항공유도형 가스터빈 기술의 발전

정치, 군사 및 경제적 요인에 영향을 받아 항공기 엔진 기술의 발전은 가스 터빈보다 빠릅니다. 가스 터빈과 항공기 엔진은 많은 기술적 공통점을 가지고 있으며 설계 시스템, 제조 시스템, 인재 시스템 및 테스트 시스템에서 공유될 수 있습니다. 따라서, 큰 시장 수요와 명확한 적용 이점이 있는 가스 터빈은 고성능이고 성숙된 항공기 엔진과 선진 산업 기술 및 설계 방법을 기반으로 가스 터빈을 개발하는 것이 업계의 공감대가 되었습니다. 항공기 엔진 기술을 가스 터빈으로 전환하는 두 가지 방법이 있으며, 그 방법들은 도표 1에 나타나 있습니다: 하나는 성숙된 항공기 엔진을 직접 수정 및 파생하여 항공 파생 가스 터빈을 형성하는 것이고, 다른 하나는 항공기 엔진 기술을 중형 가스 터빈으로 이식하고 새로운 세대의 중형 가스 터빈을 연구 개발하는 것입니다.

항공 파생 가스 터빈의 발전 역사

항공 엔진 기술의 발전과 고급 사이클 기술의 적용에 따라 항공 유도 가스 터빈의 기술 개발 과정은 기술 탐구 단계, 기술 개발 단계 및 고급 사이클 응용 단계를 거쳤습니다. 이는 항공 유도 가스 터빈이 단순한 수정에서 높은 성능의 코어 엔진 최적화 설계로, 단순 사이클에서 복잡한 사이클 응용으로, 그리고 항공 엔진의 성숙된 설계 시스템과 재료 시스템을 계승하여 새로운 구성 요소의 설계와 새로운 재료의 응용으로 발전하게 한 것입니다. 이를 통해 항공 유도 가스 터빈의 설계 수준, 성능, 신뢰성 및 수명이 상당한 발전을 이루었습니다.

기술 탐구 단계

1943년에 세계 최초의 항공 유도 가스 터빈이 성공적으로 개발되었습니다. 이후 롤스로이스, GE 및 프랫 앤드 위트니는 성숙된 항공기 엔진 수정을 기반으로 첫 번째 항공 유도 가스 터빈 배치를 설계했습니다. 이에는 산업용 에이번, 산업용 올림푸스, 스페 가스 터빈, LM1500 및 FT4가 포함됩니다. 이 단계에서 항공 유도 가스 터빈 기술은 탐색 기간에 있었습니다. 구조는 직접 항공기 엔진 코어를 계승했으며, 적합한 전력 터빈을 장착하여 출력 전력을 달성했습니다. 기계의 전체적인 성능은 높지 않았고, 순환 효율은 일반적으로 30% 미만이었습니다. 터빈 진입 시 초기 온도는 1000°C 미만이었습니다. °C , 그리고 압력 비는 4에서 10 사이였으며, 압축기는 일반적으로 음속 이하였으며, 터빈 날개는 단순한 공기 냉각 기술을 사용했으며, 사용된 소재는 초기 고온 합금이었으며, 제어 시스템은 일반적으로 기계식 유압 또는 아날로그 전자 조정 시스템을 사용했다.

기술 개발 단계

항공기 엔진의 성숙된 응용으로 인해, 고성능 및 고신뢰도 모체 기계와 선진 설계 기술이 유도형 가스터빈의 빠른 발전을 위해 제공되었습니다. 동시에, 영국, 미국 등各国 해군의 선진 유도형 가스터빈에 대한 수요는 또한 넓은 적용 무대를 제공하여 유도형 가스터빈이 급속히 발전하고 성능이 크게 향상되도록 하였습니다. 일련의 성능이 우수하고 신뢰성이 높은 유도형 가스터빈들이 출시되었습니다. 예를 들어 LM2500 시리즈, 산업용 트렌트, FT4000 및 MT30 등은 선박 동력, 발전 등 여러 분야에서 광범위하게 사용되고 있습니다.

