Развитие Технологий Авиационных Газотурбин

Под влиянием политических, военных и экономических факторов развитие технологий авиадвигателей происходит быстрее, чем у газотурбинных двигателей. Газотурбинные двигатели и авиадвигатели имеют широкий спектр технических общностей и могут обмениваться в системах проектирования, производственных системах, системах кадров и испытательных системах. Таким образом, на основе огромного рыночного спроса и очевидных преимуществ применения газотурбинные двигатели стали отраслевым консенсусом для разработки на базе высокопроизводительных, зрелых авиадвигателей и передовых промышленных технологий и методов проектирования. Существует два способа переноса технологии авиадвигателей на газотурбины, как показано на рисунке 1: один — это непосредственная модификация и производная от зрелых авиадвигателей для создания авиационных газотурбин; другой — это трансплантация технологии авиадвигателей на тяжелые газотурбины и разработка нового поколения тяжелых газотурбин.

История развития авиационных газотурбин

Вместе с развитием технологии авиадвигателей и внедрением передовых цикловых технологий, технический процесс развития газотурбинных двигателей на аэродвигательной основе прошел этапы технологического исследования, технологического развития и применения передовых циклов, что позволило достичь развития от простой модификации до оптимизированного дизайна высокопроизводительного ядра двигателя, от простого цикла к сложному циклическому применению, от использования зрелой системы проектирования и материальной базы авиадвигателей к разработке новых компонентов и применению новых материалов, что значительно повысило уровень проектирования, производительность, надежность и срок службы газотурбинных двигателей на аэродвигательной основе.

Этап технологического исследования

В 1943 году была успешно разработана первая в мире газотурбинная установка аэропроизводного типа. После этого компании Rolls-Royce, GE и Pratt & Whitney создали первую партию газотурбинных двигателей аэропроизводного типа на основе модификаций成熟的 авиадвигателей, включая промышленные двигатели Avon, промышленный двигатель Olympus, газовые турбины Spey, LM1500 и FT4. На данном этапе технология аэропроизводных газовых турбин находилась в стадии исследования. Структура напрямую унаследовала ядро авиадвигателя, а мощность достигалась за счет установки подходящего силового турбина; общая производительность машины была невысокой, а КПД цикла обычно составлял менее 30%; начальная температура перед турбиной была менее 1000 ℃ , а коэффициент давления составлял 4–10; компрессор в основном был субзвуковым; лопасти турбины использовали простую технологию воздушного охлаждения; материалом, используемым, был начальный высокотемпературный сплав; система управления в основном использовала механическую гидравлическую или аналоговую электронную систему регулирования.

Этап развития технологии

Совершенствование технологий применения авиадвигателей обеспечило высокопроизводительные и надежные базовые машины, а также передовые технологии проектирования для быстрого развития газотурбинных двигателей на аэродеривативной основе. Одновременно с этим, спрос на современные аэродеривативные газотурбины со стороны военно-морских флотов Великобритании, США и других стран предоставил широкую площадку для их применения, что способствовало быстрому развитию и значительному улучшению характеристик этих двигателей. Был выпущен ряд аэродеривативных газотурбин с отличными характеристиками и высокой надежностью, таких как серия LM2500, промышленный Trent, FT4000 и MT30, которые широко используются в судовой энергетике, электрогенерации и других областях.

Компоненты горячей части газотурбинных двигателей аэропроизводных на этапе технологического развития обычно используют сверхлегкие сплавы и защитные покрытия для повышения теплостойкости, применяют передовые технологии воздушного охлаждения и малоэмиссионные технологии сжигания; начальная температура перед турбиной достигает 1400 ° C, мощность может достигать 40-50 МВт, КПД одноступенчатой установки превышает 40%, а эффективность комбинированного цикла может достичь 60%; используется цифровая электронная система управления, что значительно提高了 точность управления и качество управления.

Применять передовые циклы

По мере увеличения требований к высокой производительности авиадеривативных газотурбинных двигателей, особенно к потреблению топлива, выходной мощности и другим показателям, передовые циклические авиадеривативные газотурбины получили широкое распространение в инженерной практике. Добавление промежуточного охлаждения или цикла рекуперации тепла на основе газотурбинного теплового цикла может значительно улучшить выходную мощность и показатели работы при низких нагрузках у авиадеривативных газотурбин. Например, уровень мощности LMS100 с промежуточным охлаждением достигает 100 МВт, а КПД составляет до 46%. Теплоэффективность WR21 с промежуточным охлаждением и рекуперацией на низких режимах работы значительно выше, чем у газотурбины с простым циклом. Как судовая энергетическая установка, она существенно повышает экономичность и боевой радиус действия корабля.

Мощность передовых циклических аэропроизводных газовых турбин, использующих промежуточное охлаждение или циклы рекуперации тепла с промежуточным охлаждением, значительно увеличена, а термический КПД во всех режимах работы улучшен. Например, уровень мощности может достигать 100 МВт, а термический КПД в рабочей точке составляет до 46%; показатели при низких нагрузках существенно улучшены, термический КПД может составлять 40% при нагрузке 50%; промежуточное охлаждение снижает удельную мощность высоконапорного компрессора, и коэффициент сжатия всей машины может достигать более 40.

Модель технологического развития

Изучая историю развития, можно выделить технические модели развития аэропроизводных газовых турбин, такие как родословное развитие, серийное развитие, внедрение передовых циклических технологий и применение режима комбинированного цикла.

