT4000 ja MT30, jotka ovat laajalti käytössä laivaston voimankäytössä, sähköntuotannossa ja muissa aloilla.

Ilmakehän loppuosan komponentteja aeroderivaattaisissa kaasuturbiineissa, jotka ovat teknologisen kehityksen vaiheessa, käytetään yleensä superliitoja ja suojakalustoja parantaakseen lämpökestävyyttä, ja sovelletaan edistynyttä ilmajäähdytystekniikkaa ja vähäpäästöistä poltto-tekniikkaa; turbiinin edessä oleva alkulämpö saavuttaa 1400 ° C, voima voi saavuttaa 40-50MW, yksittäisen yksikön termodyynaamisen tehokkuuden ylittää 40 %, ja yhdistetyn kiertoon liittyvä tehokkuus voi saavuttaa 60 %; käytetään digitaalista sähköistä ohjausjärjestelmää, ja ohjaustarkkuus sekä ohjausominaisuudet paranivat huomattavasti.

Sovella edistyneitä kiertoja

Kun vaatimukset aeroderivaattigasiturbineille, erityisesti polttoaineen kulutuksen, tulosteen ja muiden indikaattorien suhteen kasvavat, kehittyneet kykkyturbiinit ovat saaneet laajaa sovelluskohtaa insinöörimenetelmissä. Intercooling- tai intercooled-lämpövoiman kierron lisääminen gasiturbineen termodynamiikan kierron pohjalta voi parantaa merkittävästi aeroderivaattigasiturbineen tulosteita ja alhaisen toimintatilan suorituskykyä. Esimerkiksi LMS100-intercooling-gasiturbiinin tehoasteikko saavuttaa 100 MW:n ja tehokkuus on korkea jo 46 %. WR21-intercooling-recuperation-gasiturbiini saavuttaa huomattavasti paremman termodynaamisen tehokkuuden alhaisissa toimintatiloissa verrattuna yksinkertaisten kierron gasiturbineihin. Laivaston moottorina se parantaa huomattavasti laivan taloutta ja taistelusuoritusta.

Edistyneiden kykloaeroderivaattien kaasuturbiinien tulostuskyky on merkittävästi kasvanut käyttämällä väl jäähdyttämistekniikkaa tai väl jäähdytyskierroksia, ja kaikkien toimintatilanteiden termodynaminen tehokkuus on parantunut. Esimerkiksi teho voi saavuttaa 100MW:n, ja suunnitelmassa termodynaminen tehokkuus on korkeintaan 46%; mataloiden toimintatilanteiden suorituskyky on huomattavasti parantunut, ja termodynaminen tehokkuus voi olla 40% 50% -latauksessa; väl jäähdytys vähentää korkean paineen kompressorin spesifistä voimaa, ja koko laitteen suunniteltu painosuhde voi saavuttaa yli 40.

Teknologian kehitysmalli

Tarkastelemalla kehityshistoriaa, ilmakehästä johdetut kaasuturbiinit ovat kehittyneet teknisesti mallinekehityksen, sarjakehityksen, edistyneiden kyklo-tekniikoiden hyödyntämisen ja yhdistelmäkierroksen soveltamisen avulla.

Sukupuolikehitys

Genealoginen kehitys tarkoittaa kaasuturbiinien kehitystä eri tyypeissä ja tehoitasoissa saman lentokoneen moottorin perusteella, mikä kuvastaa täysin ilmailuun perustuvien kaasuturbiinien ominaisuuksia: "yksi laite perustana, monipuolinen käyttö, aikojen säästö, kustannusten alentaminen, useita variantteja ja spektrin muodostaminen."

Otetaan esimerkiksi CF6-80C2-lentokoneen moottori. LM6000-kaasuturbiini käyttää suoraan CF6-80C2:n ytimismoottoria ja säilyttää matalan paineen turbiinin suurimman monipuolisuuden; LMS100 perii CF6-80C2:n ytimismoottoritekniikat, yhdistää F-luokan raskaiden kaasuturbiinien teknologian ja välilammon tekniikan, ja sillä on teho 100 MW; MS9001G/H käyttää täysin CF6-80C2-lentokoneen moottorin kypsyttä teknologiaa, ja raskaiden kaasuturbiinien teknologian yhdistämisen avulla turbiinien edessä oleva lämpötila nousee 1287 ℃ F-luokasta 1430 ℃ , ja teho saavuttaa 282MW. Kolmen eri tyypin kaasuturbiinien onnistunut kehitys mahdollisti ilmailupohjaisen CF6-80C2-lentokoneen moottorin sarjakehityksen saavuttamaan "yksi laite, useat tyypit, kehittää erilaisia kaasuturbiineja eri voimista".

Sarjakehitys

Sarjakehitys tarkoittaa jatkuvaa päivitystä ja parantamista, suorituskyvyn parantamista ja päästöjen vähentämistä onnistuneen kaasuturbiinin perusteella, jotta saavutetaan ilmailuun liittyvien kaasuturbiinien sarjakehitys, joista LM2500-sarja on tyypillisin, kuten kuva 2 osoittaa. LM2500-kaasuturbiini käyttää äiti-turbiinin ytimen moottoria TF39/CF6-6:nä ja vaihtaa äiti-turbiinin matalapaineisen turbiinin teho-turbiiniksi; LM2500+-kaasuturbiini lisää yhden vaiheen LM2500-kaasuturbiinin purkimeen ennen sitä, jotta parannetaan ilman massavirtausta ja tulostettua tehoa; LM2500+G4 parantaa kaasuturbiinin ilmavirtausta parantamalla purkimisilma-ala ja lisäämällä turbiinin koura-aluetta LM2500+:n perusteella, jotta saavutetaan jatkuvasti tehosteen parantamisen tavoite. LM2500:n sarjakehityksen myötä tuote päivitetään ja parannetaan jatkuvasti, sen tehoalue on 20–35MW, ja sen laitteiden määrä maailmanlaajuisesti ylittää 1 000 kappaletta, mikä tekee siitä laajimmin käytetyn mallin tähän mennessä.

