Légiműszer-származékos gázgerendelő technológia fejlesztése

A politikai, hadi és gazdasági tényezők hatására a repülőgép motorjainak fejlesztése gyorsabb, mint a gázturbináké. A gázturbinák és a repülőgép-motorok között széles körű technológiai közös vonások vannak, amelyek tervezési rendszerekben, gyártási rendszerekben, zseni rendszerekben és tesztelési rendszerekben oszthatók meg. Ezért, a gázturbinák immenso gazdasági igényei és nyilvánvaló alkalmazási előnyei alapján egy ipari egyetértés lett abból, hogy a gázturbinákat magas teljesítményű, érett repülőgép-motorokból és haladó ipari technológiákból fejlesszük ki tervezési módszerekkel. Kétféle út létezik a repülőgép-motor technológia átvitelére a gázturbinákba, ahogy az 1. ábrán látható: az egyik lehetőség azzal, hogy közvetlenül módosítjuk és deriváljuk a felnőtt repülőgép-motorokat, hogy légijáró derivált gázturbinákat hozzunk létre; a másik lehetőség pedig, hogy átvesszük a repülőgép-motor technológiát a nehéy gázturbinákra és fejlesszünk ki új generációjú nehéy gázturbinákat.

Fejlődési története a légijáró derivált gázturbináknak

Az aviációs motor technológia fejlesztésével és a haladó ciklus technológia alkalmazásával az áttöré Friedmann-gépek technikai fejlesztési folyamata áthaladt a technológiai feltárás, technológiai fejlesztés és haladó ciklus alkalmazásának szakaszain, megvalósítva az áttöré Friedmann-gépek fejlesztését egyszerű módosítástól a nagy teljesítményű magmotor optimalizálásig, egyszerű ciklustól a bonyolult ciklusok alkalmazásáig, valamint a repülőgép motorként ismert tervezési rendszer és anyagrendszer örökletétől az új komponensek tervezéséig és az új anyagok alkalmazásáig, amelyek lehetővé tették az áttöré Friedmann-gépek tervezési szintjének, teljesítményének, megbízhatóságának és élettartamának jelentős fejlődését.

Technológiai feltárási szakasz

1943-ban sikerült kidolgozni a világ első légi derivált gázgerendát. Ezt követően a Rolls-Royce, GE és Pratt & Whitney tervezte meg az első csomóponti légi derivált gázgerendákat érett repülőgépi motorok módosításából, beleértve az ipari Avon-t, az ipari Olympuszt, a Spey gázgerendát, az LM1500 és az FT4-et. Ezen időszakban a légi derivált gázgerendák technológiája fedező szakaszban volt. A szerkezet közvetlenül örökítette a repülőgépi motor magját, és a kimeneti teljesítményt alkalmas hatásturbínával érték el; a gép általános teljesítménye nem volt magas, és a ciklus hatékonysága általánosan 30%-nál kevesebb volt; a turbín elé előző hőmérséklet alacsonyabb volt, mint 1000 ℃ , és a nyomásarány 4 és 10 között volt; a tömörítő általában alulhangos sebességű volt; a turbinaszárak egyszerű levegőhűtést használtak; aanyagokkal kezdték; az irányítási rendszer általában mechanikus hidraulikus vagy analog elektronikus szabályozórendszert használt.

Technológiai fejlesztési szakasz

Az repülőgép-motorok érett alkalmazásával magas teljesítményű, magas megbízhatóságú alapmotorokat és haladó tervezési technológiákat szereztek be a gyors fejlődéséhez az áttérített gázgenerátoroknak. Egyszerre az Egyesült Királyság, az Egyesült Államok és más országok tengerészeti erejeinek igénye is egy úttörő áttérített gázgenerátorokra széles alkalmazási teret biztosított, amely lehetővé tette az áttérített gázgenerátorok gyors fejlődését és jelentős teljesítményjük javulását. Sorozatosan elérhető, jól teljesítményes és megbízható áttérített gázgenerátorok, mint például az LM2500 sorozat, az ipari Trent, az FT4000 és az MT30 stb., szélesekben használva vannak a hajóerőforrásokban, az elektromos energia termelésében és más területeken.

Az aeroderivált gázgerendek technológiai fejlesztési szakaszában lévő forró végpontú komponensek általában szuperhúsokat és védelmi fürdőket használnak a hőellenállás javítására, és alkalmazzák a haladó légfűtést és a környezetbarát égési technológiát; a turbin elötti kezdeti hőmérséklet 1400 ° C-ra elérhető, a teljesítmény 40-50MW lehet, az egyesített egység hőhatékonysága meghaladja a 40%-ot, és a kombinált ciklus hatékonysága 60%-ra elérhető; digitális elektronikus vezérlőrendszer használatos, és a vezérlési pontosság és a vezérlési teljesítmény jelentősen növekedik.

