Pembangunan Teknologi Turbin Gas Aero-Derivatif

Dipengaruhi oleh faktor politik, militari dan ekonomi, perkembangan teknologi enjin pesawat lebih pantas berbanding gas turbin. Gas turbin dan enjin pesawat mempunyai banyak kesamaan teknikal, dan boleh dikongsi dalam sistem reka bentuk, sistem pengeluaran, sistem bakat dan sistem ujian. Oleh itu, berdasarkan permintaan pasaran yang besar dan kelebihan aplikasi yang jelas bagi gas turbin, ia telah menjadi konsensus industri untuk mengembangkan gas turbin berdasarkan enjin-enjin pesawat yang cekap dan matang serta teknologi perindustrian dan kaedah rekabentuk terkini. Terdapat dua cara untuk memindahkan teknologi enjin pesawat kepada gas turbin, seperti ditunjukkan dalam Rajah 1: satu adalah dengan mengubahsuai secara langsung dan menurunkan enjin pesawat yang matang untuk membentuk gas turbin terbitan udara; yang lain adalah dengan memindahkan teknologi enjin pesawat kepada gas turbin berat dan menyiasat serta mengembangkan generasi baru gas turbin berat.

Sejarah Perkembangan Gas Turbin Terbitan Udara

Bersamaan dengan perkembangan teknologi enjin penerbangan dan aplikasi teknologi kitaran terkini, proses pembangunan teknologi turbin gas terbitan aero telah melalui peringkat penjelajahan teknologi, peringkat pembangunan teknologi dan peringkat aplikasi kitaran terkini, mencapai pembangunan turbin gas terbitan aero dari pemodifikasian ringkas kepada reka bentuk optimum inti enjin berprestasi tinggi, dari kitaran ringkas kepada aplikasi kitaran kompleks, dari pewarisan sistem reka bentuk dan sistem bahan enjin penerbangan yang matang kepada rekabentuk komponen baru dan aplikasi bahan baharu, yang mana telah membolehkan tahap rekabentuk, prestasi, kebolehpercayaan dan hayat turbin gas terbitan aero mencapai perkembangan yang ketara.

Peringkat penjelajahan teknologi

Pada tahun 1943, turbin gas aero-derivative pertama di dunia berhasil dikembangkan. Setelah itu, Rolls-Royce, GE dan Pratt & Whitney merancang angkatan pertama turbin gas aero-derivative berdasarkan pengubahan mesin pesawat yang matang, termasuk Avon industri, Olympus industri, turbin gas Spey, LM1500 dan FT4. Pada tahap ini, teknologi turbin gas aero-derivative masih berada dalam tempoh penyelidikan. Struktur secara langsung mewarisi inti dari mesin pesawat, dan kuasa keluaran dicapai dengan menyediakan turbin kuasa yang sesuai; prestasi keseluruhan mesin tidak tinggi, dan kecekapan kitaran biasanya kurang daripada 30%; suhu asal sebelum turbin adalah kurang daripada 1000 ℃ , dan nisbah tekanan adalah 4 hingga 10; pengompres secara amnya subsonik; bilah turbin menggunakan teknologi penyejukan udara ringkas; bahan yang digunakan adalah alloy suhu tinggi permulaan; sistem kawalan secara amnya menggunakan sistem penyesuaian hidraulik mekanikal atau elektronik analog.

Tahap Pembangunan Teknologi

Dengan pemakaian yang matang bagi enjin udara, mesin induk berdaya tinggi dan boleh dipercayai serta teknologi reka bentuk moden telah disediakan untuk pembangunan pantas turbin gas terbitan udara. Pada masa yang sama, permintaan turbin gas terbitan udara moden oleh tentera laut United Kingdom, Amerika Syarikat dan negara lain juga telah memberi pentas aplikasi yang luas, yang mana membolehkan turbin gas terbitan udara berkembang dengan cepat dan meningkatkan prestasinya secara signifikan. Siri turbin gas terbitan udara dengan prestasi baik dan boleh dipercayai telah dikeluarkan. Seperti siri LM2500, industri Trent, FT4000 dan MT30, dll., digunakan secara meluas dalam kuasa kapal, pengeluaran elektrik dan bidang lain.

Komponen hujung panas turbin gas terbitan aero dalam peringkat pembangunan teknologi biasanya menggunakan super aloi dan pelapukan pelindung untuk meningkatkan ketahanan suhu, serta menerapkan teknologi penyejukan udara canggih dan teknologi pembakaran rendah pencemaran; suhu awal sebelum turbin mencapai 1400 ° C, kuasa boleh mencapai 40-50MW, kecekapan terma unit tunggal melebihi 40%, dan kecekapan kitaran gabungan boleh mencapai 60%; sistem kawalan elektronik digital digunakan, dan kejituan kawalan serta prestasi kawalan telah ditingkatkan secara signifikan.