Родословное развитие

Генеалогическое развитие — это разработка газовых турбин различных типов и мощностей на базе одного авиадвигателя, что полностью отражает характеристики авиационных газотурбинных двигателей: «одна машина в качестве основы, удовлетворяющая множеству целей, экономия циклов, снижение затрат, создание нескольких типов и формирование спектра».

На примере авиадвигателя CF6-80C2 газовая турбина LM6000 непосредственно использует ядерный двигатель CF6-80C2 и сохраняет максимальную универсальность низкотемпературной турбины; LMS100 наследует технологию ядерного двигателя CF6-80C2, сочетает технологии тяжелых газовых турбин класса F и межохлаждающую технологию, обладая мощностью 100 МВт; MS9001G/H полностью использует проверенные технологии авиадвигателя CF6-80C2, а благодаря интеграции с технологией тяжелых газовых турбин температура перед турбиной увеличивается с 1287 ℃ градусов у турбин класса F до 1430 ℃ , и мощность достигает 282 МВт. Успешное развитие трех типов газовых турбин позволило авиационному развитию авиадвигателя CF6-80C2 достичь "одна машина с несколькими типами, разрабатывая газовые турбины разных типов и мощностей".

Серийное развитие

Развитие серийных газотурбинных двигателей заключается в непрерывном совершенствовании и модернизации, улучшении характеристик и снижении выбросов на основе успешной газовой турбины, чтобы достичь серийного развития аэрофлотских газовых турбин. Наиболее типичным примером является серия LM2500, как показано на рисунке 2. Газовая турбина LM2500 использует ядерный двигатель базового двигателя TF39/CF6-6 и заменяет низкотемпературную турбину базового двигателя на силовую турбину; газовая турбина LM2500+ добавляет один этап перед компрессором газовой турбины LM2500 для увеличения массы воздушного потока и выходной мощности; LM2500+G4 увеличивает воздушный поток газовой турбины за счет улучшения профиля лопастей компрессора и увеличения площади сопла турбины на базе LM2500+, чтобы достичь цели непрерывного повышения выходной мощности. С развитием серии LM2500 продукция постоянно обновляется и совершенствуется, с диапазоном мощности от 20 до 35 МВт, количество установок по всему миру превышает 1000 единиц, что делает её наиболее широко используемой моделью на сегодняшний день.

Из-за сложности разработки и производства, серийное развитие на основе успешной газовой турбины является важной технической моделью развития газотурбинных двигателей аэро-происхождения, которая заключается в постоянном совершенствовании и улучшении характеристик, а также снижении выбросов. Серийное развитие газотурбинных двигателей аэро-происхождения похоже на родословное развитие, что позволяет не только сократить цикл разработки, но и обеспечить лучшую надежность и передовые характеристики, значительно снижая затраты на проектирование, разработку, испытания и производство.

Эффективность

Цель повышения эффективности заключается в непрерывном улучшении характеристик всей машины, особенно выходной мощности и тепловой эффективности при всех режимах работы. Основные способы следующие.

Одним из применений является использование усовершенствованных циклов. Применение усовершенствованных циклов может непрерывно повышать эффективность авиадеривативных газовых турбин, таких как цикл повторного подогрева, цикл с возвратом пара, химический рекуперационный цикл, влажно-воздушный цикл, последовательный влажно-воздушный усовершенствованный турбинный цикл и цикл Калина, и др. После применения усовершенствованного цикла не только повысится производительность блока авиадеривативной газовой турбины, но также значительно возрастут мощность и тепловой КПД всего агрегата, а выбросы оксидов азота существенно сократятся.

Второй аспект — это проектирование высокоэффективных компонентов. Проектирование высокоэффективных компонентов сосредотачивается на разработке высокоэффективных компрессоров и турбин. Разработка высокоэффективных компрессоров продолжит преодоление технических трудностей, связанных с высокой скоростью и эффективностью, а также низкой скоростью и высоким пределом срабатывания, с которыми сталкиваются компрессоры. Как показано на рисунке 3, разработка турбин будет продолжать развиваться в направлении повышения эффективности, устойчивости к высоким температурам и долговечности.

Третье — это проектирование эффективных воздушных систем. Направления технического развития эффективных воздушных систем включают разработку технологий уплотнения с низкой утечкой, износостойкости и высокой эффективности, таких как сотообразные уплотнения, тонколистовые уплотнения, щеточные уплотнения и комбинированные уплотнения; технологии эффективного снижения сопротивления для улучшения аэродинамических характеристик потока воздуха, такие как конструкции для уменьшения завихрений и управляемые конструкции для повышения эффективности потока; передовые технологии предварительного создания завихрений для дальнейшего повышения эффективности этого процесса, такие как аэродинамический дизайн отверстий для предварительного создания завихрений и каскадный дизайн отверстий для предварительного создания завихрений; методы количественного анализа неопределенностей, которые могут повысить надежность и устойчивость воздушных систем, и т.д.

Заключение

Газовые турбины аэродеривативного типа широко применяются в судовой энергетике, электроснабжении, механической передаче, морских нефтяных платформах, танковой мощности и распределенной энергии благодаря широкому диапазону мощности, высокой тепловой эффективности, хорошей маневренности, длительному сроку службы и высокой надежности. С быстрым развитием технологий авиадвигателей и непрерывным внедрением новых концепций и технологий газовые турбины аэродеривативного типа будут быстро развиваться в направлении повышения эффективности, декарбонизации, нового качества и цифровой интеллектуализации. Технологии проектирования и производства аэродеривативных газовых турбин также совершат значительный прогресс, постепенно улучшаясь в плане экономичности, низких выбросов загрязняющих веществ, надежности и обслуживаемости, что неизбежно расширит их перспективы применения.