Razvoj Tehnologije Plinskih Turbina Izvedenih iz Leteljnih Motora

Uzročeno političkim, vojnim i ekonomskim faktorima, razvoj tehnologije motornih avionskih motora je brži od onoga za plinske turbine. Plinske turbine i avionski motori imaju širok spektar tehničkih zajedničina, a mogu se dijeliti u dizajn sustavima, proizvodnim sustavima, talenatskim sustavima i testnim sustavima. Stoga, na temelju ogromne tržišne potrebe i jasnih primijenjivih prednosti plinskih turbine, postalo je industrijskom konsenzusom razvijati plinske turbine na temelju visokoučinkovitih, zrelých avionskih motora i naprednih industrijskih tehnologija i metoda dizajna. Postoji dva načina prijenosa tehnologije avionskog motora na plinske turbine, kao što je prikazano na slici 1: jedan je direktno modificirati i izvesti zrelé avionske动机e kako bi se stvorile derivativne plinske turbine; drugi je transplanirati tehnologiju avionskog motora na teske plinske turbine i razviti novu generaciju teskih plinskih turbine.

Istorijski razvoj derivativnih plinskih turbine

Uzajedno s razvojem tehnologije avionskih motora i primjenom napredne ciklusijske tehnologije, proces tehničkog razvoja deriviranih avijskih plinovitih turina prošao je kroz faze tehničkog istraživanja, razvoja tehnologije i primjene naprednih ciklusa, ostvarujući razvoj deriviranih avijskih plinovitih turina od jednostavnih modifikacija do optimiziranog dizajna visoko performantnog jezgra, od jednostavnog ciklusa do složenijeg primjene, od naslijeđivanja zrelog dizajniranog sustava i materijalnog sustava avionskih motora do dizajniranja novih komponenti i primjene novih materijala, što je omogućilo razini dizajna, performansi, pouzdanosti i životnom vijeku deriviranih avijskih plinovitih turina znatno se poboljšati.

Faza tehničkog istraživanja

1943. je uspješno razvijen svjetski prvi aero-dervatni plinski turbine. Nakon toga, Rolls-Royce, GE i Pratt & Whitney su dizajnirali prvu seriju aero-dervatnih plinskih turbina na temelju mature modifikacije zrakoplovnih motora, uključujući industrijsku Avon, industrijsku Olympus, Spey plinske turbine, LM1500 i FT4. U ovom se trenutku tehnologija aero-dervatnih plinskih turbina nalazila u istraživačkom razdoblju. Struktura je izravno nasljeđivala jezgra zrakoplovne mašine, a snaga je postignuta dodavanjem odgovarajuće turbine; ukupni performans mašine nije bio visok, a ciklusna učinkovitost je općenito bila manja od 30%; početna temperatura prije turbinom je bila manja od 1000 ℃ , a omjer tlaka je bio 4 do 10; kompresor je bio općenito subsoničan; lisice turbine koristile su jednostavnu tehnologiju hlađenja zrakom; materijal koji je korišten bio je početni visokotemperaturni spoj; sustav upravljanja općenito je koristio mehanički hidraulički ili analog elektronički regulator.

Teži razvoj tehnologije

S uzrelym primjenom avijskih motora, dostavljene su visokoučinkovite i pouzdane matične mašine te napredne dizajnerske tehnologije za brzi razvoj derivatnih plinovih turbini. Isto vrijeme, potražnja za naprednim derivatnim plinovim turbinama od strane mornarića Ujedinjenog Kraljevstva, Sjedinjenih Država i drugih zemalja također je pružila široku aplikacijsku scenu, što je omogućilo derivatnim plinovim turbinama da se brzo razviju i značajno poboljše svoje performanse. Pokrenute su serije derivatnih plinovih turbini s odličnim performansama i visokom pouzdanosti. Na primjer, serija LM2500, industrijska Trent, FT4000 i MT30 itd., široko se koriste u brodogradnji, proizvodnji električne energije i drugim područjima.

Komponente tople krajeve aero-deriviranih plinovih turbine u tehnološkom razvojnom stadiju općenito koriste super legure i zaštitne obloge kako bi se poboljšao otpor na temperaturu, a primjenjuju se napredne zrakove hladnjive tehnologije i tehnologija gorenja s niskim zagadivanjem; početna temperatura prije turbine dostiže 1400 ° C, snaga može biti 40-50MW, termička učinkovitost jedinice premašuje 40%, a učinkovitost kombiniranog ciklusa može biti 60%; koristi se digitalni elektronski upravljački sustav, a preciznost upravljanja i performanse upravljanja znatno su poboljšane.