Kehityksen ja tuotannon vaikeuden vuoksi sarjakehitys onnistuneen kaasuturbiinin pohjalta on tärkeä tekninen kehitysmalli ilmailuun perustuville kaasuturbiineille, joka tarkoittaa jatkuvaa päivitystä ja parantamista, suorituskyvyn parantamista ja päästöjen vähentämistä. Ilmailuun perustuvien kaasuturbiinien sarjakehitys on vastaava kuin sukupuolten kehitys, mikä ei vain lyhennä kehityskiertoa, vaan myös varmistaa paremman luotettavuuden ja edistyksellisyyden sekä merkittävästi vähentää suunnittelukustannuksia, kehityskustannuksia, testauskustannuksia ja valmistuskustannuksia.

Tehokkuus

Tehokkuuden parantamisen tavoitteena on jatkuva koko laitteen suorituskyvyn parantaminen, erityisesti koko laitteen tulovoiman ja kaikki toimintatilanteet koskevan termodynaminen tehokkuus. Päätietävät ovat seuraavat.

Yksi on kehittyneiden kiertojen soveltaminen. Kehittyneiden kiertojen soveltaminen voi jatkuvasti parantaa aeroderivaattakaasuturbiinien suorituskykyä, kuten uudelleenkuivatuksen kierto, höyryuudelleenkierto, kemiallinen takauskierto, mokka-ilma kierto, sarjais-mokka-ilma edistynyt turbiinikierto ja Kalina-kierto jne. Kehittyneiden kiertojen soveltamisen jälkeen ei parannu vain aeroderivaattakaasuturbiinien yksikön suorituskykyä, vaan myös koko yksikön teho ja energiatehokkuus paranee huomattavasti, ja haponoksidipäästöt vähenevät merkittävästi.

Toinen on korkeatehokkuuden komponenttisuunnittelu. Korkeatehokkuuden komponenttisuunnittelu keskittyy korkeatehokkuuden kompressori-suunnitteluun ja korkeatehokkuuden turbiini-suunnitteluun. Korkeatehokkuuden kompressori-suunnittelu jatkaa teknisten haasteiden voittamista, joita kompressoreilla koetaan nopeuden ja tehokkuuden sekä hitaan nopeuden ja suuren surgesuojan yhteydessä. Kuten kuva 3 osoittaa, turbiinien suunnittelu kehittyy jatkuvasti korkeammalle tehokkuudelle, korkeammalle lämpökestölle ja pidemmälle elinajalle.

Kolmas on tehokkaiden ilmapuhdistusjärjestelmien suunnittelu. Tehokkaiden ilmapuhdistusjärjestelmien tekninen kehityskulku sisältää matalan pudotuksen, kuljetuskestävien ja tehokkaiden sinneistötekniikoiden kehittämisen, kuten hexaagonisinpainepyhät, ohut lehtipainepyhät, harjakupit ja yhdistetyt kupit; tehokas vedonlyönti-ohjaustekniikoiden kehittäminen parantamaan ilmavirtausominaisuuksia, kuten pyörivyyden poisto vedonlyönti-ohjaustekniikoilla ja virtauksen tehokkaalla hallinnalla; edistykselliset ennakkopyörivyyden tekniikat parantaakseen ennakkopyörivyyden tehokkuutta, kuten aerodynaminen ennakkopyörivyyden aukkojen suunnittelu ja kaaskaskaden ennakkopyörivyyden aukkojen suunnittelu; epävarmuuden kvantifiointianalyysimenetelmät, jotka voivat parantaa ilmapuhdistusjärjestelmien vahvuutta ja luotettavuutta jne.

Johtopäätös

Ilmailuun perustuvat kaasuturbiinit ovat laajalti käytössä laivaston voimatoimittimissä, sähköntuotannossa, mekaanisessa vallankuljetuksessa, merellisillä öljyalustoilla, tankkien moottoreissa ja hajautetussa energiassa, koska niillä on laaja tehoalue, korkea termodynaminen tehokkuus, hyvä manööveröytyvyys, pitkä elinikä ja korkea luotettavuus. Ilmailumoottoritekniikan nopeasti kehittyessä sekä uusien suunnitelmien ja teknologioiden jatkuvasti soveltamisessa ilmailuun perustuvat kaasuturbiinit kehittyvät nopeasti kohti korkeampaa tehokkuutta, matalampia hiilipäästöjä, parempaa laatua ja digitaalista älykkyyttä. Ilmailuun perustuvien kaasuturbiinien suunnittelu- ja valmistustechnologia kehittyy myös huomattavasti, parantuen vähitellen taloudellisuudessa, pilaantumisesteisissä päästöissä, luotettavuudessa ja ylläpitokyvyssä, ja niiden käyttömahdollisuudet ovat välttämättä laajemmat.