Aero-atvasināto gāzes turbīnu tehnoloģiju attīstība

Ietekmēts politiskiem, militāriem un ekonomiskiem faktoriem, lidmašīnu motora tehnoloģiju attīstība notiek ātrāk nekā gāzu turbinu tehnoloģijām. Gāzu turbīnas un lidmašīnu motori ietver plašu tehnisko kopību, kas var tikt izmantota dizaina sistēmās, ražošanas sistēmās, kvalifikācijas sistēmās un testēšanas sistēmās. Tāpēc, pamatojoties uz lielu tirgus pieprasījumu un skaidrām pielietojuma priekšrocībām, ir kļuvusi par nozares sapratni attīstīt gāzu turbīnas, pamatojoties uz augstas produktivitātes un pieredzētiem lidmašīnu motoriem, kā arī uz modernām rūpniecības tehnoloģijām un dizaina metodes. Lidmašīnu motoru tehnoloģiju pārnesīšana uz gāzu turbīnām notiek divos veidos, kā redzams attēlā 1: pirmais veids ir tieša modifikācija un atvasinājums no pieredzētiem lidmašīnu motoriem, lai radītu aviācijas atvasinātas gāzu turbīnas; otrais veids ir lidmašīnu motoru tehnoloģiju pārnesīšana uz smagajām gāzu turbīnām un jauno paaudžu smago gāzu turbīnu izstrāde.

Aviācijas atvasināto gāzu turbīnu attīstības vēsture

Kopā ar aviācijas dzinēju tehnoloģiju attīstību un augstākā cikla tehnoloģiju piemērošanu, aviācijas atvasināto gāzu turbinei tehniskā attīstības process ir pārgājis caur tehnoloģiju izpētes posmu, tehnoloģiju attīstības posmu un augstākā cikla piemērošanas posmu, sasniegdams aviācijas atvasināto gāzu turbinei attīstību no vienkāršas modifikācijas līdz augstas veiktspējas brandeņa dzinēja optimizētai dizaina shēmai, no vienkārša cikla līdz sarežģītu ciklu piemērošanai, no aviācijas dzinēju pieredzētas dizaina sistēmas un materiālu sistēmas ieviešanas līdz jaunu komponentu dizainam un jaunu materiālu piemērošanai, kas ir ļāvis aviācijas atvasināto gāzu turbinei dizaina līmenim, veiktspējai, uzticamībai un dzīvotspējam panākt zināmu attīstību.

Tehnoloģiju izpētes posms

1943. gadā tika veiksmīgi izstrādāta pasaules pirmā gaisa attiecīgā gāzes turbīne. Pēc tam Rolls-Royce, GE un Pratt & Whitney izveidoja pirmo aero-attiecīgo gāzu turbīnu partiju, pamatojoties uz veiktuvu aviācijas motoru modifikācijām, tostarp rūpnieciskajiem Avon, rūpnieciskajiem Olympus, Spey gāzu turbīnēm, LM1500 un FT4. Šajā posmā aero-attiecīgo gāzu turbīnu tehnoloģija atradās eksploratīvā periodā. Struktūra tieši pavēlēja aviācijas motora kodolu, un enerģijas radīšanai tika pievienota piemērota jaudas turbīne; ierīces kopējais augstums nebija augsts, un cikla efektivitāte parasti bija mazāk nekā 30%; turbinas priekšgalā sākotnēkā temperatūra bija mazāk nekā 1000 °C , un spieduma attiecība bija 4 līdz 10; kompresors kopumā bija subzvukains; turbiņas loksnes izmantoja vienkāršu gaisa dzesēšanas tehnoloģiju; izmantotais materiāls bija sākotnējais augsttemperatūras alija; vadības sistēma kopumā izmantoja mehānisko hidraulisko vai analogo elektronisko regulēšanas sistēmu.

Tehnoloģijas attīstības posms

Ar aerošķietu uzkrāto lietotnes pilnveidošanos, ir nodrošinātas augstas specifikācijas un uzticamības galvenās mašīnas, kā arī uzlabotas dizaina tehnoloģijas, kas veicina aeroderivātu gāzes turbinei straujā attīstība. Tiesa, Lielbritānijas, ASV un citu valstu jūras karaspēka prasības pēc uzlabotiem aeroderivāta gāzei turbinām ir radījušas plašu lietošanas platformu, kas savukārt veicina šo turbīnu straujo attīstību un pazīstamo uzlabo to spefifikāciju. Ir izstrādātas vairākas sērijas ar augstu uzticamību un labiem rādītājiem, piemēram, LM2500 serija, industriālais Trents, FT4000 un MT30 tiek plaši izmantotas kuģu enerģētikā, elektroenerģijas ražošanā un citos jomās.