Primijenite napredne cikluse

S ukrepljenjem zahtjeva za visokim performansama aeroderivatnih plinovih turbine, posebno potrošnje goriva, izlazne snage i drugih indikatora, napredne ciklusne aeroderivatne plinove turbine dobile su široku inženjersku primjenu. Dodavanje međuhlajadi ili ciklusa s povratnom toplinskom energijom na temelju termološkog ciklusa plinovite turbine može značajno poboljšati izlaznu snagu i performanse u niskim radnim uvjetima aeroderivatne plinovite turbine. Na primjer, snaga LMS100 međuhlajadne plinovite turbine dostiže 100 MW, a učinkovitost je čak 46%. Termološka učinkovitost WR21 međuhlajadne i recuperacijske plinovite turbine u niskim radnim uvjetima mnogo je viša od jednostavnog ciklusa plinovite turbine. Kao pogonski sustav broda, znatno poboljšava ekonomiju broda i bojni radijus.

Izlazna snaga naprednih ciklusičkih aeroderivatnih plinovih turbine, koje koriste interhladnju ili cikluse oporavka topline s interhladnjakom, znatno je povećana, a termodinamička učinkovitost u svim radnim uvjetima poboljšana. Na primjer, razina snage može dostići 100 MW, a termodinamička učinkovitost u projektuiranoj točki iznosi više od 46%; performanse pri niskim opterećenjima su značajno poboljšane, termodinamička učinkovitost može biti 40% pri opterećenju od 50%; interhladnja smanjuje specifičnu snagu visokoprilog compressora, a projektirani omjer tlaka cijelog stroja može premašiti 40.

Model razvoja tehnologije

Gledajući na povijest razvoja, aeroderivatne plinove turbine imaju modele tehničkog razvoja poput genealoškog razvoja, serijalnog razvoja, usvajanja napredne cikluse tehnologije i primjene kombiniranog ciklus moda.

Genealoški razvoj

Genealoški razvoj je razvoj plinskih turbine različitih vrsta i snaga temeljen na istom avijskom motoru, što potpuno odražava karakteristike avijskih derivacija plinskih turbine: "jedan stroj kao osnova, zadovoljava više namjena, štedi cikluse, smanjuje troškove, izvodi više vrsta i formira spektar."

Uzimajući CF6-80C2 avijski motor kao primjer, LM6000 plinska turbina izravno koristi jezgreni motor CF6-80C2 i održava maksimalnu univerzalnost niske-tlaka turbine; LMS100 nasljeđuje tehnologiju jezgre CF6-80C2, kombinira F-klasu tehnologiju teskih plinskih turbine i tehnologiju hlađenja između procesa, a ima snagu od 100MW; MS9001G/H potpuno koristi zrele tehnologije CF6-80C2 avijskog motora, a kroz kombiniranje s tehnologijom teskih plinskih turbine povećava temperaturu prije turbine s 1287 ℃ F klase na 1430 ℃ , a snaga dostiže 282MW. Usponijelo razvojna tri vrste plinovih turbine omogućila je avionski razvoj motora CF6-80C2 postići "jednu mašinu s više vrsta, razvijajući plinove turbine različitih vrsta i snaga".

Serija razvoj

Redoviti razvoj je kontinuirano unapređivanje i poboljšanje, poboljšanje performansi i smanjenje emisija na temelju uspješnog plinskega turbine, kako bi se postigao redoviti razvoj deriviranih plinskih turbine, među kojima je serija LM2500 najtipičnija, kao što je prikazano na slici 2. Plinska turbina LM2500 koristi jezgra motora majčine turbine TF39/CF6-6, a mijenja niskotlaknu turbine majčine turbine u moćnu turbine; plinska turbina LM2500+ dodaje jedan stupanj ispred kompresora plinske turbine LM2500, kako bi se povećala maseni protok zraka i izlazna snaga; LM2500+G4 povećava protok zraka plinske turbine poboljšanjem profila lopatica kompresora i povećanjem površine garla turbine na temelju LM2500+, kako bi se postiglo cilj neprestanog unapređivanja izlazne snage. Slijedeći redoviti razvoj LM2500-a, proizvod se neprestano unapređuje i poboljšava, s rasponom snage od 20 do 35MW, a broj uređaja širom svijeta premašuje 1,000 jedinica, čime postaje najširoko korišteniji model do danas.

