פיתוח טכנולוגי של טורבינות גז מבוססות אווירonaut

הושפע מהגורמים הפוליטיים, הצבאיים והכלכליים, התפתחות הטכנולוגיה של מנועי מטוסים היא מהירה יותר מזו של טורבינות גז. ישנה דמיון טכני רחב בין טורבינות גז למנועי מטוסים, וניתן לשתף אותם במערכות תכנון, מערכות ייצור, מערכות כישרונות ובמערכות בדיקה. לכן, בהתחשב בשוק הגדול והיתרונות האפליקטיביים הבולטים של טורבינות גז, הפך זה לקונסנסัส בתעשייה לפתח טורבינות גז על סמך מנועי מטוסים מתקדמים ומוכרים, וכן טכנולוגיות תעשייתיות מתקדמות ושיטות עיצוב. קיימות שתי דרכים להעברת הטכנולוגיה של מנועי מטוסים לטורבינות גז, כפי שמוצג בתרשים 1: אחת הוא לשנות ישירות ולהפיק מנועי מטוסים מוכרים כדי ליצור טורבינות גז נגזרות; והשנייה היא להעתיק את הטכנולוגיה של מנועי מטוסים לטורבינות גז כבדות ולפתח דור חדש של טורבינות גז כבדות.

היסטוריה של התפתחות טורבינות גז נגזרות

בנוסף לפיתוח טכנולוגיית מנועי התעופה וההאצה של טכנולוגיות מחזור מתקדמות, תהליך הפיתוח הטכני של מנועי גז מובנים אירופיים עבר את שלבי חקר הטכנולוגיה, פיתוח הטכנולוגיה ותפעול המחזור המתקדם, מה שמאפשר לפתח מנועי גז מובנים אירופיים מהתיקון הפשוט לעיצוב מנוע ידוע מופת מוגבר, מהמחזור הפשוט למשתמש במחזור מורכב, מההסתמך על מערכת העיצוב והחומר המוכרים של מנועי התעופה לעיצוב רכיבים חדשים ושימוש בחומרים חדשים, מה שמאפשר לרמת העיצוב, הביצועים, האמינות והחיים של מנועי הגז המובנים האירופיים להשיג פיתוח משמעותי.

שלב חקר הטכנולוגיה

ב-1943, נבנה בהצלחה הטורבינה הראשונה בעולם מבוססת אווירונאוטיקה. לאחר מכן, רולס-רויס, ג'יイי ופרט אנד ויטני תכננו את הדגמים הראשונים של טורבינות גז מבוססות אווירונאוטיקה על סמך שינויים במנועי מטוסים שוכלו, כולל טורבינות הגז האינדוסטריאליות Avon, Olympus, Spey, LM1500 ו-FT4. בשלב זה, טכנולוגיית הטורבינות המבוססות אווירונאוטיקה הייתה בשלב חקירה. המבנה ירש ישירות את הליבה של מנועי המטוסים, והעוצמה הושגה באמצעות התקנת טורבינה כוח מתאימה; הביצועים הכוללים של המכונה לא היו גבוהים, והיעילות המחזורית הייתה בדרך כלל פחות מ-30%; הטמפרטורה ההתחלתית לפני הטורבינה הייתה פחות מ-1000 ℃ , והיחס של הלחץ היה 4 ל-10; המאיץ היה בדרך כלל תת-סוני; חלקי הטורבינה השתמשו בטכנולוגיה פשוטה של קירור אוויר; החומר שהוקלט היה התכונה הראשונית של נייחות גבוהה; מערכת הבקרה השתמשה בדרך כלל במערכת מכנית הידראולית או אנלוגית אלקטרוניות.

שלב פיתוח הטכנולוגיה

עם התפתחותה של אפליקציות מנועי النفץ, טכנולוגיות תכנון מתקדמות ומכונות יסוד בעלות ביצועים גבוהים ו뢰אותיות גבוהה הופקו למתן דחיפה מהירה לפיתוחה של משפחת גז טורבינות מבוססות אוויר. באותו הזמן, הביקוש לגז טורבינות מבוססות אוויר מתקדמות מצד חיל הים של בריטניה, ארצות הברית ואחרים מספק במה נרחבת לשימוש, מה שמאפשר לפתח את הטורבינות Mbps איר בהרבה ובכך לשפר את הביצועים שלהם בצורה משמעותית. סדרה של גז טורבינות מבוססות אוויר עם ביצועים טובים ו信reliability הוצגו. כמו סדרת LM2500, התעשייה Trent, FT4000 ו-MT30 וכדומה, הם בשימוש נרחב בתחומים של כוח ספינה, ייצור חשמל ועוד.

הרכיבים של קצה חם של טורבינות גז מתקדמות בדרך כלל משתמשים בעלית-חומר ומכסים מגינים כדי לשפר את התנגדות הטמפרטורה, והן מתייחסות לטכנולוגיות רדיפת אוויר מתקדמות וטכנולוגיות בעירה עם תזוזה נמוכה; הטמפרטורה ההתחלתית לפני הטורבינה מגיעה ל-1400 ° C, הכוח יכול להגיע ל-40-50MW, יעילות החום של יחידה אחת עולה על 40%, ויעילות מחזור משולב יכולה להגיע ל-60%; מופעל מערכת שליטה אלקטרונית דיגיטלית, והדיוק של השליטה וביצועי השליטה שופרו באופן משמעותי.

