Ontwikkeling van Aero-Afgeleide Gas Turbines Technologie

Beïnvloed door politieke, militaire en economische factoren, is de ontwikkeling van vliegtuigmotortechnologie sneller dan die van gasturbines. Gasturbines en vliegtuigmotoren hebben een breed scala aan technische overeenkomsten en kunnen gemeenschappelijk gebruikmaken van ontwerpsystemen, productiesystemen, talentensystemen en testsystemen. Daarom, op basis van de enorme marktvraag en duidelijke toepassingsvoordelen van gasturbines, is het een industrieconsensus geworden om gasturbines te ontwikkelen op basis van presterende, volwassen vliegtuigmotoren en geavanceerde industriële technologieën en ontwerpmethoden. Er zijn twee manieren om vliegtuigmotortechnologie over te brengen naar gasturbines, zoals weergegeven in Figuur 1: een is om volwassen vliegtuigmotoren rechtstreeks te wijzigen en af te leiden om aero-afgeleide gasturbines te vormen; de andere is om vliegtuigmotortechnologie over te planten naar zware gasturbines en een nieuwe generatie zware gasturbines te ontwikkelen.

Ontwikkelingsgeschiedenis van aero-afgeleide gasturbines

Met de ontwikkeling van vliegtuigmotortechnologie en de toepassing van geavanceerde cyclustechnologie heeft het technische ontwikkelingsproces van afgeleide straalmotorgasturbines verschillende fasen doorgemaakt: de technologieverkenningsfase, de technologieontwikkelingsfase en de fase van toepassing van geavanceerde cycli. Dit heeft geleid tot de ontwikkeling van afgeleide straalmotorgasturbines van eenvoudige aanpassingen naar een optimale, hoogpresterende kernmotorontwerp, van een eenvoudige cyclus naar een complexe cyclus-toepassing, en van het overnemen van het volwassen ontwerpsysteem en materiaalsysteem van vliegtuigmotoren naar het ontwerp van nieuwe onderdelen en de toepassing van nieuwe materialen, wat het ontwerp niveau, prestaties, betrouwbaarheid en levensduur van afgeleide straalmotorgasturbines aanzienlijk heeft verbeterd.

Technologieverkenningsfase

In 1943 werd de wereldwijde eerste aero-afgeleide gasturbine succesvol ontwikkeld. Daarna ontwierpen Rolls-Royce, GE en Pratt & Whitney de eerste serie aero-afgeleide gasturbinen op basis van volwassen vliegtuigmotorwijzigingen, inclusief de industriële Avon, industriële Olympus, Spey gasturbinen, LM1500 en FT4. In deze fase was de technologie van aero-afgeleide gasturbinen in de verkenningstijd. De structuur erfde rechtstreeks het kernonderdeel van de vliegtuigmotor, en de uitkomstkracht werd bereikt door een geschikte krachtsturbine aan te brengen; de gehele prestatie van de machine was niet hoog, en de cyclus-efficiëntie was algemeen minder dan 30%; de initiële temperatuur voor de turbine was minder dan 1000 ℃ , en het drukverhoudingsratio was 4 tot 10; de compressor was algemeen subsonisch; de turbinebladen gebruikten eenvoudige luchtkoelingstechnologie; het gebruikte materiaal was de eerste hoge-temperatuuralloy; het besturingssysteem gebruikte algemeen een mechanisch hydraulisch of analog elektronisch regelsysteem.

Technologie Ontwikkelingsfase

Met de volwassen toepassing van vliegtuigmotoren zijn hoogwaardige, betrouwbare moedermachines en geavanceerde ontwerptechnologieën beschikbaar gekomen voor de snelle ontwikkeling van afgeleide gasturbines. Tegelijkertijd heeft de vraag naar geavanceerde afgeleide gasturbines door de marine van het Verenigd Koninkrijk, de Verenigde Staten en andere landen ook een breed toepassingsplatform geboden, wat heeft geleid tot een snelle ontwikkeling en aanzienlijke prestatieverbeteringen van afgeleide gasturbines. Er zijn een reeks afgeleide gasturbines met goede prestaties en hoge betrouwbaarheid gelanceerd, zoals de LM2500-reeks, industriële Trent, FT4000 en MT30, die breed worden toegepast in schepelmacht, elektriciteitsopwekking en andere sectoren.

