Desenvolvimento da Tecnologia de Turbinas a Gás Derivadas de Aero motores

Influenciado por fatores políticos, militares e econômicos, o desenvolvimento da tecnologia de motores aeronáuticos é mais rápido do que o dos turbinas a gás. As turbinas a gás e os motores aeronáuticos possuem uma ampla gama de similaridades técnicas e podem compartilhar sistemas de design, sistemas de fabricação, sistemas de talentos e sistemas de teste. Portanto, com base na grande demanda de mercado e nas vantagens de aplicação evidentes das turbinas a gás, tornou-se um consenso na indústria desenvolver turbinas a gás com base em motores aeronáuticos de alto desempenho e maduros, além de tecnologias industriais avançadas e métodos de design. Existem duas formas de transferir a tecnologia de motores aeronáuticos para turbinas a gás, como mostrado na Figura 1: uma é modificar diretamente e derivar motores aeronáuticos maduros para formar turbinas a gás derivadas; a outra é transplantar a tecnologia de motores aeronáuticos para turbinas a gás pesadas e desenvolver uma nova geração de turbinas a gás pesadas.

História de Desenvolvimento das Turbinas a Gás Derivadas

Juntamente com o desenvolvimento da tecnologia de motores aeronáuticos e a aplicação de tecnologia avançada de ciclo, o processo de desenvolvimento técnico dos turbinas a gás derivadas da aviação passou pela fase de exploração tecnológica, fase de desenvolvimento tecnológico e fase de aplicação de ciclo avançado, realizando o desenvolvimento das turbinas a gás derivadas da aviação de uma simples modificação para um design otimizado de motor nuclear de alto desempenho, de ciclo simples para aplicação de ciclo complexo, de herdar o sistema de design maduro e o sistema de materiais dos motores aeronáuticos para o design de novos componentes e a aplicação de novos materiais, o que permitiu que o nível de design, desempenho, confiabilidade e vida útil das turbinas a gás derivadas da aviação alcancem um considerável desenvolvimento.

Fase de exploração tecnológica

Em 1943, o mundo testemunhou o desenvolvimento bem-sucedido da primeira turbina a gás derivada de aeronaves. Após isso, empresas como Rolls-Royce, GE e Pratt & Whitney projetaram o primeiro lote de turbinas a gás derivadas de aeronaves com base em modificações de motores aeronáuticos maduros, incluindo as turbinas industriais Avon, industrial Olympus, Spey, LM1500 e FT4. Nesta fase, a tecnologia das turbinas a gás derivadas de aeronaves estava no período exploratório. A estrutura herdava diretamente o núcleo do motor aeronáutico, e a potência era alcançada equipando-se uma turbina de potência adequada; o desempenho geral da máquina não era alto, e a eficiência do ciclo era geralmente inferior a 30%; a temperatura inicial antes da turbina era inferior a 1000 ℃ , e a razão de pressão era de 4 a 10; o compressor era geralmente subsonico; as pás da turbina usavam tecnologia simples de resfriamento a ar; o material usado era a inicial liga de alta temperatura; o sistema de controle geralmente usava um sistema de ajuste mecânico hidráulico ou eletrônico analógico.

Etapa de Desenvolvimento Tecnológico

Com o amadurecimento da aplicação de motores a jato, foram fornecidas máquinas principais de alto desempenho e alta confiabilidade, além de tecnologias avançadas de design, para o rápido desenvolvimento de turbinas a gás derivadas da aeronáutica. Ao mesmo tempo, a demanda por turbinas a gás avançadas derivadas da aeronáutica pelas marinas do Reino Unido, Estados Unidos e outros países também proporcionou uma ampla plataforma de aplicação, o que permitiu que as turbinas a gás derivadas da aeronáutica se desenvolvessem rapidamente e melhorassem significativamente seu desempenho. Uma série de turbinas a gás derivadas da aeronáutica com bom desempenho e alta confiabilidade foram lançadas. Como exemplo, as séries LM2500, industrial Trent, FT4000 e MT30, entre outras, são amplamente utilizadas nos campos de propulsão naval e geração de energia.

