Rozwój technologii turbin gazowych typu aero-pochodnego

Wpływają na to czynniki polityczne, wojskowe i gospodarcze, thanks do czego rozwój technologii silników lotniczych jest szybszy niż w przypadku turbin gazowych. Turbiny gazowe i silniki lotnicze mają szeroki zakres wspólnych cech technicznych, które mogą być udostępnione w systemach projektowych, systemach produkcyjnych, systemach kadrowych oraz systemach testowych. Dlatego, na podstawie ogromnego popytu rynkowego i wyraźnych przewag aplikacyjnych turbin gazowych, stało się to przemysłowym konsensusem - rozwijać turbiny gazowe na podstawie wysokowydajnych, dojrzałych silników lotniczych oraz zaawansowanych technologii przemysłowych i metod projektowych. Istnieją dwa sposoby przenoszenia technologii silników lotniczych na turbiny gazowe, jak pokazano na Rysunku 1: jeden polega na bezpośrednim modyfikowaniu i pochodzeniu dojrzałych silników lotniczych w celu utworzenia turbin gazowych pochodnych; drugi to transplantacja technologii silników lotniczych do ciężkich turbin gazowych i badanie nowej generacji ciężkich turbin gazowych.

Historia rozwoju turbin gazowych pochodnych

Wraz z rozwojem technologii silników lotniczych i zastosowaniem zaawansowanych technologii cyklu, proces rozwoju technologicznego gazoturbin pochodnych od silników lotniczych przeszedł przez etap badawczy, etap rozwojowy i etap zastosowań zaawansowanych cykli, realizując rozwój gazoturbin pochodnych od silników lotniczych od prostych modyfikacji do optymalizacji wydajności rdzeniowych silników lotniczych, od prostego cyklu do złożonych zastosowań cyklu, od dziedziczenia dojrzałego systemu konstrukcyjnego i materiałów silników lotniczych do projektowania nowych elementów i stosowania nowych materiałów, co umożliwiło znaczący rozwój poziomu projektowego, wydajności, niezawodności i żywotności gazoturbin pochodnych od silników lotniczych.

Etap badań technologicznych

W 1943 roku pomyślnie opracowano światowy pierwszy gazowy silnik turbinowy typu aero-pochodnego. Następnie firmy Rolls-Royce, GE i Pratt & Whitney zaprojektowały pierwszą partię gazowych silników turbinowych typu aero-pochodnych na podstawie dojrzałych modyfikacji silników lotniczych, w tym przemysłowych Avon, przemysłowych Olympus, Spey gazowych turbin, LM1500 i FT4. W tym etapie technologia gazowych silników turbinowych typu aero-pochodnych znajdowała się w okresie eksploracyjnym. Struktura bezpośrednio dziedziczyła rdzeń silnika lotniczego, a moc wyjściowa została osiągnięta poprzez wyposażenie odpowiedniego turbiny mocy; ogólna wydajność maszyny nie była wysoka, a efektywność cyklu wynosiła ogólnie mniej niż 30%; temperatura początkowa przed turbiną była mniejsza niż 1000 ℃ , a stosunek ciśnienia wynosił od 4 do 10; kompresor był ogólnie poddźwiękowy; łopatki turbinowe wykorzystywały prostą technologię chłodzenia powietrzem; materiał użyty to początkowa wysokotemperaturowa stopa; system sterowania geralnie wykorzystywał mechaniczny system hydrauliczny lub analogowy system elektroniczny.

Etapa Rozwoju Technologicznego

Z powodu dojrzałego zastosowania silników lotniczych, zapewniono wysokowydajne, niezawodne maszyny podstawowe oraz zaawansowane technologie projektowe dla szybkiego rozwoju gazowych turbin pochodnych od silników lotniczych. W tym samym czasie, popyt na zaawansowane gazowe turbiny pochodne od silników lotniczych ze strony marynarek wojennych Wielkiej Brytanii, Stanów Zjednoczonych i innych krajów dostarczył również szerokiej platformy zastosowań, co umożliwiło szybki rozwój tych turbin i znaczące poprawy ich wydajności. Wydano szereg gazowych turbin pochodnych od silników lotniczych o dobrych parametrach i wysokiej niezawodności, takich jak seria LM2500, przemysłowy Trent, FT4000 i MT30, które są szeroko stosowane w napędzie okrętów, generowaniu energii i innych dziedzinach.