החלו ציקלים מתקדמים

ככל שדרישות הביצועים הגבוהים של טורבינות גז מובאות מהאוויר, במיוחד הצריכה של דלק, כוח הפלט והמצביעים האחרים, עולות, טורבינות גז מובאות מהאוויר עם מחזור מתקדם קיבלו תקדים הנדסי רחבה. הוספת מחזור חום או מחזור חום בין-שלבי על בסיס מחזור החום של הטורבינה יכול לשפר באופן משמעותי את הכוח הפלט וביצועי מצב הפעולה הנמוך של הטורבינת הגז המובאת מהאוויר. למשל, רמת הכוח של הטורבינה LMS100 בין-המקרית מגיעה ל-100MW והיעילות שלה היא גבוהה מאוד ב-46%. היעילות الحرרתית של הטורבינה WR21 עם חזרת חום בין-שלבי במצב הפעלה נמוך הרבה יותר גבוהה מאשר זו של טורבינת גז מחזור פשוט. כמקור כוח עבור אוניות, זה משפר בצורה דרמטית את כלכליות האונייה ורדיוס הלחימה שלה.

העוצמה היציבה של טורבינות גז מתקדמות מחזוריות המשתמשות בקרניית חום או מחזורי חזרת חום עם קרנייה הוגדלה מאוד, והיעילות התרמית בכל תנאי פעולתים שופרה. למשל, רמת העוצמה יכולה להגיע ל-100MW, ויעילות התרמיות בנקודה של התכנון מגיעה עד 46%; הביצועים בתנאים נמוכים לשיפור משמעותי, ויעילות התרמיות יכולה להגיע ל-40% תחת עומס של 50%; הקרנייה מפחיתה את העוצמה הספציפית של דחיסה בעומס גבוה, והיחס לחץ של כל המערכת יכול להגיעה יותר מ-40.

מודל פיתוח טכנולוגי

בהסתכל על ההיסטוריה הפיתוחית, לטורבינות גז מטוס יש מודלים פיתוחיים כמו פיתוח יוחסין, פיתוח סדרתי, אימוץ טכנולוגיות מחזור מתקדם ושימוש במודל מחזור משולב.

פיתוח יוחסין

הפיתוח גנאלוגי הוא פיתוח טורבינות גז מסוגים שונים ועוצמות חזקה מבוססות על אותו מנוע אווירון, שמציג בצורה מלאה את התכונות של טורבינות גז נגזרות מאווירוניות: "מכונה אחת כבסיס, למלא שימושים מרובים, לחסוך מחזורים, להפחית עלויות, לייצר סוגים רבים ולהיווצר לספקטרום."

לדוגמה, המנוע האווירי CF6-80C2, טורבינת הגז LM6000 משתמשת ישירות במנוע הגרעין של CF6-80C2 ושומרת על המרבי של יישומי הטורבינה התחתונה; LMS100 יורשת את טכנולוגיית המנוע הגרעיני של CF6-80C2, משלבת את טכנולוגיית טורבינות הגז הכבדות מסדר F ואת טכנולוגיית הקירור בין-המצבים, ויש לה עוצמה של 100MW; MS9001G/H אומצת באופן מלא את הטכנולוגיה הניסיונית של מנוע האוויר CF6-80C2, ובאמצעות השילוב עם טכנולוגיית טורבינות הגז הכבדות, הטמפרטורה לפני הטורבינה עולה מ-1287 ℃ של סדר F ל-1430 ℃ , והעוצמה מגיעה ל-282MW. הפיתוח הצלחתי של שלושת סוגי הטורבינות הגז מאפשר את הפיתוח המבוסס על תעופה של מנוע התעופה CF6-80C2 כדי להשיג "מכונה אחת עם מספר סוגים, פיתוח טורבינות גז מסוגים ועוצמות שונים".

פיתוח סדרה

הפיתוח סדרתי הוא לשדרג ולשפר באופן רציף, לשפר את הביצועים ולהפחית את הפליטות על בסיס של טורבינה גז מוצלחת, כדי להשיג פיתוח סדרתי של טורבינות גז נגזרות מאווירונאוטיקה, שבהן סדרת LM2500 היא הטיפוסית ביותר, כפי שמוצג בתרשים 2. טורבינת הגז LM2500 משתמשת במנעול המהיר של המנוע האם TF39/CF6-6, ומשנה את טורבינת הלחץ הנמוך של המנוע האם לטורבינה כוח; טורבינת הגז LM2500+ מוסיפה שלב לפני דחיסה של טורבינת הגז LM2500, כדי לשפר את זרימת האוויר והכוח הפלוטי; LM2500+G4 מגדילה את שיעור זרימת האוויר של הטורבינה על ידי שיפור פרופיל חלקי הדחיסה והגדלת שטח גרון הטורבינה על בסיס של LM2500+, כדי להשיג את המטרה של שיפור רציף של הכוח הפלוטי. עם הפיתוח הסדרתי של LM2500, המוצר משודרג ושופר באופן רציף, עם טווח כוח של 20 עד 35MW, ומספר המכשירים ברחבי העולם עולה על אלף יחידות, מה שהופך אותו למודל הרחב ביותר בשימוש עד כה.

