Dezvoltarea Tehnologiei Turbinelor cu Gaz Derivate Aeroportate

Influențiat de factori politici, militari și economice, dezvoltarea tehnologiei motorului de avion este mai rapidă decât cea a turbinei cu gaz. Turbinele cu gaz și motoarele de avion au o gamă largă de comunalați tehnice, putând fi partajate în sisteme de proiectare, sisteme de fabricație, sisteme de talent și sisteme de testare. Prin urmare, pe baza cererii de piață uriașe și avantajelor evidente de aplicare ale turbinei cu gaz, a devenit o consens al industriei să se dezvolte turbine cu gaz bazate pe motoare de avion performante și mature, precum și pe tehnologii industriale și metode de proiectare avansate. Există două modalități de transfer al tehnologiei motorului de avion către turbinele cu gaz, așa cum este ilustrat în Figura 1: una este să se modifice direct și să se deriveze motoare de avion mature pentru a forma turbine cu gaz derivate din aviație; cealaltă este să se transpose tehnologia motorului de avion la turbinele cu gaz grele și să se cerceteze și dezvolte o nouă generație de turbine cu gaz grele.

Istoria Dezvoltării Turbinilor cu Gaz Derivate din Aviație

Împreună cu dezvoltarea tehnologiei motorului de aviție și aplicarea tehnologiei avansate a ciclurilor, procesul de dezvoltare tehnică al turbinei gaz pe bază aeriană a trecut prin etapa de explorare a tehnologiei, etapa de dezvoltare a tehnologiei și etapa de aplicare a ciclurilor avansate, realizând o dezvoltare a turbinei gaz pe bază aeriană de la o modificare simplă la o concepție optimizată a motorului principal de performanță ridicată, de la ciclu simplu la aplicarea ciclurilor complexe, de la preluarea sistemului de design și al sistemului de materiale matur al motorului de aviție la designul de componente noi și aplicarea de materiale noi, ceea ce a permis nivelul de design, performanța, fiabilitatea și viața utilă a turbinei gaz pe bază aeriană să atingă o dezvoltare considerabilă.

Etapa de explorare a tehnologiei

În 1943, s-a dezvoltat cu succes primul turbină gaz aero-derivată din lume. După aceea, Rolls-Royce, GE și Pratt & Whitney au proiectat prima serie de turbine gaz aero-derivate pe baza modificărilor unor motoare aeronautice mature, inclusiv turbinele gaz industriale Avon, Olympus, Spey, LM1500 și FT4. În această etapă, tehnologia turbinei gaz aero-derivate se afla în perioada exploratorie. Structura a moștenit direct nucleul motorului aeronautic, iar puterea de ieșire a fost atinsă prin echiparea cu o turbină potențială adecvată; performanța generală a mașinii nu era mare, iar eficiența ciclului era de obicei sub 30%; temperatura inițială în fața turbinei era sub 1000 ℃ , și raportul de presiune a fost de 4 la 10; compresorul era în general subsonic; lamele turbinei foloseau o tehnologie simplă de răcire cu aer; materialul folosit era prima alianță rezistentă la temperaturi ridicate; sistemul de control folosea în general un sistem mecanic hidraulic sau un sistem electronic analog de ajustare.

Etapa de Dezvoltare a Tehnologiei

Cu maturarea aplicării motorilor aerospațiali, s-au oferit mașini materiale de înaltă performanță și înaltă fiabilitate, precum și tehnologii avansate de proiectare pentru dezvoltarea rapidă a turbinelor gaze derivabile din aerodinamică. În același timp, cererea de turbine gaze derivate din aerodinamică avansate din partea marinelor Regatului Unit, Statelor Unite și alte țări a furnizat, de asemenea, o scenă largă de aplicare, ceea ce a permis turbinelor gaze derivate din aerodinamică să se dezvolte rapid și să-și îmbunătățească semnificativ performanța. S-a lansat o serie de turbine gaze derivate din aerodinamică cu performanță bună și fiabilitate ridicată. De exemplu, seria LM2500, industrial Trent, FT4000 și MT30 etc., sunt utilizate pe scară largă în domeniul propulsiei navale, generării de energie și altele.

Componentele capetei calde ale turbinei cu gaz de tip derivat aerian în stadiul de dezvoltare tehnologică folosesc de obicei superaleații și revărsuri protective pentru a îmbunătăți rezistența la temperatură și aplică tehnologia de răcire cu aer avansată și tehnologia de combustie cu poluare redusă; temperatura inițială înainte de turbină ajunge la 1400 ° C, puterea poate ajunge la 40-50MW, eficiența termică a unității simple depășește 40%, iar eficiența ciclului combinat poate ajunge la 60%; se utilizează un sistem de control electronic digital, iar precizia și performanța de control sunt semnificativ îmbunătățite.