기술 개발 단계에 있는 항공 유래 가스 터빈의 고온부품은 일반적으로 초합금과 보호 코팅을 사용하여 온도 저항성을 향상시키고, 선진 공기 냉각 기술과 저오염 연소 기술을 적용한다; 터빈 진입 전 온도는 1400 ° C에 달하며, 출력은 40-50MW에 이르고, 단일 기구의 열효율은 40%를 초과하며, 복합 순환 효율은 60%에 도달할 수 있다; 디지털 전자 제어 시스템이 사용되며, 제어 정확도와 제어 성능이 크게 향상되었다.

선진 사이클을 적용한다

항공유도 가스터빈의 고성능 요구 사항, 특히 연료 소비, 출력 전력 및 기타 지표가 증가함에 따라 고급 사이클 항공유도 가스터빈이 광범위한 공학적 응용을 얻고 있습니다. 가스터빈 열 사이클 기반에서 중간 냉각 또는 중간 열 회수 사이클을 추가하면 항공유도 가스터빈의 출력 전력과 저부하 조건 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, LMS100 중간 냉각 가스터빈의 전력 수준은 100MW에 도달하며 효율은 46%에 달합니다. 저부하 조건에서 WR21 중간 냉각 및 열 회수 가스터빈의 열 효율은 단순 사이클 가스터빈보다 훨씬 높습니다. 선박 동력으로서, 이는 선박의 경제성과 전투 반경을 크게 향상시킵니다.

중간 냉각 또는 중간 냉각 열 회수 사이클을 사용하는 고급 사이클 에어로 파생 가스 터빈의 출력이 크게 증가했으며, 모든 운전 조건에서 열 효율이 향상되었습니다. 예를 들어, 출력 수준은 100MW에 도달할 수 있으며, 설계점에서의 열 효율은 46%에 달합니다; 부분 부하 성능도 크게 개선되어 50% 부하에서 열 효율이 40%에 도달할 수 있습니다; 중간 냉각은 고압 압축기의 특정 출력을 감소시키며, 전체 기계의 설계 압력 비는 40을 초과할 수 있습니다.

기술 개발 모델

발전사를 살펴보면, 항공 유래 가스 터빈은 혈통 개발, 시리즈 개발, 선진 사이클 기술 채택 및 복합 사이클 모드 적용 등 다양한 기술 개발 모델을 가지고 있습니다.

혈통 개발

계보적 발전은 동일한 항공 엔진을 기반으로 다양한 유형과 출력 수준의 가스 터빈을 개발하는 것으로, 이는 항공 유래 가스 터빈의 특성을 완전히 반영합니다: "하나의 머신을 기반으로 다용도를 충족하며, 주기를 절약하고 비용을 줄이며, 여러 유형을 파생시키고 스펙트럼을 형성한다."

CF6-80C2 항공 엔진을 예로 들면, LM6000 가스 터빈은 CF6-80C2의 코어 엔진을 직접 사용하고 저압 터빈의 최대 범용성을 유지합니다. LMS100은 CF6-80C2의 코어 엔진 기술을 계승하고 F급 중량 가스 터빈 기술 및 중간 냉각 기술을 결합하여 100MW의 출력을 가지며, MS9001G/H는 CF6-80C2 항공 엔진의 성숙된 기술을 완전히 채택하고 중량 가스 터빈 기술과의 조합을 통해 터빈 진입 온도를 1287 °C F급에서 1430으로 증가시켰습니다. °C , 그리고 출력은 282MW에 도달합니다. 세 가지 유형의 가스 터빈의 성공적인 개발은 CF6-80C2 항공 엔진의 항공기 기반 개발이 "한 기계, 다양한 유형, 서로 다른 유형과 출력의 가스 터빈을 개발하다"는 목표를 달성하도록 만들었습니다.

시리즈 개발

연속 개발은 성공적인 가스 터빈을 기반으로 지속적으로 업그레이드하고 개선하여 성능을 향상시키고 배출량을 줄이는 것으로, 이를 통해 항공 유도 가스 터빈의 시리즈화를 달성하며, 그 중 LM2500 시리즈가 가장 대표적이다. 이는 도 2에 나타나 있다. LM2500 가스 터빈은 모체 엔진 TF39/CF6-6의 코어 엔진을 사용하며, 모체 엔진의 저압 터빈을 동력 터빈으로 변경한다. LM2500+ 가스 터빈은 LM2500 가스 터빈의 압축기 앞부분에 한 단계를 추가하여 공기 질량 흐름과 출력 전력을 향상시킨다. LM2500+G4는 LM2500+를 기반으로 압축기 날개 형상을 개선하고 터빈 입구 면적을 확대하여 가스 터빈 공기 흐름 속도를 증가시키고 출력 전력을 지속적으로 향상시키는 것을 목표로 한다. LM2500의 연속 개발을 통해 제품은 지속적으로 업그레이드되고 개선되며, 출력 범위는 20~35MW이고 전 세계 장비 수는 1,000대 이상이며, 현재까지 가장 널리 사용되는 모델이 되었다.