Zbog teškoća u razvoju i proizvodnji, serijalni razvoj temeljen na uspješnom plinskom torku predstavlja važan tehnički model razvoja za derivirane avijske plinske turbine, koji podrazumijeva stalno unapređivanje i poboljšanje, poboljšanje performansi i smanjenje emisija. Serijski razvoj deriviranih avijskih plinskih turbine sličan je razvoju porodične linije, što ne samo da skrati razvojni ciklus, već također osigurava bolju pouzdanost i naprednost, a značajno smanjuje troškove dizajna, razvoja, testiranja i proizvodnje.

Učinkovitost

Cilj poboljšanja učinkovitosti je stalno unapređivanje performansi cijelog stroja, posebno izlazne moći cijelog stroja i topline efikasnosti u svim radnim uvjetima. Glavni načini su sljedeći.

Jedan je primjena naprednih ciklusa. Primjena naprednih ciklusa može neprestano poboljšati performanse aeroderivativnih plinovih turbine, poput ciklusa s ponovnim grijanjem, ciklusa s ponovnom injekcijom pare, hemijskog regeneracijskog ciklusa, mokrog zraka ciklusa, rednim mokrim zrakom naprednog turbinskog ciklusa i Kalina ciklusa itd. Nakon primjene naprednog ciklusa, ne samo da će se poboljšati performanse jedinice aeroderivativne plinove turbine, već će se također značajno poboljšati snaga i toplinska učinkovitost cijele jedinice, a emisije oksida dušika će se značajno smanjiti.

Drugi je dizajn komponenti s visokom učinkovitosti. Dizajn komponenti s visokom učinkovitosti usredotočen je na dizajn kompresora s visokom učinkovitosti i dizajn turbine s visokom učinkovitosti. Dizajn kompresora s visokom učinkovitosti nastavljat će prevazilaziti tehničke poteškoće visoke brzine i visoke učinkovitosti te niske brzine i granice velikog prijeloma kojima su kompresori suočeni. Kao što je prikazano na slici 3, dizajn turbinica će se nastaviti razvijati u smjeru visoke učinkovitosti, otpornosti na visoke temperature i duga trajeća.

Treći je dizajn učinkovitih zrakoprovodnih sustava. Smjerovi tehničkog razvoja učinkovitih zrakoprovodnih sustava uključuju razvoj tehnologija sigilanja s niskim protjecima, otpornim na oštećenje i učinkovitim, poput čepljenih sigilaca, tankoliscnih sigilaca, štampanih sigilaca i kombiniranih sigilaca; učinkovite tehnologije smanjenja upora za poboljšanje performansi zračnog toka, poput dizajna smanjenja upora de-swirl i kontroliranog dizajna za efikasan toček; napredne tehnologije pre-swirl dizajna za daljnji poboljšaj učinkovitosti pre-swirl, poput aerodinamičkog dizajna pre-swirl rupa i kaskadnog dizajna pre-swirl rupa; metode kvantifikacije neizvjesnosti koje mogu poboljšati robustnost i pouzdanost zrakoprovodnih sustava itd.

Zaključak

Aero-derivativni plinski turbine široko se koriste u brojnoj snazi, električnoj energiji, mehaničkoj transmisiji, offshore naftnim platformama, tenkinoj snazi i distribuiranoj energiji zbog široke raspona snage, visoke termičke učinkovitosti, dobre manevrabilnosti, dugačkog života i visoke pouzdanosti. S brzim razvojem tehnologije avijskih motora i neprestanim primjenom novih dizajna i tehnologija, aero-derivativne plinske turbine će se brzo razvijati u smjeru visoke učinkovitosti, smanjenja emisija ugljičnog dioksida, kvalitete i digitalne inteligencije. Dizajn i proizvodna tehnologija aero-derivativnih plinskih turbine također će napraviti velike napredke, postepeno se poboljšavajući u pogledu ekonomije, smanjenja zagađujućih emisija, pouzdanosti i održivosti, a perspektive primjene neizbježno će biti šire.