Garās daļas komponenti aeroderivātu gāzturbīnās, kas atrodas tehnoloģiskā attīstības posmā, parasti izmanto superaliegades un aizsardzības segumus, lai uzlabotu temperatūras atstarošanu, un pielieto modernas gaisa dzesēšanas tehnoloģijas un zemas piesārņojuma degļošanas tehnoloģijas; turbinas priekšmetālā temperatūra sasniedz 1400 ° C, spēks var sasniegt 40-50 MW, vienas vienības termiskā efektivitāte pārsniedz 40%, savukārt kombinētā cikla efektivitāte var sasniegt 60%; tiek izmantots digitāls elektronisks kontroles sistēmas, un kontroles precizitāte un kontroles īpašības ir nozīmīgi uzlabotas.

Pielietojiet modernus ciklus

Kopā ar pieaugošajiem prasībām attiecībā uz augstas efektivitātes gāzes turbīnām ar aviācijas tehnoloģiju, īpaši degvielas patēriņu, izlaidumu spēku un citiem rādītājiem, jaunie cikli gāzu turbīnām ar aviācijas tehnoloģiju ir ieguvušas plašu inženierpraktiku. Pievienojot starpuzdevumu vai starpuzdevuma siltumam atjaunojamu ciklu uz gāzes turbīnas termiskā cikla pamata, varētu nozīmīgi uzlabot izlaidumu spēku un zemas darbības apstākļu efektivitāti gāzu turbīnai ar aviācijas tehnoloģiju. Piemēram, LMS100 starpuzdevuma gāzu turbīnas jaudas līmenis sasniedz 100 MW un efektivitāte sasniedz 46 %. WR21 starpuzdevuma un siltumam atjaunojamo gāzu turbīna termiskā efektivitāte zemās darbības apstākļos ir daudz augstāka nekā vienkāršas ciklas gāzu turbīnas. Kā kuģa spēka avota, tā nozīmīgi uzlabo kuģa ekonomiskumu un bojājuma radiusu.

Izvades spēks no jauninātām cikla aeroderivātu gāzu turbinām, kas izmanto starpslējšanas vai starpslējšanas siltumaperkops cilvēka ciklus, ir bijis lielā mērā palielināts, un termiskā efektivitāte visās darbības apstākļos ir uzlabota. Piemēram, spēja var sasniegt 100 MW, un termiskā efektivitāte projektēšanas punktā sasniedz līdz 46%; zemas darbības apstākļu efektivitāte ir nozīmīgi uzlabota, termiskā efektivitāte var sasniegt 40% pie 50% slodzes; starpslējšana samazina augstspieduma kompresora specifisko spēju, un kopējās mašīnas dizaina spieduma attiecība var sasniegt vairāk nekā 40.

Tehnoloģijas attīstības modelis

Skatoties uz attīstības vēsturi, aeroderivātu gāzu turbīnām ir tehnoloģiju attīstības modeļi, piemēram, gentīnes attīstība, seriālā attīstība, ieviešana avancētas cikla tehnoloģijas un kombinētas cikla režīma pielietojums.

Gentīnes attīstība

Ģenealoģiskais attīstības process ir gāzu turbinu izstrādāšana dažādos veidos un jaudas līmeņos, pamatojoties uz vienu un to pašu lidmašīnas motoru, kas pilnībā atspoguļo aviācijas atvasinātās gāzu turbīnu īpašības: „viens ierīces tips kā bāze, lai apmierinātu daudzas vajadzības, taupot ciklus, samazināt izmaksas, radot dažādus tipus un veidojot spektru.”

Piemēram, ņemot vērā CF6-80C2 lidmašīnas motoru, LM6000 gāzu turbīna tieši izmanto CF6-80C2 centrālo motoru un saglabā maksimālo daudzveidību no zemspieduma turbinas; LMS100 piedzīvo CF6-80C2 centrālā motora tehnoloģiju, kombinējot F-klasēs smagās gāzu turbinas tehnoloģijas un starpuzdegšanas tehnoloģijas, ar varu 100 MW; MS9001G/H pilnībā iekļauj pieredzētas CF6-80C2 lidmašīnas motora tehnoloģijas un, kombinot to ar smagās gāzu turbinas tehnoloģijām, pirms turbinas temperatūra tiek paaugstināta no 1287 °C F-klassa līdz 1430 °C , un jauda sasniedz 282 MW. Trīs gāzu turbinu tipu veiksmīgais izstrādājums ir ļāvis aviācijas bāzētajam CF6-80C2 lidmašīnas motora izstrādājumam sasniegt "viena ierīce ar daudziem veidiem, izstrādājot dažādas jaudas un tips gāzu turbinei".

Sērijas izstrāde

Sērijas attīstība nozīmē nepārtrauktu uzlabošanu un uzlabojumus, kā arī uzlabot darbības spēju un samazināt emisijas uz veiksmīgas gāzes turbīnas pamata, lai sasniegtu aero-atvasināto gāzes turbīnu sērijas attīstību, no kuras LM2500 sērija ir visizcilākā, kā redzams attēlā 2. LM2500 gāzes turbīna izmanto galvenās mašīnas TF39/CF6-6 centrālo motoru un maina galvenās mašīnas zemspiediena turbīnu uz enerģijas turbīnu; LM2500+ gāzes turbīna priekš kompresora pievieno vienu posmu LM2500 gāzes turbīnas kompresoram, lai uzlabotu gaisa masas plūsmu un izvades jaudu; LM2500+G4 uz labāko kompresora loksnes profili un palielinājot turbīnas garostuvi uz LM2500+ pamata, lai sasniegtu nepārtrauktu izvades jaudas uzlabošanas mērķi. Ar LM2500 sērijas attīstību produkti tiek nepārtraukti uzlaboti un papildināti, ar jaudas diapazonu no 20 līdz 35MW, un pasaules mērogā ierīču skaits pārsniedz 1000 vienības, kas to padara par līdz šim plašāk izmantoto modeli.

