Développement de la technologie des turbines à gaz dérivées aéro

Influencée par des facteurs politiques, militaires et économiques, la développement de la technologie des moteurs d'avion est plus rapide que celui des turbines à gaz. Les turbines à gaz et les moteurs d'avion partagent de nombreuses similitudes techniques et peuvent être mutualisés dans les systèmes de conception, les systèmes de fabrication, les systèmes de talents et les systèmes d'essai. Par conséquent, en raison de la forte demande de marché et des avantages d'application évidents des turbines à gaz, il est devenu une consensus industriel de développer des turbines à gaz basées sur des moteurs d'avion performants et matures ainsi que sur des technologies et méthodes de conception avancées. Il existe deux façons de transférer la technologie des moteurs d'avion aux turbines à gaz, comme le montre la figure 1 : l'une consiste à modifier directement et dériver des moteurs d'avion matures pour former des turbines à gaz dérivées de l'aéronautique ; l'autre consiste à transplanter la technologie des moteurs d'avion vers les turbines à gaz lourdes et à développer une nouvelle génération de turbines à gaz lourdes.

Histoire du développement des turbines à gaz dérivées de l'aéronautique

Avec le développement de la technologie des moteurs aéronautiques et l'application de technologies de cycle avancées, le processus de développement technique des turbines à gaz dérivées de l'aérospatial a traversé trois étapes : l'étape d'exploration technologique, l'étape de développement technologique et l'étape d'application de cycles avancés, réalisant ainsi le développement des turbines à gaz dérivées de l'aérospatial, de modifications simples vers une conception optimisée de moteurs principaux haute performance, du cycle simple vers l'application de cycles complexes, de l'héritage du système de conception et du système de matériaux matures des moteurs aéronautiques vers la conception de nouveaux composants et l'application de nouveaux matériaux, ce qui a permis au niveau de conception, aux performances, à la fiabilité et à la durée de vie des turbines à gaz dérivées de l'aérospatial d'atteindre un développement considérable.

Étape d'exploration technologique

En 1943, le premier turboréacteur à dérivé aérospatial au monde a été développé avec succès. Par la suite, Rolls-Royce, General Electric et Pratt & Whitney ont conçu les premiers lots de turboréacteurs à dérivé aérospatial basés sur des modifications d'avions matures, y compris les turbines industrielles Avon, industrielles Olympus, Spey, LM1500 et FT4. À cette époque, la technologie des turboréacteurs à dérivé aérospatial était dans une période exploratoire. La structure héritait directement du cœur du moteur d'avion, et la puissance était atteinte en équipant d'une turbine appropriée ; les performances globales de la machine n'étaient pas élevées, et l'efficacité du cycle était généralement inférieure à 30 % ; la température initiale avant la turbine était inférieure à 1000 ℃ , et le rapport de pression était de 4 à 10 ; le compresseur était généralement subsonique ; les lames de turbine utilisaient une technologie de refroidissement par air simple ; le matériau utilisé était l'alliage à haute température initial ; le système de contrôle utilisait généralement un système de réglage mécanique hydraulique ou électronique analogique.

Étape de Développement Technologique

Avec l'application mature des moteurs aéronautiques, des machines mères de haute performance et à haute fiabilité, ainsi que des technologies de conception avancées, ont été fournies pour le développement rapide des turbines à gaz dérivées de l'aérospatiale. En même temps, la demande de turbines à gaz dérivées avancées par les marines du Royaume-Uni, des États-Unis et d'autres pays a également offert une large scène d'application, ce qui a permis aux turbines à gaz dérivées de se développer rapidement et d'améliorer significativement leurs performances. Une série de turbines à gaz dérivées performantes et fiables ont été lancées. Par exemple, les séries LM2500, Industrial Trent, FT4000 et MT30 sont largement utilisées dans les domaines de la propulsion navale et de la production d'électricité.

Les composants de l'extrémité chaude des turbines à gaz dérivées de l'aérospatiale, qui sont en phase de développement technologique, utilisent généralement des super alliages et des revêtements protecteurs pour améliorer la résistance à la température, et appliquent une technologie de refroidissement à air avancée et une technologie de combustion à faible pollution ; la température initiale avant la turbine atteint 1400 ° C, la puissance peut atteindre 40-50 MW, l'efficacité thermique d'une seule unité dépasse 40 %, et l'efficacité du cycle combiné peut atteindre 60 % ; un système de contrôle électronique numérique est utilisé, et la précision de contrôle et les performances de contrôle sont significativement améliorées.