De hot end-componenten van aero-afgeleide gasturbines in de technologische ontwikkelingsfase gebruiken doorgaans superlegers en beschermende coatings om de temperatuurweerstand te verbeteren, en passen geavanceerde luchtkoelingstechnologie en laag-vervuilende brandstoftechnologie toe; de intiatietemperatuur voor de turbine bereikt 1400 ° C, de kracht kan 40-50MW bereiken, de thermische efficiëntie van een enkel Aggregate overstijgt 40%, en de combinatiecyclus-efficiëntie kan 60% bereiken; er wordt een digitaal elektronisch besturingssysteem gebruikt, en de besturingsnauwkeurigheid en -prestaties zijn aanzienlijk verbeterd.

Pas geavanceerde cycli toe

Met de toenemende eisen voor hoge prestaties van aeroderivaten gasturbines, met name brandstofverbruik, uitkomstvermogen en andere indicatoren, hebben geavanceerde cyclische aeroderivaten gasturbines breed ingenieurspraktijk verkregen. Het toevoegen van een intercooler of een intercooled warmterecuperatiecyclus op basis van de gasturbine-thermische cyclus kan het vermogen en de prestaties bij lage bedrijfsomstandigheden van de aeroderivaatgasturbine aanzienlijk verbeteren. Bijvoorbeeld, het vermogenniveau van de LMS100 intercooled gasturbine bereikt 100 MW en de efficiëntie is tot wel 46%. De thermische efficiëntie van de WR21 intercooled recuperatie gasturbine bij lage bedrijfsomstandigheden is veel hoger dan die van een eenvoudige cyclische gasturbine. Als schipsmotor verbetert het aanzienlijk de economie en de strijdradius van het schip.

De uitkomstkracht van geavanceerde cyclus aeroderivaten gasturbines met gebruik van interkoeling of intergekoelde warmterecuperatiecycli is aanzienlijk verhoogd, en de thermische efficiëntie in alle bedrijfsomstandigheden is verbeterd. Bijvoorbeeld, het vermogen kan 100MW bereiken, en de thermische efficiëntie bij het ontwerppunt is tot 46%; de prestaties bij lage belasting zijn aanzienlijk verbeterd, de thermische efficiëntie kan 40% bereiken onder een belasting van 50%; interkoeling vermindert het specifieke vermogen van de hoogdrukcompressor, en het ontwerp drukverhouding van de hele machine kan meer dan 40 bereiken.

Technologie-ontwikkelingsmodel

Als we kijken naar de ontwikkelingsgeschiedenis, hebben aeroderivaten gasturbines technische ontwikkelingsmodellen zoals stamboomontwikkeling, serieel ontwikkelen, toepassing van geavanceerde cyclustechnologieën en implementatie van combinatieschema's.

Stamboomontwikkeling

Genealogische ontwikkeling is de ontwikkeling van gasturbines van verschillende typen en vermogensniveaus gebaseerd op dezelfde vliegtuigmotor, wat volledig de kenmerken weerspiegelt van afgeleide luchtvaartgasturbines: "één machine als basis, voldoet aan meerdere gebruiken, bespaart cycli, verlaagt kosten, leidt tot meerdere typen en vormt een spectrum."

Neem bijvoorbeeld de CF6-80C2-vliegtuigmotor. De LM6000-gasturbine gebruikt rechtstreeks de kernmotor van de CF6-80C2 en behoudt de maximaal mogelijke verscheidenheid van de lage-druk-turbine; de LMS100 erfst de kernmotortechnologie van de CF6-80C2, combineert F-klasse zware gasturbietechnologie en interkoelingstechnologie, en heeft een vermogen van 100MW; de MS9001G/H neemt volledig de gevestigde technologie van de CF6-80C2-vliegtuigmotor over, en door combinatie met zware gasturbietechnologie wordt de temperatuur voor de turbine verhoogd van 1287 ℃ van de F-klasse naar 1430 ℃ , en de vermogen bereikt 282MW. Het succesvolle ontwikkelingsproces van de drie typen gasturbines heeft de luchtvaartgerelateerde ontwikkeling van de CF6-80C2-vliegtuigmotor mogelijk gemaakt om "één machine met meerdere typen te realiseren, verschillende typen en vermogens van gasturbines te ontwikkelen".

Reeksontwikkeling

De seriële ontwikkeling bestaat erin om continu te upgraden en te verbeteren, de prestaties te verbeteren en emissies te verminderen op basis van een succesvolle gasturbine, zodat de seriële ontwikkeling van afgeleide aero-gasturbines wordt bereikt, waarvan de LM2500-reeks het meest typisch is, zoals weergegeven in Figuur 2. De LM2500 gasturbine gebruikt de kernmotor van de moedermotor TF39/CF6-6 en verandert de lage-druk-turbine van de moedermotor in een krachtsturbine; de LM2500+ gasturbine voegt een stapel toe voor de compressor van de LM2500 gasturbine om zo de luchtstroommassa en uitkomstvermogen te verbeteren; de LM2500+G4 verhoogt de luchtstroom van de gasturbine door de profielen van de compressorbladen te verbeteren en het turbinekeelsgebied te vergroten op basis van de LM2500+, om zo het doel te bereiken van continu het uitkomstvermogen te verbeteren. Met de seriële ontwikkeling van de LM2500 wordt het product continu geüpgradeerd en verbeterd, met een vermogensbereik van 20 tot 35MW, en wereldwijd meer dan 1.000 eenheden in gebruik, waardoor het de meest breed ingezette model tot nu toe is.