Os componentes da extremidade quente de turbinas a gás derivadas de aviões no estágio de desenvolvimento tecnológico geralmente utilizam superligas e revestimentos protetores para melhorar a resistência à temperatura, e aplicam tecnologia avançada de resfriamento a ar e tecnologia de combustão de baixa poluição; a temperatura inicial antes da turbina atinge 1400 ° C, a potência pode chegar a 40-50MW, a eficiência térmica do conjunto único excede 40%, e a eficiência do ciclo combinado pode alcançar 60%; utiliza-se um sistema de controle eletrônico digital, e a precisão e o desempenho de controle são significativamente melhorados.

Aplicar ciclos avançados

À medida que os requisitos de alta performance para turbinas a gás derivadas de aeroderivados, especialmente no consumo de combustível, potência de saída e outros indicadores, aumentam, turbinas a gás derivadas de aeroderivados com ciclos avançados têm ganhado prática engenharia ampla. Adicionar um ciclo de resfriamento intercalar ou recuperação de calor intercalar na base do ciclo térmico da turbina a gás pode melhorar significativamente a potência de saída e o desempenho em condições de operação reduzida da turbina a gás derivada de aeroderivados. Por exemplo, o nível de potência da turbina a gás LMS100 com resfriamento intercalar atinge 100MW e a eficiência é tão alta quanto 46%. A eficiência térmica da turbina a gás WR21 com resfriamento intercalar e recuperação em condições de operação reduzida é muito maior do que a de uma turbina a gás de ciclo simples. Como propulsor naval, ela melhora muito a economia e o raio de combate do navio.

A potência de saída das turbinas a gás avançadas de ciclo aeroderivado, utilizando interresfriamento ou ciclos de recuperação de calor interresfriados, aumentou significativamente, e a eficiência térmica foi melhorada em todas as condições de operação. Por exemplo, o nível de potência pode atingir 100MW, e a eficiência térmica no ponto de projeto é de até 46%; o desempenho em condições de operação reduzida foi significativamente melhorado, podendo a eficiência térmica alcançar 40% sob carga de 50%; o interresfriamento reduz a potência específica do compressor de alta pressão, e a razão de compressão total da máquina pode atingir mais de 40.

Modelo de desenvolvimento tecnológico

Analisando a história de desenvolvimento, as turbinas a gás aeroderivadas têm modelos de desenvolvimento técnico como desenvolvimento genealógico, desenvolvimento serial, adoção de tecnologia de ciclo avançado e aplicação do modo de ciclo combinado.

Desenvolvimento genealógico

O desenvolvimento genealógico é o desenvolvimento de turbinas a gás de diferentes tipos e níveis de potência com base no mesmo motor aeronáutico, o que reflete plenamente as características das turbinas a gás derivadas da aviação: "um equipamento como base, atendendo múltiplos usos, economizando ciclos, reduzindo custos, derivando múltiplos tipos e formando um espectro."

Tomando o motor aeronáutico CF6-80C2 como exemplo, a turbina a gás LM6000 utiliza diretamente o motor central do CF6-80C2 e mantém a máxima versatilidade da turbina de baixa pressão; a LMS100 herda a tecnologia do motor central do CF6-80C2, combina a tecnologia da turbina a gás pesada classe F e a tecnologia de resfriamento intermédio, e possui uma potência de 100MW; o MS9001G/H adota totalmente a tecnologia madura do motor aeronáutico CF6-80C2, e através da combinação com a tecnologia da turbina a gás pesada, a temperatura antes da turbina aumenta de 1287 ℃ da classe F para 1430 ℃ , e a potência atinge 282MW. O desenvolvimento bem-sucedido dos três tipos de turbinas a gás permitiu que o desenvolvimento baseado em aviação do motor aeronáutico CF6-80C2 alcançasse "uma máquina com múltiplos tipos, desenvolvendo turbinas a gás de diferentes tipos e potências".

Desenvolvimento em série

O desenvolvimento em série consiste em atualizar e melhorar continuamente, melhorar o desempenho e reduzir as emissões com base em uma turbina a gás bem-sucedida, de modo a alcançar o desenvolvimento em série de turbinas a gás derivadas de aviões, entre as quais a série LM2500 é a mais típica, como mostrado na Figura 2. A turbina a gás LM2500 utiliza o motor nuclear da aeronave TF39/CF6-6 e altera a turbina de baixa pressão do motor principal para uma turbina de potência; a turbina a gás LM2500+ adiciona uma etapa antes do compressor da turbina a gás LM2500, a fim de aumentar o fluxo de ar e a potência de saída; o LM2500+G4 aumenta o fluxo de ar da turbina a gás melhorando o perfil das pás do compressor e aumentando a área da garganta da turbina com base no LM2500+, com o objetivo de continuar melhorando a potência de saída. Com o desenvolvimento em série do LM2500, o produto é continuamente atualizado e melhorado, com uma faixa de potência de 20 a 35MW, e o número de equipamentos em todo o mundo excede 1.000 unidades, tornando-o o modelo mais amplamente utilizado até hoje.

