Sviluppo della Tecnologia dei Gas Turbine Derivati dall'Aerospazio

Influenzato da fattori politici, militari ed economici, lo sviluppo della tecnologia dei motori aeronautici è più rapido di quello dei turbogas. I turbogas e i motori aeronautici condividono ampie caratteristiche tecniche e possono essere integrati nei sistemi di progettazione, nei sistemi di produzione, nei sistemi di talento e nei sistemi di prova. Pertanto, basandosi sulla grande richiesta di mercato e sui vantaggi di applicazione evidenti dei turbogas, è diventata una consapevolezza industriale sviluppare turbogas basati su motori aerei ad alta prestazione e maturi, nonché su tecnologie industriali avanzate e metodi di progettazione. Esistono due modi per trasferire la tecnologia dei motori aeronautici ai turbogas, come mostrato nella Figura 1: uno consiste nel modificare direttamente i motori aerei maturi per formare turbogas derivati dall'aviazione; l'altro prevede il trasferimento della tecnologia dei motori aeronautici ai turbogas pesanti e la ricerca e lo sviluppo di una nuova generazione di turbogas pesanti.

Storia dello Sviluppo dei Turbogas Derivati dall'Aviazione

Insieme allo sviluppo della tecnologia dei motori aeronautici e all'applicazione di tecnologie avanzate di ciclo, il processo di sviluppo tecnologico dei gas turbinati derivati dall'aviazione ha attraversato la fase di esplorazione tecnologica, la fase di sviluppo tecnologico e la fase di applicazione del ciclo avanzato, realizzando lo sviluppo dei gas turbinati derivati dall'aviazione da semplice modifica a progettazione ottimizzata di motori principali ad alta prestazione, da ciclo semplice a applicazione di ciclo complesso, dall'eredità del sistema di progettazione maturo e del sistema di materiali dei motori aeronautici al progetto di nuovi componenti e all'applicazione di nuovi materiali, il che ha permesso al livello di progettazione, alle prestazioni, alla affidabilità e alla durata dei gas turbinati derivati dall'aviazione di raggiungere uno sviluppo considerevole.

Fase di esplorazione tecnologica

Nel 1943, è stata sviluppata con successo la prima turbina a gas derivata dall'aeronautica al mondo. Successivamente, Rolls-Royce, GE e Pratt & Whitney hanno progettato il primo gruppo di turbine a gas derivate dall'aeronautica basate su modifiche di motori aerei maturi, inclusi Avon industriale, Olympus industriale, turbine a gas Spey, LM1500 e FT4. In questa fase, la tecnologia delle turbine a gas derivate dall'aeronautica si trovava in un periodo esplorativo. La struttura ereditava direttamente il nucleo del motore aereo, e la potenza era raggiunta dotando di un adeguato turbine motrice; le prestazioni complessive della macchina non erano elevate, e l'efficienza del ciclo era generalmente inferiore al 30%; la temperatura iniziale prima della turbina era inferiore a 1000 ℃ , e il rapporto di pressione era di 4 a 10; il compressore era generalmente subsonico; le pale della turbina utilizzavano una semplice tecnologia di raffreddamento ad aria; il materiale utilizzato era l'iniziale lega ad alta temperatura; il sistema di controllo utilizzava generalmente un sistema di regolazione meccanico idraulico o elettronico analogico.

Fase di Sviluppo Tecnologico

Con il maturarsi dell'applicazione dei motori a reazione, sono stati forniti macchinari di base ad alta prestazione e alta affidabilità, nonché tecnologie di progettazione avanzate, per lo sviluppo rapido dei gas turbine derivati dall'aeronautica. Nello stesso tempo, la richiesta di gas turbine avanzate da parte delle marine del Regno Unito, degli Stati Uniti e altri paesi ha anche offerto un ampio palcoscenico applicativo, consentendo ai gas turbine derivati dall'aeronautica di svilupparsi rapidamente e migliorare significativamente le loro prestazioni. Sono stati lanciati una serie di gas turbine derivati dall'aeronautica con buone prestazioni ed alta affidabilità. Ad esempio, la serie LM2500, il Trent industriale, il FT4000 e il MT30, che vengono utilizzati in modo diffuso nei campi della propulsione navale e della produzione di energia.