Komponenty końców gorących turbin gazowych w fazie rozwoju technologicznego ogólnie wykorzystują superligatury i ochronne nawiercenia, aby poprawić odporność na temperaturę, oraz stosują zaawansowaną technologię chłodzenia powietrznego i niskozagraniczne technologie spalania; temperatura początkowa przed turbiną dochodzi do 1400 ° C, moc może osiągnąć 40-50 MW, efektywność termiczna pojedynczego zespołu przekracza 40%, a efektywność cyklu kombinowanego może wynosić 60%; stosowany jest system cyfrowego sterowania elektronicznego, a dokładność sterowania i jego wydajność są znacząco poprawiane.

Stosuj zaawansowane cykle

W miarę jak rosną wymagania dotyczące wysokiej wydajności turbin gazowych o pochodzeniu aerodynamicznym, zwłaszcza co do zużycia paliwa, mocy wyjściowej i innych wskaźników, zaawansowane cykle turbin gazowych otrzymały szeroką praktykę inżynieryjną. Dodanie intercooler'a lub cyklu odzysku ciepła w oparciu o cykl termiczny turbiny gazowej może znacząco poprawić moc wyjściową i wydajność w warunkach niskiego obciążenia turbiny gazowej o pochodzeniu aerodynamicznym. Na przykład poziom mocy turbiny LMS100 z intercooler'em dochodzi do 100 MW, a jej efektywność wynosi aż 46%. Efektywność termiczna turbiny WR21 z intercooler'em i rekuperacją w warunkach niskiego obciążenia jest znacznie wyższa niż u turbiny gazowej w cyklu prostym. Jako napęd okrętowy greatly poprawia ona gospodarność statku i zasięg bojowy.

Moc wyjściowa zaawansowanych turbin gazowych typu aeropochodnych z zastosowaniem chłodzenia międzistrefowego lub cyklu odzysku ciepła z chłodzeniem międowym została znacznie zwiększone, a wydajność termiczna we wszystkich warunkach pracy została poprawiona. Na przykład, poziom mocy może osiągnąć 100 MW, a wydajność termiczna w punkcie projektowym wynosi aż 46%; wydajność w warunkach obciążenia została istotnie poprawiona, wydajność termiczna może osiągnąć 40% przy obciążeniu 50%; chłodzenie międowcowe zmniejsza moc właściwą kompresora wysokiego ciśnienia, a stosunek ciśnienia całego urządzenia może osiągnąć ponad 40.

Model rozwoju technologicznego

Patrząc na historię rozwoju, turbiny gazowe typu aeropochodne mają modele rozwoju technologicznego, takie jak rozwój genealogiczny, rozwój szeregowy, zastosowanie zaawansowanej technologii cyklu oraz zastosowanie trybu cyklu kombinowanego.

Rozwój genealogiczny

Rozwój genealogiczny to rozwój turbin gazowych różnych typów i poziomów mocy na podstawie tego samego silnika lotniczego, co w pełni odzwierciedla charakterystyki turbin gazowych pochodnych od silników lotniczych: „jeden silnik jako podstawa, spełniający wiele zastosowań, oszczędzający cykle, obniżający koszty, generujący wiele typów i tworzący spektrum”.

Weźmy na przykład silnik lotniczy CF6-80C2. Turbina gazowa LM6000 bezpośrednio wykorzystuje rdzeniowy silnik CF6-80C2 i zachowuje maksymalną uniwersalność turbiny niskiego ciśnienia; LMS100 dziedziczy technologię rdzeniowego silnika CF6-80C2, łącząc ją z technologią turbiny gazowej klasy F i technologią chłodzenia międzietokowego, posiadając moc 100 MW; MS9001G/H całkowicie korzysta z dojrzałej technologii silnika lotniczego CF6-80C2, a przez połączenie z technologią turbiny gazowej ciężkiej zwiększa temperaturę przed turbiną z 1287 ℃ klasy F do 1430 ℃ , a moc wynosi 282 MW. Udane rozwój trzech typów turbin gazowych umożliwił adaptację do lotnictwa silnika CF6-80C2, osiągając "jeden aparat, wiele typów, rozwijając turbinę gazową różnych typów i mocy".

Rozwój serii

Rozwój szeregowy polega na ciągłym ulepszaniu i poprawie, zwiększeniu wydajności oraz zmniejszeniu emisji na podstawie udanej turbiny gazowej, aby osiągnąć szeregowy rozwój turbin gazowych o pochodzeniu lotniczym, przy czym seria LM2500 jest najbardziej typowa, jak pokazano na rysunku 2. Turbina gazowa LM2500 używa silnika rdzenia macierzystego TF39/CF6-6, a zmienia turbinę niskiego ciśnienia macierzystego silnika na turbinę mocową; turbina gazowa LM2500+ dodaje etap przed sprężarką turbiny gazowej LM2500 w celu zwiększenia przepływu masowego powietrza i mocy wyjściowej; LM2500+G4 zwiększa przepływ powietrza w turbinie gazowej przez poprawę profilu łopatek sprężarki i zwiększenie pola gardzieli turbinowej na podstawie LM2500+, aby osiągnąć cel ciągłego zwiększania mocy wyjściowej. Wraz ze szeregowym rozwojem LM2500 produkt jest ciągle ulepszany, z zakresem mocy od 20 do 35 MW, a liczba urządzeń na całym świecie przekracza 1000 sztuk, co czyni ją najpowszechniej stosowanym modelem do tej pory.