Aplicați cicluri avansate

Pe măsură ce cererile privind performanța ridicată a turbinei cu gaz de tip aeroderivat, în special consumul de combustibil, puterea de ieșire și alte indicatori, cresc, turbinele cu gaz de tip aeroderivat cu ciclu avansat au câștigat o practică inginerescă larg răspândită. Adăugarea unui ciclu cu recuperação de căldură intercalat pe baza ciclului termic al turbinei cu gaz poate îmbunătăți semnificativ puterea de ieșire și performanța la condiții de funcționare reduse a turbinei cu gaz de tip aeroderivat. De exemplu, nivelul de putere al turbinei cu gaz LMS100 intercalate atinge 100 MW și eficiența este de până la 46%. Eficiența termică a turbinei cu gaz WR21 cu recuperare intercalată la condiții de funcționare reduse este mult mai mare decât cea a unei turbine cu gaz cu ciclu simplu. Ca putere pentru nave, aceasta îmbunătățește considerabil economia și raza de luptă a navii.

Puterea de ieșire a turbinelor cu gaz aeroderivate de ciclu avansat, care utilizează interfrigorificare sau cicluri de recuperare a căldurii interfrigorificate, a fost semnificativ crescută, iar eficiența termică în toate condițiile de funcionare a fost îmbunătățită. De exemplu, nivelul de putere poate ajunge la 100MW, iar eficiența termică la punctul de proiectare este de până 46%; performanța la condiții de funcționare reduse s-a îmbunătățit semnificativ, eficiența termică putând atinge 40% la o sarcină de 50%; interfrigorificarea reduce puterea specifică a compresorului la presiune ridicată, iar raportul de presiune al întregii mașini poate ajunge la peste 40.

Model de dezvoltare tehnologică

Analizând istoria dezvoltării, turbinele cu gaz derivative din aviatic au modele de dezvoltare tehnică precum dezvoltarea genealogică, dezvoltarea serială, adoptarea tehnologiei de ciclu avansat și aplicarea modului de ciclu combinat.

Dezvoltare genealogică

Dezvoltarea genealogică este dezvoltarea turbinelor cu gaz de diferite tipuri și niveluri de putere bazate pe aceeași motor propulsor pentru aeronave, ceea ce reflectă în totalitate caracteristicile turbinelor cu gaz derivate din aviatică: "un aparat ca bază, destinat mai multor folosinni, economisind cicluri, reducând costurile, derivând mai multe tipuri și formând un spectru."

Luând ca exemplu motorul de avion CF6-80C2, turbina cu gaz LM6000 utilizează direct motorul central al lui CF6-80C2 și păstrează cea mai mare versatilitate a turbinei de presiune mică; LMS100 mosteneste tehnologia motorului central al lui CF6-80C2, combinând tehnologia turbinelor cu gaz grele de clasa F și tehnologia de răcire interioară, având o putere de 100MW; MS9001G/H adoptă în totalitate tehnologia matură a motorului de avion CF6-80C2, iar prin combinația cu tehnologia turbinelor cu gaz grele, temperatura înainte de turbina crește de la 1287 ℃ de clasa F la 1430 ℃ , și puterea ajunge la 282MW. Dezvoltarea cu succes a celor trei tipuri de turbine de gaz a permis dezvoltarea bazată pe aviație a motorului de avion CF6-80C2 să realizeze "o mașină cu mai multe tipuri, dezvoltând turbine de gaz de diferite tipuri și puteri".

Dezvoltare în serie

Dezvoltarea în serie constă în a actualiza și îmbunătăți continuu, a îmbunătăți performanța și a reduce emisiile pe baza unei turbine cu gaz de succes, astfel încât să se atingă dezvoltarea în serie a turbinelor cu gaz derivate din aeronave, printre care seria LM2500 este cea mai tipică, așa cum se arată în Figura 2. Turbina cu gaz LM2500 utilizează motorul central al motorului principal TF39/CF6-6 și schimbă turbina de presiune joasă a motorului principal într-o turbina de putere; turbina cu gaz LM2500+ adaugă o etapă în fața compresorului turbinei cu gaz LM2500, pentru a îmbunătăți fluxul masiv de aer și puterea de ieșire; LM2500+G4 crește fluxul de aer al turbinei cu gaz prin îmbunătățirea profilului lamei compresorului și creșterea zonei gârtii turbinei pe baza LM2500+, pentru a atinge scopul de a îmbunătăți continuu puterea de ieșire. Cu dezvoltarea în serie a LM2500, produsul este actualizat și îmbunătățit continuu, având un interval de putere de 20 la 35MW, iar numărul de unități în întreaga lume depășește 1.000 de unități, făcându-l pe acesta cel mai răspândit model până în prezent.