I componenti della parte calda dei motori a gas derivati dall'aeronautica, nello stadio di sviluppo tecnologico, utilizzano generalmente superleghe e rivestimenti protettivi per migliorare la resistenza termica e applicano tecnologie avanzate di raffreddamento ad aria e tecnologie di combustione a basso inquinamento; la temperatura iniziale prima del turbine raggiunge i 1400 ° C, la potenza può arrivare a 40-50 MW, l'efficienza termica del singolo impianto supera il 40%, e l'efficienza del ciclo combinato può raggiungere il 60%; viene utilizzato un sistema di controllo digitale elettronico, e la precisione e le prestazioni di controllo sono significativamente migliorate.

Applicare cicli avanzati

Al crescere delle esigenze di alta prestazione per i motori a gas derivati dall'aeroderivato, in particolare il consumo di carburante, la potenza erogata e altri indicatori, i motori a gas derivati con cicli avanzati hanno guadagnato una pratica ingegneristica diffusa. L'aggiunta di un ciclo di intercooling o di recupero termico intercooling alla base del ciclo termico del motore a gas può migliorare significativamente la potenza erogata e le prestazioni in condizioni operative basse del motore a gas aeroderivato. Ad esempio, il livello di potenza del motore a gas intercooling LMS100 raggiunge 100 MW e l'efficienza è elevata fino al 46%. L'efficienza termica del motore a gas WR21 con intercooling e recupero termico in condizioni operative basse è molto superiore a quella di un motore a gas ad ciclo semplice. Utilizzato come propulsione navale, migliora notevolmente l'economia e il raggio d'azione della nave.

La potenza di uscita dei turbogas aderivati avanzati con ciclo intercooling o cicli di recupero termico intercooling è aumentata notevolmente, e l'efficienza termica in tutte le condizioni operative è stata migliorata. Ad esempio, il livello di potenza può raggiungere 100 MW, e l'efficienza termica al punto di progetto è alta quanto il 46%; le prestazioni a basso carico sono state significativamente migliorate, l'efficienza termica può raggiungere il 40% a carico del 50%; l'intercooling riduce la potenza specifica del compressore ad alta pressione, e il rapporto di compressione progettato per l'intera macchina può raggiungere più di 40.

Modello di sviluppo tecnologico

Guardando alla storia dello sviluppo, i turbogas aderivati hanno modelli di sviluppo tecnologico come sviluppo genealogico, sviluppo seriale, adozione di tecnologie di ciclo avanzato e applicazione della modalità di ciclo combinato.

Sviluppo genealogico

Lo sviluppo genealogico è lo sviluppo di turbine a gas di diversi tipi e livelli di potenza basati sullo stesso motore aeronautico, che riflette appieno le caratteristiche delle turbine a gas derivate dall'aviazione: "un macchina come base, per soddisfare molti usi, risparmiando cicli, riducendo costi, derivando vari tipi e formando uno spettro."

Prendendo ad esempio il motore aereo CF6-80C2, la turbina a gas LM6000 utilizza direttamente il motore nucleo del CF6-80C2 e mantiene la massima versatilezza del turbina a bassa pressione; l'LMS100 eredita la tecnologia del motore nucleo del CF6-80C2, combina la tecnologia della turbina a gas pesante classe F e la tecnologia di raffreddamento intermedio, con una potenza di 100MW; il MS9001G/H utilizza completamente la tecnologia matura del motore aereo CF6-80C2, e attraverso la combinazione con la tecnologia della turbina a gas pesante, la temperatura prima della turbina aumenta da 1287 ℃ della classe F a 1430 ℃ , e la potenza raggiunge 282MW. Lo sviluppo con successo dei tre tipi di turbine a gas ha permesso lo sviluppo basato sull'aviatica del motore aereonautico CF6-80C2 di realizzare "una macchina con più tipi, sviluppando turbine a gas di diversi tipi e potenze".

Sviluppo in serie

Lo sviluppo seriale consiste nell'aggiornare e migliorare continuamente, migliorare le prestazioni e ridurre le emissioni sulla base di un motore a gas efficace, al fine di raggiungere lo sviluppo seriale dei motori a gas derivati dall'aviazione. Tra questi, la serie LM2500 è la più tipica, come mostrato nella Figura 2. Il motore a gas LM2500 utilizza il motore nucleo del motore principale TF39/CF6-6 e trasforma il turbina a bassa pressione del motore principale in una turbina potenza; il motore a gas LM2500+ aggiunge una fase davanti al compressore del motore a gas LM2500 per migliorare il flusso di massa d'aria e la potenza di uscita; il LM2500+G4 aumenta il flusso d'aria della turbina a gas migliorando il profilo delle pale del compressore e aumentando l'area della gola della turbina sulla base del LM2500+, al fine di raggiungere l'obiettivo di migliorare continuamente la potenza di uscita. Con lo sviluppo seriale del LM2500, il prodotto viene continuamente aggiornato e migliorato, con una gamma di potenza compresa tra 20 e 35 MW, e il numero di impianti in tutto il mondo supera le 1.000 unità, rendendolo il modello più ampiamente utilizzato fino ad oggi.