Appliquer des cycles avancés

Avec l'augmentation des exigences en matière de haute performance des turbines à gaz dérivées aéro, en particulier la consommation de carburant, la puissance de sortie et d'autres indicateurs, les turbines à gaz dérivées aéro à cycle avancé ont gagné une pratique ingénieure généralisée. L'ajout d'un refroidisseur intermédiaire ou d'un cycle de récupération de chaleur refroidi sur la base du cycle thermique de la turbine à gaz peut améliorer significativement la puissance de sortie et les performances en conditions de fonctionnement réduit de la turbine à gaz dérivée aéro. Par exemple, le niveau de puissance de la turbine à gaz LMS100 refroidie atteint 100 MW et l'efficacité est aussi élevée que 46 %. L'efficacité thermique de la turbine à gaz WR21 avec refroidissement intermédiaire et récupération est beaucoup plus élevée en conditions de fonctionnement réduit par rapport à celle d'une turbine à gaz à cycle simple. En tant que propulsion navale, elle améliore considérablement l'économie et le rayon d'action du navire.

La puissance de sortie des turbines à gaz aéro-dérivées à cycle avancé utilisant l'interrefroidissement ou les cycles de récupération de chaleur interrefroidis a été considérablement augmentée, et l'efficacité thermique dans toutes les conditions de fonctionnement a été améliorée. Par exemple, le niveau de puissance peut atteindre 100 MW, et l'efficacité thermique au point de conception est aussi élevée que 46 % ; les performances à faible charge ont été significativement améliorées, avec une efficacité thermique pouvant atteindre 40 % sous une charge de 50 % ; l'interrefroidissement réduit la puissance spécifique du compresseur haute pression, et le rapport de compression global de la machine peut atteindre plus de 40.

Modèle de développement technologique

En examinant l'historique de développement, les turbines à gaz aéro-dérivées disposent de modèles de développement techniques tels que le développement généalogique, le développement en série, l'adoption de technologies de cycle avancé et l'application du mode de cycle combiné.

Développement généalogique

Le développement généalogique est le développement de turbines à gaz de différents types et niveaux de puissance basé sur le même moteur d'avion, ce qui reflète pleinement les caractéristiques des turbines à gaz dérivées de l'aviation : "une machine comme base, répondant à plusieurs usages, économisant des cycles, réduisant les coûts, générant plusieurs types et formant un spectre."

En prenant l'exemple du moteur d'avion CF6-80C2, la turbine à gaz LM6000 utilise directement le moteur central du CF6-80C2 et maintient la polyvalence maximale de la turbine basse pression ; l'LMS100 hérite de la technologie du moteur central du CF6-80C2, combine la technologie des turbines à gaz lourdes de classe F et la technologie de refroidissement intermédiaire, avec une puissance de 100 MW ; le MS9001G/H adopte entièrement la technologie mature du moteur d'avion CF6-80C2, et grâce à la combinaison avec la technologie des turbines à gaz lourdes, la température avant la turbine passe de 1287 ℃ de la classe F à 1430 ℃ , et la puissance atteint 282 MW. Le développement réussi des trois types de turbines à gaz a permis le développement aéronautique de l moteur d'avion CF6-80C2 pour atteindre "une machine avec plusieurs types, développant des turbines à gaz de différents types et puissances".

Développement en série

Le développement en série consiste à mettre continuellement à jour et à améliorer, à améliorer les performances et à réduire les émissions sur la base d'une turbine à gaz réussie, afin d'atteindre le développement en série des turbines à gaz dérivées de l'aéronautique, parmi lesquelles la série LM2500 est la plus typique, comme le montre la figure 2. La turbine à gaz LM2500 utilise le moteur central du moteur principal TF39/CF6-6, et remplace la turbine basse pression du moteur principal par une turbine à puissance ; la turbine à gaz LM2500+ ajoute une étape devant le compresseur de la turbine à gaz LM2500, afin d'améliorer le débit massique d'air et la puissance de sortie ; la LM2500+G4 augmente le débit d'air de la turbine à gaz en améliorant le profil des pales du compresseur et en augmentant la surface de gorge de la turbine sur la base de la LM2500+, afin d'atteindre l'objectif d'amélioration continue de la puissance de sortie. Avec le développement en série de la LM2500, le produit est continuellement mis à jour et amélioré, avec une plage de puissance de 20 à 35 MW, et le nombre d'équipements dans le monde dépasse 1 000 unités, ce qui en fait le modèle le plus largement utilisé à ce jour.