개발과 생산의 어려움 때문에 성공한 가스터빈을 기반으로 하는 시리즈 개발은 항공유래 가스터빈의 중요한 기술 발전 모델로, 지속적으로 업그레이드 및 개선하여 성능을 향상시키고 배출량을 줄이는 것을 목표로 한다. 항공유래 가스터빈의 시리즈 개발은 혈통 개발과 유사하여 개발 주기를 단축할 뿐만 아니라 보다 나은 신뢰성과 선진성을 보장하고 설계, 개발, 테스트 및 제조 비용을大幅히 절감할 수 있다.

효율성

효율성을 향상시키는 목적은 모든 운전 조건 하에서 특히 전체 기계의 출력과 열 효율을 포함한 전체 기계의 성능을 지속적으로 개선하는 것이다. 주요 방법은 다음과 같다.

하나는 고급 사이클의 적용입니다. 고급 사이클을 적용하면 재열 사이클, 증기 재주입 사이클, 화학 회수 사이클, 습식 공기 사이클, 직렬 습식 공기 고급 터빈 사이클 및 칼리나 사이클 등과 같은 항공 유도 가스 터빈의 성능을 지속적으로 개선할 수 있습니다. 고급 사이클을 적용하면 항공 유도 가스 터빈 시스템의 성능이 향상될 뿐만 아니라 전체 시스템의 출력 및 열 효율도 크게 향상되고, 질소 산화물 배출량도大幅히 줄어듭니다.

두 번째는 고효율 구성 요소 설계입니다. 고효율 구성 요소 설계는 고효율 압축기 설계와 고효율 터빈 설계에 중점을 둡니다. 고효율 압축기 설계는 압축기가 직면한 고속 및 고효율, 저속 및 고서지 경계의 기술적 어려움을 계속 극복할 것입니다. 그림 3에서 보듯이 터빈의 설계는 효율성, 높은 온도 저항 및 긴 수명 쪽으로 계속 발전할 것입니다.

세 번째는 효율적인 공기 시스템의 설계입니다. 효율적인 공기 시스템의 기술 개발 방향에는 낮은 누출, 내마모성 및 효율적인 밀봉 기술의 개발이 포함됩니다. 예를 들어, 꿀벌 모양의 밀봉, 얇은 잎 모양의 밀봉, 브러시 밀봉 및 결합 밀봉 등이 있습니다. 또한 공기 흐름 성능을 향상시키기 위한 효율적인 저항 감소 설계 기술, 예를 들면 회전 방지 저항 감소 설계와 흐름 제어 가능한 설계도 있습니다. 더 나아가 사전 회전 효율을 더욱 향상시키기 위한 선진적인 사전 회전 설계 기술도 있으며, 이는 공력학적 사전 회전 구멍 설계와 캐스케이드 사전 회전 구멍 설계 등을 포함합니다. 또한 공기 시스템의 견고성과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 불확실성 정량화 분석 방법 등이 있습니다.

결론

항공유도 가스 터빈은 광범위한 출력 범위, 높은 열 효율, 좋은 조작성, 긴 수명 및 높은 신뢰성 때문에 선박 동력, 전기, 기계적 전달, 해상 석유 플랫폼, 탱크 동력 및 분산 에너지에서 널리 사용됩니다. 항공 엔진 기술의 빠른 발전과 새로운 설계 및 기술의 지속적인 적용으로 인해 항공유도 가스 터빈은 고효율, 저탄소화, 새로운 품질 및 디지털 지능화 방향으로 급속히 발전할 것입니다. 항공유도 가스 터빈의 설계 및 제조 기술도 경제성, 낮은 오염 배출, 신뢰성 및 유지보수성 측면에서 크게 발전하여 점차적으로 개선될 것이며, 그 응용 전망은 필연적으로 더욱 넓어질 것입니다.