Tā kā attīstības un ražošanas grūtību dēļ, seriālā attīstībā balstoties uz veiksmīgu gāzu turbine ir svarīgs tehnoloģiju attīstības modes aero-izcelsmes gāzu turbinām, kas nozīmē nepārtrauktu uzlabošanu un uzlabojumu, lai uzlabotu efektivitāti un samazinātu emisijas. Aero-izcelsmes gāzu turbīnu seriālā attīstība līdzinās dzimtas attīstībai, kas ne tikai saīsina attīstības ciklu, bet arī nodrošina labāku uzticamību un modernitāti, izrādot piezīmīgi mazākas dizaina, attīstības, testēšanas un ražošanas izmaksas.

Efektivitāte

Efektivitātes paaugstināšanas mērķis ir nepārtraukti uzlabot visu mašīnu darbības parametrus, īpaši visu mašīnu izvades spēku un termiskās efektivitātes visās darbības apstākļos. Galvenie veidi ir šādi.

Viens ir uzņēmuma pielietojums attīstītākiem cikliem. Attīstīto ciklu pielietojums var nepārtraukti uzlabot aeroderivātu gāzturbīnu izturēšanos, piemēram, atkārtotas siltumapgriešanas cikls, dzirkstu ieviešanas cikls, ķīmiskais atjaunojošais cikls, vēsa gaisa cikls, rindas vēsā gaisa attīstītāj turbinas cikls un Kalina cikls utt. Pēc attīstīto ciklu pielietojuma netik tikai uzlabosies aeroderivāta gāzturbīnas aparatūras darbība, bet arī visu aparatūru spēks un termiskā efektivitāte tiks nozīmīgi palielināta, un svārstošo vielu emisijas tiks skaidri samazinātas.

Otrais ir augstas efektivitātes komponentu dizaina princips. Augstas efektivitātes komponentu dizains koncentrējas uz augstas efektivitātes kompresora un turbinas dizainu. Augstas efektivitātes kompresoru dizains turpinās pārvarēt tehniskos grūtdarbības jautājumus, ar kuriem saskaras kompresori, piemēram, augstas ātruma un efektivitātes, kā arī zemas ātruma un lielas virpulniecības robežas. Kā redzams no attēla 3, turbīnu dizains turpinās attīstīties uz augstas efektivitātes, augstākām temperatūrām pretošanās un garīgās dienesta termiņa virzienā.

Trešais ir efektīvu gaisa sistēmu dizaina uzlabošana. Efektīvo gaisa sistēmu tehniskās attīstības virzieni ietver zemizmantojošu, iznīcinājuma pretīgu un efektīvu slēgšanas tehnoloģiju attīstību, piemēram, šauruma slēgšanu, smailo lapu slēgšanu, bruģa slēgšanu un kombinētu slēgšanu; efektīvas tehnoloģijas vilciena samazināšanai, lai uzlabotu gaisa plūsmas veiksmīgumu, piemēram, de-swirl vilciena samazināšanas dizainu un plūsmas efektīvu kontroli; uzlabotas pre-swirl tehnoloģijas, lai vēl vairāk uzlabotu pre-swirl efektivitāti, piemēram, aerodinamisko pre-swirl caurulju dizainu un kaskādes pre-swirl caurulju dizainu; ne noteiktības kvantificēšanas analīzes metodes, kas var uzlabot gaisa sistēmu drošību un uzticamību utt.

Secinājums

Gazelektromotori, kas balstīti uz aviācijas tehnoloģiju, tiek plaši izmantoti kuģu spēka avotiem, elektroenerģijai, mehāniskajai pārvades, jūras naftas platformām, tanku spēkiem un sadalītajai enerģijai, ņemot vērā to plašo spēka diapazonu, augstu termiskās efektivitātes līmeni, labu manevrability, garu dienestu un augstu uzticamību. Ar aviācijas motoru tehnoloģiju strausto attīstību un jauno dizaina un tehnoloģiju nepārtrauktu pielietojumu, gazelektromotori, kas balstīti uz aviācijas tehnoloģiju, ātri attīstīsies virzienā uz augstāku efektivitāti, zemu oglekļa emisiju, jaunu kvalitāti un digitālo intelektualitāti. Gazelektromotoru dizaina un ražošanas tehnoloģijas arī padarīs lielu progressu, progresējot ekonomiskā, ar mazām piesārņojošajām emisijām, uzticamībā un uzturējamībā, un to pielietojuma perspektīvas neizbēgami būs plašākas.