בגלל הקושי בפיתוח וביצור, הפיתוח סדרתי המבוסס על גזונדורף מוצלח הוא מודל פיתוח טכני חשוב לגזונדורפים שמגיעים מהאווירונאוטיקה, שנועד לשפר ולשפר באופן מתמשך, לשפר את הביצועים ולהפחית את השחרורים. הפיתוח הסדרתי של גזונדורפים שמגיעים מהאווירונאוטיקה דומה לפיתוח משפחתי, שאפשר לא רק לקצר את מחזור הפיתוח, אלא גם להבטיח אמינות ותקדמות טובות יותר, ולהפחית בצורה ניכרת את העלות של תכנון, פיתוח, בדיקות והפקה.

יעילות

המטרה לשיפור האפקטיביות היא לשפר באופן מתמשך את הביצועים של המכונה כולה, במיוחד את הכוח הפלילי של המכונה כולה ואת האפקטיביות الحرרתית בכל תנאי פעילות. הדרכים העיקריות הן כדלקמן.

אחד הוא יישום מחזורים מתקדמים. יישום מחזורים מתקדמים יכול לשפר את הביצועים של טורבינות גז אירו-האיטיות באופן מתמשך, כמו מחזור חימום חוזר, מחזור שילוב בخار, מחזור חזר כימי, מחזור אוויר לח, מחזור אוויר לח מתקדם בסדרה ומחזור קאלינה וכו'. לאחר יישום המחזור המתקדם, לא רק שהביצועים של יחידת הטורבינה הגזית האירו-האיטית ישתפרו, אלא גם הכוח והיעילות الحرרתית של כל היחידת תשתפרו בצורה ניכרת, והפליטת חמצון חנקן תירד באופן משמעותי.

השני הוא תכנון מרכיבים בעלות יעילות גבוהה. תכנון מרכיבים בעלות יעילות גבוהה מתמקד בתכנון דחיסות בעלות יעילות גבוהה ותכנון טורבינה בעלות יעילות גבוהה. תכנון דחיסות בעלות יעילות גבוהה ימשיך להתגבר על הקשיים הטכניים של מהירות גבוהה ויעילות גבוהה, וכן מהירות נמוכה וגבול התסיסה הגבוה שדוחיסות מواجهות. כפי שמוצג בתרשים 3, תכנון הטורבינות ימשיך לפתח בכיוון של יעילות גבוהה, התנגדות לטמפרטורות גבוהות וחיים ארוכים.

השלישי הוא תכנון של מערכות אוויר יעילות. כיווני הפיתוח הטכני של מערכות אוויר יעילות כוללים את פיתוח טכנולוגיות סיגור יעילות, אטומות ומחמירות ליריב, כגון סיגורי קומת עב, סיגורי דף דק, סיגורי מברשת וסיגורים משולבים; טכנולוגיות תכנון להפחתת גרירה יעילות כדי לשפר את ביצועי זרימת האוויר, כמו תכנון להפחתת גרירה של זרימה חזרה ועיצוב יעיל ותאום של זרימה; טכנולוגיות עיצוב מוקדם יותר כדי לשפר את יעילות הזרימה המוקדמת, כמו תכנון חור זרימה אווירודינמי ועיצוב חור זרימה מדורגת; ושיטות ניתוח קוונטיפיקציה של אי-וודאות שיכולים לשפר את העמידות והנאמנות של מערכות האוויר, וכו'.

מסקנות

טורבינות גז מתקדמות מבוססות אווירונאוטיקה בשימוש נרחב בכוח אוניות, חשמל, שילוב כוח, תחנות קיטור ימיות, חזק טנקים וพลיטת אנרגיה מסודרת בגלל טווח הכוח הרחב שלהן, יעילות תרמית גבוהה, יכולת מניאוב טובה, חיים ארוכים ואמינות גבוהה. עם הפיתום המהיר של הטכנולוגיה של מנועי תעופה וההישג המתמיד של תכנונים חדשים וטכנולוגיה, תורבינות גז מבוססות אווירונאוטיקה יפתחו במהירות לכיוון יעילות גבוהה יותר, פחמן נמוך יותר, איכות חדשה ודיגיטציה חכמה. גם הטכנולוגיה של עיצוב וייצור של תורבינות גז מבוססות אווירונאוטיקה תעשה התקדמות גדולה, תשתפר בהדרגה במונחים של כלכלה, פליטת זיהום נמוכה, אמין ויכולת תחזוקה, והניבויים לשימושים עתידיים יהיו ללא ספק רחבים יותר.