Guna kitaran canggih

Dengan meningkatnya keperluan untuk prestasi tinggi dalam turbin gas aeroderivatif, terutamanya penggunaan bahan api, kuasa keluaran dan penunjuk lain, turbin gas aeroderivatif kitar lanjutan telah mendapat amalan kejuruteraan secara meluas. Menambahkan penyejukan antara atau kitar pemulihan haba antara kepada kitaran haba turbin gas boleh meningkatkan secara signifikan kuasa keluaran dan prestasi keadaan operasi rendah bagi turbin gas aeroderivatif. Sebagai contoh, tahap kuasa bagi turbin gas LMS100 yang disejukkan antara mencapai 100MW dan kecekapanannya setinggi 46%. Kecekapanan haba bagi turbin gas WR21 dengan penyejukan antara dan pemulihan pada keadaan operasi rendah adalah jauh lebih tinggi berbanding turbin gas kitar mudah. Sebagai kuasa kapal, ia meningkatkan secara ketara ekonomi kapal dan jejari pertempuran.

Keluaran kuasa turbin gas aero terbitan maju yang menggunakan penyejukan antara atau kitar pemulihan haba penyejuk telah meningkat secara ketara, dan kecekapan terma dalam semua keadaan operasi telah diperbaiki. Sebagai contoh, tahap kuasa boleh mencapai 100MW, dan kecekapan terma pada titik rekabentuk adalah sebanyak 46%; prestasi keadaan operasi rendah telah ditingkatkan secara ketara, Kecekapan terma boleh mencapai 40% di bawah beban 50%; penyejukan antara mengurangkan kuasa spesifik pengompres tekanan tinggi, dan nisbah tekanan rekabentuk keseluruhan mesin boleh mencapai lebih dari 40.

Model pembangunan teknologi

Dengan melihat sejarah pembangunan, turbin gas aero-terbitan mempunyai model pembangunan teknologi seperti pembangunan silsilah, pembangunan siri, penggunaan teknologi kitar maju dan aplikasi mod kompound.

Pembangunan silsilah

Pembangunan genealogi adalah pembangunan turbin gas jenis-jenis yang berbeza dan tahap kuasa berdasarkan enjin kapal terbang yang sama, yang sepenuhnya mencerminkan ciri-ciri turbin gas terbitan penerbangan: "satu mesin sebagai asas, memenuhi pelbagai kegunaan, menyimpan kitaran, mengurangkan kos, menerbitkan pelbagai jenis, dan membentuk spektrum."

Dengan mengambil enjin kapal terbang CF6-80C2 sebagai contoh, turbin gas LM6000 secara langsung menggunakan enjin inti CF6-80C2 dan mengekalkan keluwesan maksimum turbin tekanan rendah; LMS100 mewarisi teknologi enjin inti CF6-80C2, menggabungkan teknologi turbin gas berat kelas F dan teknologi penyejukan antara, dengan kuasa 100MW; MS9001G/H sepenuhnya menggunakan teknologi matang enjin kapal terbang CF6-80C2, dan melalui penggabungan dengan teknologi turbin gas berat, suhu sebelum turbin dinaikkan dari 1287 ℃ kelas F kepada 1430 ℃ , dan kuasa mencapai 282MW. Kepada pembangunan yang berjaya bagi tiga jenis turbin gas, ia membolehkan pembangunan berdasarkan penerbangan bagi enjin kapal terbang CF6-80C2 untuk mencapai "satu mesin dengan pelbagai jenis, membangunkan turbin gas yang berbeza jenis dan kuasa".

Pembangunan siri

Pembangunan siri adalah untuk terus meningkatkan dan membaiki, memperbaiki prestasi dan mengurangkan pelepasan berdasarkan atas kejayaan turbin gas, supaya dapat mencapai pembangunan siri turbin gas terbitan aero, di mana siri LM2500 adalah yang paling tipikal, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2. Turbin gas LM2500 menggunakan enjin inti daripada enjin induk TF39/CF6-6, dan menukar turbin tekanan rendah enjin induk kepada turbin kuasa; turbin gas LM2500+ menambah satu peringkat di hadapan pemampat turbin gas LM2500, supaya dapat meningkatkan aliran jisim udara dan kuasa keluaran; LM2500+G4 meningkatkan kadar aliran udara turbin dengan membaiki profil bilah pemampat dan meningkatkan kawasan kerongkongan turbin berdasarkan atas LM2500+, supaya dapat mencapai tujuan untuk terus memperbaiki kuasa keluaran. Dengan pembangunan siri LM2500, produk terus ditingkatkan dan dipulihbaiki, dengan julat kuasa antara 20 hingga 35MW, dan jumlah peralatan di seluruh dunia melebihi 1,000 unit, menjadikannya model yang paling meluas digunakan sehingga kini.

