エアロデリバティブガスタービン技術の開発

政治、軍事、経済的な要因の影響を受け、航空機エンジン技術の発展はガスタービンよりも速いです。ガスタービンと航空機エンジンには多くの技術的共通点があり、設計システム、製造システム、人材システム、試験システムで共有できます。したがって、ガスタービンの巨大な市場需要と明確な応用優位性に基づき、高性能で成熟した航空機エンジンと先進的な工業技術および設計方法を基にガスタービンを開発することは業界の共識となっています。航空機エンジン技術をガスタービンに転用する方法は2つあり、図1に示されています。1つは、成熟した航空機エンジンを直接改造して派生させ、航空派生型ガスタービンを形成する方法です。もう1つは、航空機エンジン技術を大型ガスタービンに移植し、次世代の大型ガスタービンを開発する方法です。

航空派生型ガスタービンの開発歴史

航空機エンジン技術の発展と先進サイクル技術の応用に伴い、航空派生型ガスタービンの技術開発プロセスは、技術探求段階、技術開発段階、および先進サイクル応用段階を経てきました。これにより、航空派生型ガスタービンの開発は、単純な改造から高性能コアエンジンの最適化設計へ、単純サイクルから複雑サイクルの応用へ、そして航空機エンジンの成熟した設計システムや材料システムの継承から新しい部品の設計や新材料の応用へと進展しました。その結果、航空派生型ガスタービンの設計レベル、性能、信頼性、寿命が相当程度の発展を遂げました。

技術探求段階

1943年、世界初の航空派生型ガスタービンが成功裏に開発されました。その後、ロールス・ロイス、GE、およびプラット・アンド・ホイットニーは、成熟した航空機エンジンの改良を基に最初の航空派生型ガスタービンのシリーズを設計しました。これは工業用アバーン、工業用オリンパス、スピーガスタービン、LM1500、FT4を含んでいます。この段階では、航空派生型ガスタービンの技術は探求期にあり、構造は直接航空機エンジンのコアを継承しており、適切な出力タービンを装備することで出力が達成されていました。機体全体の性能は高くなく、循環効率は一般的に30%未満でした。タービン入口温度は1000℃未満でした。 °C , そして圧縮比は4から10であり、圧縮機は一般的に亜音速であった。タービンブレードには単純な空冷技術が使用され、材料として初期の高温合金が採用された。制御システムは一般的に機械式油圧またはアナログ電子調整システムを使用していた。

技術開発段階

航空機用エンジンの成熟した応用により、高性能で高信頼性を持つ親機と先進的な設計技術が、航続派生型ガスタービンの急速な発展に提供されました。同時に、イギリスやアメリカなどの各国海軍が先進的な航続派生型ガスタービンを求める需要も広い応用の場を提供し、これによって航続派生型ガスタービンは急速に発展し、その性能が大幅に向上しました。一連の高性能で高信頼性を持つ派生型ガスタービンが登場しました。例えば、LM2500シリーズ、工業用トレント、FT4000、MT30などは、船舶推進、発電などの分野で広く使用されています。

技術開発段階にある航空派生型ガスタービンの高温部品は、一般的に高温耐性を向上させるためにスーパーアロイと保護コーティングを使用し、先進的な空冷技术和低公害燃焼技術を適用します。タービン前の初期温度は1400℃に達し、出力は40〜50MW、単機の熱効率は40%を超え、複合サイクル効率は60%に達します。 違う デジタル電子制御システムが採用され、制御精度と制御性能が大幅に向上しています。

先進的なサイクルを適用する

航空派生ガスタービンの高性能化に対する要求、特に燃料消費、出力その他の指標が増加するにつれて、先進サイクルの航空派生ガスタービンは広範な工学的実践を得ています。ガスタービン熱サイクルに基づき、中間冷却または中間冷却熱回収サイクルを追加することで、航空派生ガスタービンの出力と低運転条件性能を大幅に向上させることができます。例えば、LMS100の中間冷却ガスタービンの出力レベルは100MWに達し、効率は46%にもなります。WR21の中間冷却回熱ガスタービンの低運転条件における熱効率は、単純サイクルガスタービンよりもはるかに高いです。船用動力として使用される場合、それは船舶の経済性と作戦半径を大幅に向上させます。

中間冷却や中間冷却熱回収サイクルを使用する高度なサイクルの航空派生型ガスタービンの出力は大幅に増加しており、すべての運転条件下での熱効率が向上しています。例えば、出力レベルは100MWに達し、設計点での熱効率は46%に達します。低負荷時の性能も大幅に改善され、50%負荷時でも熱効率は40%に達します。中間冷却は高圧コンプレッサーの比出力を低下させ、全体の圧縮比は40を超えることができます。

技術開発モデル

発展の歴史を見ると、航空派生型ガスタービンには系統的な開発、シリーズ化開発、先進サイクル技術の採用、そして複合サイクルモードの適用といった技術開発モデルがあります。