Vanwege de moeilijkheid van ontwikkeling en productie is de reeksontwikkeling gebaseerd op een succesvolle gasturbine een belangrijk technisch ontwikkelingsmodel voor aero-afgeleide gasturbines, waarbij continu wordt bijgewerkt en verbeterd om de prestaties te verbeteren en emissies te verminderen. De reeksontwikkeling van aero-afgeleide gasturbines lijkt op familieontwikkeling, wat niet alleen de ontwikkelingscyclus kan verkorten, maar ook betrouwbaarheid en vooruitgang kan waarborgen en significant de kosten voor ontwerp, ontwikkeling, testen en productie kan verlagen.

Efficiëntie

Het doel van het efficiëntieverhoging is om voortdurend de prestaties van de hele machine te verbeteren, met name de uitkomstvermogen van de hele machine en de thermische efficiëntie onder alle bedrijfsomstandigheden. De hoofdmanieren zijn als volgt.

Een daarvan is de toepassing van geavanceerde cycli. De toepassing van geavanceerde cycli kan de prestaties van aeroderivaten gasturbines continu verbeteren, zoals de herverwarmingscyclus, de stoomherinjectiecyclus, de chemische recuperatiecyclus, de natte luchtcyclus, de serie-natte-lucht-geavanceerde turbinecyclus en de Kalinacyclus, enzovoort. Na de toepassing van de geavanceerde cyclus zullen niet alleen de prestaties van de eenheid met aeroderivaten gasturbines verbeteren, maar ook de elektrische en thermische efficiëntie van de hele eenheid aanzienlijk toenemen, en zullen de emissies van stikoxide aanzienlijk afnemen.

De tweede is het ontwerp van hoge-efficiëntie componenten. Het ontwerp van hoge-efficiëntie componenten richt zich op het ontwerp van compressoren met hoge efficiëntie en turbines met hoge efficiëntie. Het ontwerp van compressoren met hoge efficiëntie blijft de technische uitdagingen aanpakken van hoge snelheid en hoge efficiëntie, en lage snelheid met een hoge grens van compressorinstorting. Zoals weergegeven in Figuur 3, zal het ontwerp van turbines doorgaan in de richting van hoge efficiëntie, hoge temperatuur weerstand en lange levensduur.

De derde is het ontwerp van efficiënte luchtstelsels. De technische ontwikkelingsrichtingen van efficiënte luchtstelsels omvatten de ontwikkeling van laaglekgaande, slijtagebestendige en efficiënte sluittechnologieën, zoals bijenkorssluiten, dunne bladsluiten, borstelsluiten en gecombineerde sluiten; efficiënte sleepverminderingstechnologieën om de luchtvloeiprestaties te verbeteren, zoals de-swirl sleepverminderingontwerp en stroom-efficiënt controleerbaar ontwerp; geavanceerde pre-swirl ontwerptechnieken om de pre-swirl efficiëntie verder te verbeteren, zoals aerodynamisch pre-swirl gatontwerp en cascade pre-swirl gatontwerp; onzekerheidskwantificatiemethoden die de robuustheid en betrouwbaarheid van luchtstelsels kunnen verbeteren, enz.

Conclusie

Aero-afgeleide gasturbines worden breed gebruikt in schepelmacht, elektriciteit, mechanische transmissie, offshore olieplatforms, tankmacht en gedistribueerde energie vanwege hun brede vermogensbereik, hoge thermische efficiëntie, goede manoeuvreerbaarheid, lange levensduur en hoge betrouwbaarheid. Met de snel ontwikkelende luchtvaartmotor technologie en de continue toepassing van nieuwe ontwerpen en technologieën zullen aero-afgeleide gasturbines snel ontwikkelen in de richting van hoge efficiëntie, lage carbonisering, nieuwe kwaliteit en digitale intelligentie. De ontwerptechnologie en -productie van aero-afgeleide gasturbines zal ook grote vooruitgang boeken, geleidelijk verbeteren op het gebied van economie, lage vervuilingsemisies, betrouwbaarheid en onderhoudsvriendelijkheid, en de toepasperspectieven zullen onvermijdelijk breder worden.