Kerana kesukaran dalam pembangunan dan pengeluaran, pembangunan siri berdasarkan turbin gas yang berjaya adalah model pembangunan teknikal penting bagi turbin gas terbitan aero, iaitu untuk meningkatkan dan membaiki secara berterusan, meningkatkan prestasi dan mengurangkan pelepasan. Pembangunan siri bagi turbin gas terbitan aero adalah serupa dengan pembangunan silsilah, yang tidak hanya boleh memendekkan kitaran pembangunan, tetapi juga memastikan kebolehpercayaan dan kecanggihan yang lebih baik, serta mengurangkan kos reka bentuk, pembangunan, ujian dan pengilangan secara signifikan.

Kecekapan

Matlamat peningkatan kecekapan adalah untuk terus memperbaiki prestasi keseluruhan mesin, terutama kuasa keluaran keseluruhan mesin dan kecekapan terma di bawah semua keadaan operasi. Cara-cara utama adalah seperti berikut.

Satu adalah penggunaan kitaran lanjutan. Penggunaan kitaran lanjutan boleh meningkatkan secara berterusan prestasi turbin gas aerodarip, seperti kitaran semula panas, kitaran penyuntikan steam, kitaran pemulihan kimia, kitaran udara basah, kitaran udara basah siri lanjutan turbin, dan kitaran Kalina, dll. Selepas menggunakan kitaran lanjutan, tidak hanya prestasi unit turbin gas aerodarip akan ditingkatkan, tetapi kuasa dan kecekapan terma keseluruhan unit juga akan meningkat secara ketara, dan pelepasan nitrogen oksida akan berkurang secara ketara.

Yang kedua adalah rekabentuk komponen cekap tinggi. Rekabentuk komponen cekap tinggi memfokuskan kepada rekabentuk pemampat cekap tinggi dan rekabentuk turbin cekap tinggi. Rekabentuk pemampat cekap tinggi akan terus mengatasi cabaran teknikal berkaitan kelajuan tinggi dan kecekapan tinggi serta kelajuan rendah dan sempadan lonjakan yang dihadapi oleh pemampat. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3, rekabentuk turbin akan terus berkembang ke arah kecekapan tinggi, ketahanan suhu tinggi dan hayat panjang.

Yang ketiga adalah rekabentuk sistem udara cekap. Arah pembangunan teknologi bagi sistem udara cekap termasuk pembangunan teknologi pengepapan yang tahan kebocoran, tahan aus dan cekap, seperti penutup selongsong lebah, penutup daun nipis, penutup borak dan penutup gabungan; teknologi reka bentuk pengurangan seretan cekap untuk meningkatkan prestasi aliran udara, seperti reka bentuk pengurangan seretan de-swirl dan reka bentuk aliran cekap yang boleh dikawal; teknologi reka bentuk pre-swirl terkini untuk meningkatkan kecekapan pre-swirl lebih lanjut, seperti reka bentuk lubang pre-swirl aerodinamik dan reka bentuk lubang pre-swirl kaskad; serta kaedah analisis kuantifikasi ketidakpastian yang dapat meningkatkan keupayaan dan kebolehpercayaan sistem udara, dan sebagainya.

Kesimpulan

Turbina gas terbitan aero digunakan secara meluas dalam kuasa kapal, elektrik, penulenan mekanikal, platform minyak lepas pantai, kuasa tangki dan tenaga teragih kerana julat kuasa yang luas, kecekapan terma yang tinggi, kelincahan yang baik, hayat panjang dan kebolehpercayaan yang tinggi. Dengan pembangunan pesat teknologi enjin penerbangan dan aplikasi berterusan reka bentuk dan teknologi baru, turbina gas terbitan aero akan berkembang dengan pesat ke arah kecekapan tinggi, pengecaman karbon rendah, kualiti baharu dan digitalisasi. Teknologi reka bentuk dan pembuatan turbina gas terbitan aero juga akan membuat kemajuan besar, beransur-ansur membaiki dalam segi ekonomi, pelepasan polutan rendah, kebolehpercayaan dan kebolehtahanan, dan prospek aplikasi pastinya akan lebih luas.