En raison des difficultés liées au développement et à la production, le développement en série basé sur une turbine à gaz réussie constitue un modèle technique important pour le développement des turbines à gaz dérivées de l'aérospatial. Il s'agit d'améliorer continuellement les performances et de réduire les émissions. Le développement en série des turbines à gaz dérivées de l'aérospatial est similaire au développement généalogique, ce qui permet non seulement de raccourcir le cycle de développement, mais aussi de garantir une meilleure fiabilité et avancée, tout en réduisant significativement les coûts de conception, de développement, de tests et de fabrication.

Efficacité

L'objectif de l'amélioration de l'efficacité est d'améliorer continuellement les performances globales de la machine, en particulier la puissance de sortie totale et l'efficacité thermique sous toutes les conditions de fonctionnement. Les principaux moyens sont les suivants.

L'une est l'application de cycles avancés. L'application de cycles avancés peut améliorer continuellement les performances des turbines à gaz aéro-dérivées, telles que le cycle de réchauffage, le cycle de reinjection de vapeur, le cycle de récupération chimique, le cycle d'air humide, le cycle avancé en série d'air humide pour turbine et le cycle Kalina, entre autres. Après l'application du cycle avancé, non seulement les performances de l'unité de turbine à gaz aéro-dérivée seront améliorées, mais la puissance et l'efficacité thermique de toute l'unité seront également significativement améliorées, ainsi que les émissions d'oxydes d'azote seront réduites de manière significative.

Le second est le design de composants à haute efficacité. Le design de composants à haute efficacité se concentre sur le design de compresseurs à haute efficacité et sur le design de turbines à haute efficacité. Le design de compresseurs à haute efficacité continuera de surmonter les difficultés techniques liées à la haute vitesse et à haute efficacité, ainsi qu'à la basse vitesse et aux limites de surgissement élevées auxquelles sont confrontés les compresseurs. Comme l'indique la figure 3, le design des turbines continuera de se développer dans la direction de l'efficacité élevée, de la résistance élevée à la température et d'une durée de vie longue.

Le troisième est la conception de systèmes aériens efficaces. Les directions de développement technique des systèmes aériens efficaces incluent le développement de technologies de scellage performantes, résistantes aux fuites et au port, telles que les joints en alvéoles, les joints minces, les joints à brosse et les joints combinés ; des technologies de conception de réduction de traînée efficace pour améliorer les performances du flux d'air, comme la conception de réduction de traînée de désrotation et la conception contrôlable de flux efficace ; des technologies avancées de conception de pré-rotation pour améliorer encore l'efficacité de pré-rotation, telles que la conception d'orifices de pré-rotation aérodynamique et la conception d'orifices de pré-rotation en cascade ; ainsi que des méthodes d'analyse de quantification d'incertitude pouvant améliorer la robustesse et la fiabilité des systèmes aériens, etc.

Conclusion

Les turbines à gaz dérivées de l'aérospatial sont largement utilisées dans la propulsion navale, la production d'électricité, la transmission mécanique, les plates-formes pétrolières offshore, la motorisation des chars et l'énergie distribuée grâce à leur large gamme de puissance, leur haute efficacité thermique, leur bonne maniabilité, leur longue durée de vie et leur fiabilité élevée. Avec le développement rapide de la technologie des moteurs aéronautiques et l'application continue de nouveaux designs et technologies, les turbines à gaz dérivées de l'aérospatial connaîtront une croissance rapide dans la direction de l'efficacité énergétique, de la faible carbonisation, de la qualité renouvelée et de l'intelligence numérique. La technologie de conception et de fabrication des turbines à gaz dérivées de l'aérospatial fera également de grands progrès, s'améliorant progressivement en termes d'économie, d'émissions polluantes réduites, de fiabilité et de facilité de maintenance, et leurs perspectives d'application seront inévitablement plus vastes.