系統的開発

系譜的発展とは、同じ航空機エンジンを基にした異なる種類と出力レベルのガスタービンを開発することであり、これは完全に航空派生型ガスタービンの特徴を反映しています：「一台を基盤とし、多目的に対応し、サイクルを節約し、コストを削減し、複数タイプを導き出し、スペクトルを形成する。」

CF6-80C2航空機エンジンを例に取ると、LM6000ガスタービンは直接CF6-80C2のコアエンジンを使用し、低圧タービンの最大汎用性を維持します。LMS100はCF6-80C2のコアエンジン技術を継承し、Fクラスの大型ガスタービン技術と中間冷却技術を組み合わせ、出力は100MWに達します。MS9001G/Hは完全にCF6-80C2航空機エンジンの成熟した技術を採用し、大型ガスタービン技術との組み合わせにより、タービン前の温度は1287℃ °C からFクラスの1430℃に増加しました。 °C , そして出力は282MWに達します。3種類のガスタービンの開発成功により、CF6-80C2航空エンジンの派生開発が可能となり、「一機多型、異なる種類と出力のガスタービンを開発する」という目標を達成しました。

シリーズ開発

シリーズ開発とは、成功したガスタービンを基に継続的にアップグレードと改善を行い、性能を向上させながら排出量を削減し、航空派生型ガスタービンのシリーズ化を実現することです。その中でもLM2500シリーズが最も典型的であり、図2に示されています。LM2500ガスタービンは親機であるTF39/CF6-6のコアエンジンを使用し、親機の低圧タービンを動力タービンに変更しています。LM2500+ガスタービンは、LM2500ガスタービンのコンプレッサー前に1段追加することで、空気流量と出力功率を向上させています。LM2500+G4は、LM2500+を基にコンプレッサーブレードの形状を改良し、タービンのスロート面積を拡大することで空気流量を増加させ、出力功率のさらなる向上を達成しています。LM2500のシリーズ化を通じて、製品は継続的にアップグレードされ改善され、出力範囲は20〜35MWとなり、世界中の装置数は1,000台以上に達し、現在までで最も広く使用されているモデルとなっています。

開発と生産の困難さを考えると、成功したガスタービンを基にしたシリーズ開発は、航空派生型ガスタービンにとって重要な技術的開発モデルです。これは、性能を向上させ、排出量を削減するために継続的にアップグレードと改善を行うものです。航空派生型ガスタービンのシリーズ開発は系統的な開発に似ており、これにより開発サイクルを短縮し、より良い信頼性と先進性を確保し、設計、開発、試験、製造コストを大幅に削減できます。

効率

効率向上の目標は、すべての運転条件における全機の出力や熱効率を特に向上させるために、全機の性能を継続的に改善することです。主な方法は以下の通りです。

一つは高度なサイクルの適用です。高度なサイクルを適用することで、再加熱サイクル、蒸気再注入サイクル、化学回収サイクル、湿空気サイクル、シリーズ湿空気高度タービンサイクル、カリナサイクルなど、航空派生ガスタービンの性能を継続的に向上させることができます。これらの高度なサイクルを適用することで、航空派生ガスタービンユニットの性能が向上するだけでなく、全体的なユニットの出力と熱効率も大幅に向上し、窒素酸化物の排出量も著しく削減されます。

二つ目は高効率部品設計です。高効率部品設計は、高効率コンプレッサー設計と高効率タービン設計に焦点を当てています。高効率コンプレッサー設計は、コンプレッサーが直面する高速・高効率と低速・高サージ境界の技術的困難を引き続き克服していきます。図3に示すように、タービンの設計は、高効率、高温抵抗、長寿命の方向へ引き続き発展していきます。

三つ目は効率的な空気システムの設計です。効率的な空気システムの技術開発方向には、低漏れ、耐摩耗性があり効率の高いシーリング技術の開発が含まれます。例えば、ハニカムシール、薄葉シール、ブラシシール、および複合シールなどです。さらに、空気流れ性能を向上させるための効率的な抵抗低減設計技術、例えば、旋回除去抵抗低減設計や流れ効率制御設計があります。また、前渦効率をさらに向上させるための高度な前渦設計技術も含まれます。例えば、空力による前渦穴設計や段階的前渦穴設計などです。さらに、空気システムの堅牢性と信頼性を向上させる不確実性量化解析方法などもあります。

結論

航空派生型ガスタービンは、広い出力範囲、高い熱効率、優れた機動性、長寿命、高信頼性のため、船舶推進、発電、機械伝動、海洋油田プラットフォーム、戦車推進、分散型エネルギーなどに広く使用されています。航空エンジン技術の急速な発展と新しい設計および技術の継続的な応用により、航空派生型ガスタービンは、高効率、低炭素化、新品質、デジタルインテリジェンスの方向で急速に発展するでしょう。航空派生型ガスタービンの設計・製造技術も大きな進歩を遂げ、経済性、低公害排出、信頼性、保守性が段階的に向上し、応用の見込みは必然的にさらに広がるでしょう。