A causa della difficoltà dello sviluppo e della produzione, lo sviluppo seriale basato su un turbogas di successo rappresenta un importante modello di sviluppo tecnico per i turbogas derivati dall'aviazione, che prevede continui aggiornamenti e miglioramenti, migliorando le prestazioni e riducendo le emissioni. Lo sviluppo seriale dei turbogas derivati dall'aviazione è simile allo sviluppo genealogico, il che permette non solo di abbreviare il ciclo di sviluppo, ma anche di garantire una maggiore affidabilità ed avanzamento, riducendo in modo significativo i costi di progettazione, sviluppo, test e produzione.

Efficienza

L'obiettivo del miglioramento dell'efficienza è quello di migliorare continuamente le prestazioni complessive della macchina, in particolare la potenza di uscita complessiva e l'efficienza termica in tutte le condizioni operative. I principali metodi sono i seguenti.

Uno è l'applicazione di cicli avanzati. L'applicazione di cicli avanzati può migliorare continuamente le prestazioni dei motori a gas derivati dall'aeroderivato, come il ciclo di riscaldamento, il ciclo di reiniezione di vapore, il ciclo di recupero chimico, il ciclo di aria umida, il ciclo avanzato di serie di aria umida e il ciclo Kalina, ecc. Dopo aver applicato il ciclo avanzato, non solo si miglioreranno le prestazioni dell'unità del motore a gas derivato dall'aeroderivato, ma aumenteranno anche la potenza ed l'efficienza termica dell'intera unità, riducendo significativamente le emissioni di ossidi di azoto.

Il secondo è il progetto di componenti ad alta efficienza. Il progetto di componenti ad alta efficienza si concentra sul progetto di compressori ad alta efficienza e sul progetto di turbine ad alta efficienza. Il progetto di compressori ad alta efficienza continuerà a superare le difficoltà tecniche legate alla velocità elevata ed alta efficienza, nonché alla bassa velocità e al limite di surroggio affrontato dai compressori. Come mostrato nella Figura 3, il progetto delle turbine continuerà a svilupparsi nella direzione di alta efficienza, resistenza ad alte temperature e lunga durata.

Il terzo è il design di sistemi aerodinamici efficienti. Le direzioni di sviluppo tecnico dei sistemi aerodinamici efficienti includono lo sviluppo di tecnologie di sigillamento a bassa perdita, resistenti all'usura ed efficienti, come sigilli a alveolo, sigilli a foglia sottile, sigilli a spazzola e sigilli combinati; tecnologie di progettazione efficienti per la riduzione della trascinante per migliorare le prestazioni del flusso d'aria, come la progettazione di riduzione della trascinante con eliminazione del vortice e la progettazione controllabile ad alta efficienza di flusso; avanzate tecnologie di progettazione pre-vortice per migliorare ulteriormente l'efficienza pre-vortice, come la progettazione di fori pre-vortice aerodinamici e la progettazione di fori pre-vortice a cascata; metodi di analisi di quantificazione dell'incertezza in grado di migliorare la robustezza e la affidabilità dei sistemi aerodinamici, ecc.

Conclusione

I turbini a gas derivati dall'aeronautica sono ampiamente utilizzati in propulsione navale, produzione di elettricità, trasmissione meccanica, piattaforme petrolifere offshore, potenza per carri armati e energia distribuita grazie alla loro vasta gamma di potenza, alta efficienza termica, buona maneggevoleità, lunga durata e alta affidabilità. Con lo sviluppo rapido della tecnologia dei motori aeronautici e l'applicazione continua di nuovi progetti e tecnologie, i turbini a gas derivati dall'aeronautica si svilupperanno rapidamente verso una direzione di alta efficienza, bassa carbonizzazione, nuova qualità e digitalizzazione intelligente. La tecnologia di progettazione e produzione dei turbini a gas derivati dall'aeronautica farà anche grandi progressi, migliorando gradualmente in termini di economia, emissioni a basso inquinamento, affidabilità e manutenibilità, e le prospettive di applicazione saranno inevitabilmente più ampie.