Datorită dificultăților de dezvoltare și producție, dezvoltarea în serie bazată pe turbinele cu gaz de succes reprezintă un model important de dezvoltare tehnică pentru turbinele cu gaz derivate din aeronave, care consistă în a actualiza și îmbunătăți continuu, a îmbunătăți performanța și a reduce emisiile. Dezvoltarea în serie a turbinei cu gaz derivate din aeronave este similară dezvoltării genealogice, care nu numai că poate să scurteze ciclul de dezvoltare, dar și să asigure o fiabilitate și o modernitate mai bună, reducând semnificativ costurile de proiectare, dezvoltare, testare și fabricație.

Eficiență

Scopul îmbunătățirii eficienței este de a îmbunătăți continuu performanța întregului aparat, în special puterea de ieșire a întregului sistem și eficiența termică sub toate condițiile de functionare. Principalele modalități sunt următoarele.

Una dintre aplicații este utilizarea ciclurilor avansate. Aplicarea ciclurilor avansate poate îmbunătăți continuu performanța turbinelor gaze aeroderivate, cum ar fi ciclul de reîncălzire, ciclul de reinjecție a vaporului, ciclul de recuperare chimică, ciclul cu aer umed, ciclul avansat serie cu aer umed și ciclul Kalina, printre altele. După aplicarea ciclului avansat, nu numai că se va îmbunătăți performanța unității cu turbina gaz aeroderivată, dar și puterea și eficiența termică a întregii unități vor fi semnificativ îmbunătățite, iar emisiile de oxizi de azot vor fi reduse în mod semnificativ.

Al doilea este proiectarea de componentă cu eficiență ridicată. Proiectarea de componentă cu eficiență ridicată se concentrează pe proiectarea compresorului cu eficiență ridicată și pe proiectarea turbinelor cu eficiență ridicată. Proiectarea compresorului cu eficiență ridicată va continua să depășească dificultățile tehnice legate de viteză ridicată și eficiență ridicată, precum și de viteză scăzută și limita de surghi a compresorului. Așa cum se arată în Figura 3, proiectarea turbinelor va continua să se dezvolte în direcția eficienței ridicate, rezistenței la temperaturi ridicate și a durabilității mari.

Al treilea este proiectarea sistemelor de aer eficiente. Direcțiile de dezvoltare tehnică ale sistemelor de aer eficiente includ dezvoltarea tehnologiilor de sigiliere eficiente, rezistente la uzură și cu scădere a fugelor, cum ar fi sigilațiile alveolare, sigilațiile cu foi subțiri, sigilațiile cu perii și sigilațiile combinabile; tehnologii de proiectare eficiente pentru reducerea tracțiunii care îmbunătățesc performanța curgerii de aer, cum ar fi proiectarea de reducere a tracțiunii prin eliminarea rotației și proiectarea curgerii eficiente controlabile; tehnologii avansate de proiectare pre-rotativă pentru a mai îmbunătăți eficiența pre-rotativă, cum ar fi proiectarea cu găuri pre-rotative aerodinamice și proiectarea cu găuri pre-rotative în cascadă; metode de analiză a cuantificării incertitudinilor care pot îmbunătăți robustețea și fiabilitatea sistemelor de aer, etc.

Concluzie

Turbinele cu gaz derivat de la aeronave sunt folosite în mod广泛 în domeniul puterii navale, electricității, transmisiei mecanice, platformelor offshore de petrol, puterii tancurilor și energia distribuită, datorită gama largă de putere, eficienței termice ridicate, bunei manevrabilități, duratei de viață lungi și fiabilității ridicate. Cu dezvoltarea rapidă a tehnologiei motorului de aviație și aplicarea continuă a noi dispozitive și tehnologii, turbinele cu gaz derivat de la aeronave vor cunoaște o dezvoltare rapidă în direcția eficienței ridicate, redus carbonizării, calității noi și inteligenței digitale. Tehnologia de proiectare și fabricație a turbinei cu gaz derivat de la aeronave va face, de asemenea, progrese semnificative, îmbunătățind treptat în ceea ce privește economia, emisiile scăzute de poluanți, fiabilitatea și menținerea, iar perspectivele de aplicare vor fi neapărat mai larg deschise.