Alkalmazzon haladó ciklusokat

Ahogy növekszik a légkörrel kapcsolatos gázgerendek teljesítményre vonatkozó igénye, különösen a üzemanyagfogyasztásra, a kimeneti teljesítményre és más mutatókra nézve, a haladó ciklusú légkörrel kapcsolatos gázgerendek széles körű mérnöki gyakorlatba kerültek. A gázgerend hőciklusára alkalmazott interhűtés vagy interhűtött hővisszanyeréses ciklus jelentősen javíthatja a légkörrel kapcsolatos gázgerend kimeneti teljesítményét és alacsony működési feltételek közötti teljesítményét. Például az LMS100 interhűtött gázgerend teljesítményszintje 100 MW, és az efficienciája akár 46%-os is lehet. A WR21 interhűtött visszanyeréses gázgerend alacsony működési feltételek közötti hőefficienciája sokkal magasabb egy egyszerűsített ciklusú gázgerendenél. Hajóerőforrásként nagymértékben javítja a hajó gazdaságosságát és harci sugárát.

Az új generációbeli ciklusú aeroderivált gázgerendek kimeneti teljesítménye jelentősen növekedett interhűtés vagy interhűtött hővisszanyeréses ciklusok használatával, és a thermikus hatékonyság minden működési feltétel között javult. Például a teljesítmény szintje elérheti a 100 MW-t, és a tervezési pontban a thermikus hatékonyság akár 46%-os lehet; az alacsony működési feltételek jelentősen javultak, a thermikus hatékonyság 40%-os lehet a 50%-os terhelésnél; az interhűtés csökkenti a magas nyomású tömörítő speciális teljesítményét, és a teljes gép tervezett nyomásaránya elérheti a 40-nál is többet.

Technológiai fejlesztési modell

A fejlődés történetének megvizsgálására az aeroderivált gázgerendek technológiai fejlesztési modelleket tartalmaznak, mint a genealógiailag rendezett fejlesztés, a sorozati fejlesztés, az új generációbeli ciklus technológiák alkalmazása és a kombinált ciklus üzemmód alkalmazása.

Genealógiai fejlesztés

A genealógiai fejlesztés azonos repülőgép motort használva különböző típusú és teljesítményszintű gázgerendek fejlesztésére szolgál, amely teljesen megjeleníti a repülőgép-származó gázgerendek jellemzőit: „egy gép bázisként, több célra alkalmas, ciklusok mentése, költségek csökkentése, több típus létrehozása, és spektrum kialakítása.”

A CF6-80C2 repülőgép motort vegyük példaként, az LM6000 gázgerend közvetlenül felhasználja a CF6-80C2 magmotorát, és megtartja a háromszintű alacsony nyomású turbin maximális versenyképességét; az LMS100 örökli a CF6-80C2 magmotor technológiáját, kombinálja az F-osztályú nehézig gázgerend technológiáját és interhűtési technológiáját, és 100 MW teljesítményű; az MS9001G/H teljes egészében alkalmazza a CF6-80C2 repülőgép motorának biztosított technológiáját, és a nehézig gázgerend technológia kombinálásával a turbin előtti hőmérséklet növelődött 1287 ℃ az F-osztályról 1430-ra ℃ , és a teljesítmény elérte 282MW-t. A három típusú gázgerendő sikeres fejlesztése lehetővé tette az aviációs alapú CF6-80C2 repülőgép-motor fejlesztését, hogy elérje a "több típus egy gépen, különböző típusú és teljesítményű gázgerendők fejlesztését".

Sorozatfejlesztés

A sorozati fejlesztés folyamatos frissítést és javítást céloz, teljesítmény növelését és kibocsátás csökkentését egy sikeres gázgerendel alapján, hogy elérje az általánosított gázgerendel fejlesztését, amelyek közül az LM2500 sorozat a legtipikusabb, ahogy azt ábra 2 mutatja. Az LM2500 gázgerendel a szülőgép TF39/CF6-6 magmotorát használja, és a szülőgép alacsony nyomású gázturbínáját műhajtató turbínává változtatja; az LM2500+ gázgerendel egy szintet ad hozzá az LM2500 gázgerendel tömörítőjének elejére, hogy növelje a légmassaáramlást és a kimeneti teljesítményt; az LM2500+G4 pedig a légáramlási sebességet növeli a tömörítő lapprofiljavításokkal és a gázturbína torkoló területének növelésével az LM2500+ alapján, hogy folyamatosan javítsa a kimeneti teljesítményt. Az LM2500 sorozati fejlesztésével a termék folyamatosan frissül és javul, 20–35MW teljesítménnyel, és világszerte több mint 1000 darab eszköz van, ami teszi azt a legelterjedtebb modellé ma.