Devido à dificuldade do desenvolvimento e produção, o desenvolvimento em série baseado no bem-sucedido turbina a gás é um modelo técnico importante para turbinas a gás derivadas de aviões, que visa atualizar e melhorar continuamente, melhorar o desempenho e reduzir as emissões. O desenvolvimento em série de turbinas a gás derivadas de aviões é semelhante ao desenvolvimento de linhagem, o que não apenas pode encurtar o ciclo de desenvolvimento, mas também garantir uma maior confiabilidade e avanço, reduzindo significativamente os custos de design, desenvolvimento, teste e fabricação.

Eficiência

O objetivo da melhoria de eficiência é melhorar continuamente o desempenho da máquina completa, especialmente a potência de saída da máquina completa e a eficiência térmica em todas as condições de operação. As principais formas são as seguintes.

Um é a aplicação de ciclos avançados. A aplicação de ciclos avançados pode melhorar continuamente o desempenho de turbinas a gás aeroderivadas, como o ciclo de reaquecimento, ciclo de reinjeção de vapor, ciclo de recuperação química, ciclo de ar úmido, ciclo de ar úmido em série avançado para turbinas e ciclo Kalina, entre outros. Após a aplicação do ciclo avançado, não apenas o desempenho da unidade da turbina a gás aeroderivada será melhorado, mas também a potência e a eficiência térmica de toda a unidade serão significativamente aumentadas, e as emissões de óxidos de nitrogênio serão reduzidas significativamente.

O segundo é o design de componentes de alta eficiência. O design de componentes de alta eficiência concentra-se no design de compressores de alta eficiência e no design de turbinas de alta eficiência. O design de compressores de alta eficiência continuará superando os desafios técnicos da alta velocidade e alta eficiência, bem como da baixa velocidade e limite crítico de surto enfrentados pelos compressores. Como mostrado na Figura 3, o design das turbinas continuará se desenvolvendo na direção de alta eficiência, resistência a altas temperaturas e longa vida útil.

O terceiro é o design de sistemas de ar eficientes. As direções de desenvolvimento técnico dos sistemas de ar eficientes incluem o desenvolvimento de tecnologias de vedação eficientes, resistentes ao desgaste e com baixa vazão, como vedações em favo de mel, vedações finas, vedações de pincel e vedações combinadas; tecnologias de design de redução eficiente de arrasto para melhorar o desempenho do fluxo de ar, como design de redução de arrasto anti-vórtice e design de fluxo eficiente controlável; tecnologias avançadas de design pré-vórtice para melhorar ainda mais a eficiência pré-vórtice, como design de buracos pré-vórtice aerodinâmico e design de buracos pré-vórtice em cascata; métodos de análise de quantificação de incerteza que podem melhorar a robustez e confiabilidade dos sistemas de ar, etc.

Conclusão

Turbinas a gás derivadas de aeronaves são amplamente utilizadas em propulsão naval, eletricidade, transmissão mecânica, plataformas de petróleo offshore, potência de tanques e energia distribuída, devido ao seu amplo intervalo de potência, alta eficiência térmica, boa manobrabilidade, longa vida útil e alta confiabilidade. Com o rápido desenvolvimento da tecnologia de motores aeronáuticos e a aplicação contínua de novos designs e tecnologias, as turbinas a gás derivadas de aeronaves terão um desenvolvimento rápido na direção de alta eficiência, baixa carbonização, nova qualidade e digitalização inteligente. A tecnologia de design e fabricação das turbinas a gás derivadas de aeronaves também fará grandes progressos, melhorando gradualmente em termos de economia, emissões de poluentes reduzidas, confiabilidade e manutenibilidade, e suas perspectivas de aplicação inevitavelmente serão mais amplas.