Ze względu na trudności związane z rozwojem i produkcją, rozwój seryjny oparty na udanej turbinie gazowej jest ważnym modelem rozwoju technologicznego dla turbin gazowych pochodnych od silników lotniczych, który polega na ciągłym ulepszaniu i poprawie, zwiększeniu wydajności oraz zmniejszeniu emisji. Rozwój seryjny turbin gazowych pochodnych od silników lotniczych przypomina rozwój genealogiczny, co nie tylko skraca cykl rozwoju, ale również gwarantuje lepszą niezawodność i zaawansowanie, a także znacząco obniża koszty projektowania, rozwoju, testowania i produkcji.

Wydajność

Celem poprawy efektywności jest ciągła poprawa wydajności całego urządzenia, zwłaszcza mocy wyjściowej całego urządzenia i wydajności termicznej w wszystkich warunkach pracy. Głównymi metodami są następujące.

Jednym z zastosowań jest wykorzystanie zaawansowanych cykli. Zastosowanie zaawansowanych cykli może ciągle poprawiać wydajność turbin gazowych odrzutowych, takich jak cykl ponownego podgrzewu, cykl wtrysku pary, cykl chemicznej regeneracji, mokry cykl powietrzny, szeregowy mokry zaawansowany cykl turbinowy i cykl Kaliny itp. Po zastosowaniu zaawansowanego cyklu nie tylko ulepszy się wydajność zespołu turbinowego odrzutowego, ale również moc i efektywność termiczna całego zespołu zostaną znacząco poprawione, a emisja tlenków azotu będzie istotnie zmniejszona.

Drugi to projektowanie komponentów o wysokiej efektywności. Projektowanie komponentów o wysokiej efektywności koncentruje się na projektowaniu sprężarek o wysokiej efektywności oraz projektowaniu turbin o wysokiej efektywności. Projektowanie sprężarek o wysokiej efektywności będzie dalej rozwiązywało techniczne trudności związane z dużą prędkością i wysoką efektywnością oraz niską prędkością i granicznym zakresem przepływu dla sprężarek. Jak pokazano na Rysunku 3, projektowanie turbin będzie kontynuowane w kierunku większej efektywności, odporności na wysokie temperatury oraz długiego życia użytkowego.

Trzecim jest projektowanie wydajnych systemów powietrza. Kierunki rozwoju technicznego wydajnych systemów powietrza obejmują rozwój technologii hermetycznych o niskiej przepuszczalności, opornych na zużycie i wydajnych, takich jak hermetyki komórkowe, cienkolistkowe, szczotkowe i kombinowane; technologie efektywnego obniżania oporu w celu poprawy wydajności przepływu powietrza, takie jak projektowanie redukcji oporu de-swirl oraz kontrolowalne projekty przepływu; zaawansowane technologie projektowania pre-swirl w celu dalszego poprawienia wydajności pre-swirl, takie jak aerodynamiczny projekt otworów pre-swirl oraz kaskadowy projekt otworów pre-swirl; metody analizy kwantyfikacji niepewności, które mogą poprawić odporność i niezawodność systemów powietrza itp.

Wnioski

Turbiny gazowe o pochodzeniu lotniczym znajdują szerokie zastosowanie w napędzie okrętów, elektrowniach, przekazach mechanicznych, platformach naftowych morskich, napędzie czołgów i energetyce rozproszonej dzięki szerokiemu zakresowi mocy, wysokiej efektywności termicznej, dobrej manewrowości, długiemu życiu użytkowemu oraz wysokiej niezawodności. Wraz z szybkim rozwijaniem się technologii silników lotniczych oraz ciągłym wprowadzaniem nowych rozwiązań i technologii, turbiny gazowe o pochodzeniu lotniczym będą szybko rozwijać się w kierunku większej wydajności, niskowęglowości, nowej jakości oraz cyfrowej inteligencji. Technologia projektowania i produkcji turbin gazowych o pochodzeniu lotniczym również osiągnie duży postęp, stopniowo poprawiając się pod względem ekonomiczności, emisji zanieczyszczeń, niezawodności i konserwobliwości, a ich perspektywy zastosowań nieuchronnie będą szerzej zakrojone.