A fejlesztési és gyártási nehézségek miatt az sikeres gázgerendel alapján készült sorozati fejlesztés fontos technikai fejlesztési modell a repülőgép-származékos gázgerendelek számára, amely folyamatos fejlesztést és javítást jelent, teljesítmény-növelést és kibocsátás-csökkentést. A repülőgép-származékos gázgerendelek sorozati fejlesztése hasonló a nemesítési fejlesztéshez, amely nemcsak rövidíti a fejlesztési ciklust, hanem biztosítja jobb megbízhatóságot és haladottságot, és jelentősen csökkenti a tervezési, fejlesztési, tesztelési és gyártási költségeket.

Hatékonyság

A hatékonyság növelésének célja a teljes gép teljesítményének folyamatos javítása, különösen a teljes gép kimeneti teljesítménye és a thermikus hatékonysága minden működési feltétel között. A fő módszerek a következők.

Egy az előrehaladott ciklusok alkalmazása. Az előrehaladott ciklusok alkalmazása folyamatosan javíthatja az aeroderivált gázgerendákon való teljesítményt, például a újraforrósítási ciklus, a páraújraszivárgató ciklus, a kémiai visszatermelő ciklus, a zöldségű levegő ciklus, a soros zöldségű levegő fejlett turbinaciklus és a Kalina-ciklus stb. Az előrehaladott ciklusok alkalmazásával nemcsak az aeroderivált gázgerendával rendelkező egység teljesítménye javul, hanem az egész egység teljesítménye és hőhatékonysága is jelentősen növekszik, és az oxiddioxid-kibocsátás is jelentősen csökken.

A második nagyhatékonyságú komponens-tervezés. A nagyhatékonyságú komponens-tervezés fókuszál a nagyhatékonyságú tömörítő és a nagyhatékonyságú turbinatervezés irányába. A nagyhatékonyságú tömörítő-tervezés továbbra is fel fogja újítani a magas sebességű és nagyhatékonyságú, valamint lassú sebességű és magas szüneti határértékeket érintő technológiai nehézségeket, amelyekkel a tömörítők néznek szembe. Ahogy az ábra 3-ban látható, a turbinák tervezése továbbra is fejlődik a nagyhatékonyság, a magas hőmérsékletű ellenállás és a hosszú élettartam irányában.

A harmadik a hatékony légrendszer tervezése. A hatékony légrendszer technikai fejlesztési irányai közé tartozik a csökkenett füstelésű, auszereálló és hatékony zárótechnológiák fejlesztése, például a méhcsomó-szegélyek, vékony lapos szegélyek, vasszál szegélyek és kombinált szegélyek; a légáram láthatóságának javítására alkalmas hatékony súrlódás csökkentő tervezési technológiák, mint a de-swirl súrlódás csökkentő tervezés és az áramhatékony vezérlhető tervezés; a továbbiakban pedig a pré-swirl hatékonyság javítása érdekében fejlett pré-swirl tervezési technológiák, mint például az aerodinamikai pré-swirl lyuk tervezés és a kaskád pré-swirl lyuk tervezés; valamint az egyértelműség mennyiségi elemzési módszerek, amelyek növelhetik a légrendszerek robusztusságát és megbízhatóságát, stb.

Következtetés

Az aeroderivált gázgerendákat széles teljesítménnyal, magas hőhatékonysággal, jó manőverességgel, hosszú élettel és magas megbízhatósággal rendelkező tulajdonságuk miatt gyakran használják a hajóerőforrásokban, az elektromos energia-, gépi átvitelben, tengeri olajplatformokon, tenyészgép erőforrásokban és decentralizált energiában. Az repülőgép motorjainak gyors fejlődésével és az új tervek és technológiák folyamatos alkalmazásával az aeroderivált gázgerendák gyorsan fejlődnek a magas hatékonyság, alacsony szénkiadás, minőség és digitális intelligencia irányába. Az aeroderivált gázgerendáknak a tervezési és gyártási technológiái is jelentős előrelépést fogjanak tenni, lassan javítva gazdasági, környezetbarát kiadások, megbízhatóság és karbantartás terén, amelyekkel szemben a felhasználási lehetőségek természetesen szélesebbek lesznek.