Vývoj technológie plynových turbin derivovaných od leteckých motorov

Ovládané politickými, vojenskými a hospodárskymi faktormi, je rozvoj technológie leteckých motorov rýchlejší ako rozvoj plynových turbín. Plynové turbíny a letecké motory majú široké spektrum technických spoločností, ktoré môžu byť využité v dizajnových systémoch, výrobných systémoch, systémoch talénov a testovacích systémoch. Preto, na základe obrovského trhového požiadavku a jasne viditeľných aplikabilných výhod plynových turbín, sa stalo konzensusom priemyslu rozvíjať plynové turbíny na báze vysoko výkonných, zrelých leteckých motorov a pokročilých priemyselných technológii a metód dizajnu. Existujú dve cesty pre presun technológie leteckých motorov na plynové turbíny, ako je uvedené na obrázku 1: jedna je priamo upraviť a odvodiť zrelé letecké motory na vznik aeroderivátnych plynových turbín; druhá je transplantovať technológiu leteckých motorov na ťažké plynové turbíny a vyvinúť novú generáciu ťažkých plynových turbín.

História rozvoja aeroderivátnych plynových turbín

Spolu s rozvojom technológie leteckých motorov a aplikáciou pokročilých cyklových technológií prešiel proces technického vývoja derivátových plynových turínov fázami: fáza technologickej explorácie, fáza vývoja technológií a fáza aplikácie pokročilých cyklov, čo umožnilo rozvoj derivátových plynových turínov od jednoduchých úprav po optimalizovaný vysoko-výkonný stredný motor, od jednoduchého cyklu po komplexné cyklové aplikácie, od dedičstva zrelnej dizajnovстой a materiálovej sústavy leteckých motorov po dizajn nových komponentov a aplikáciu nových materiálov, čo prinieslo významný rozvoj v oblasti dizajnu, výkonu, spoľahlivosti a životnosti derivátových plynových turínov.

Fáza technologickej explorácie

V roku 1943 bol úspešne vyvinutý svetový prvý aeroderivátny plynový turbine. Neskôr spoločnosti Rolls-Royce, GE a Pratt & Whitney navrhli prvú sériu aeroderivátnych plynových turín na báze zrelých úprav leteckých motov, vrátane priemyselného Avon, priemyselného Olympus, Spey plynových turín, LM1500 a FT4. V tomto štádiu technológia aeroderivátnych plynových turín bola v obdobiach skúmania. Štruktúra priamo dedila jadro leteckého motora a výstupná mocnosť bola dosiahnutá pridáním vhodného silového turína; celková výkonnosť stroja nebola vysoká a cyklová účinnosť bola vo všeobecnosti menej ako 30%; počiatočná teplota pred turínom bola menej ako 1000 ℃ , a pomerné číslo bolo 4 do 10; kompresor bol všeobecne podzvukový; lopatky turbíny používali jednoduchú technológiu vzduchového chladenia; materiál použitý bol počiatočná vysokoteplová zlúčka; riadiace systémy všeobecne používali mechanicko-hydraulické alebo analógové elektronické regulačné systémy.

Fáza vývoja technológie

S dospievaním aplikácie leteckých motorov boli poskytnuté vysoko výkonné, spoľahlivé matičné stroje a pokročilé dizajnové technológie na rýchly rozvoj derivácií leteckých plynových turbín. Zároveň nárast požiadaviek na pokročilé derivácie leteckých plynových turbín zo strany námorníctiev Spojeného kráľovstva, Spojených štátov a iných krajín poskytol aj širokú aplikabilnú scénu, čo umožnilo týmto deriváciám leteckých plynových turbín rýchly rozvoj a významné zlepšenie ich výkonu. Bola spustená seria derivácií leteckých plynových turbín s dobrým výkonom a vysokou spoľahlivosťou, ako napríklad séria LM2500, priemyselná Trent, FT4000 a MT30, ktoré sú široko používané v oblasti lodných pohonov, výroby elektriny a iných sektoroch.

Komponenty teplého konca aeroderivátnych plynových turbín v technologickom vývojovom štadiu všeobecne používajú superalloy a ochranné obaly na zvýšenie odolnosti pred teplotou, a aplikujú pokročilú vzdušnú chladenie technológiu a technológiu spalovania s nízkym oneskorením; počiatočna teplota pred turbínou dosahuje 1400 ° C, výkon môže dosiahnuť 40-50MW, tepelná účinnosť jednotky presahuje 40%, a účinnosť kombinovaného cyklu môže dosiahnuť 60%; používa sa digitálny elektronickej riadenia systém, a presnosť riadenia a vlastnosti riadenia sú významne zlepšené.

Aplikujte pokročilé cykly

S rastúcimi požiadavkami na vysokú výkonnosť aeroderivátnych plynových turbín, osobitne spotreby paliva, výstupnej môči a iných ukazateľov, získavajú pokročilé cykly aeroderivátnych plynových turbín širokú technickú prax. Pridanie interchladu alebo cyklu s interchladom a ďalším využitím tepla v plynovom cykle môže významne zlepšiť výstupnú môć a výkon pri nízkych prevádzkových podmienkach u aeroderivátnych plynových turbín. Napríklad úroveň výkonu LMS100 interchladenej plynovej turbíny dosahuje 100 MW a jej efektívnosť je až 46 %. Tepelná efektívnosť WR21 interchladenej rekuperatívnej plynovej turbíny pri nízkych prevádzkových podmienkach je oveľa vyššia ako u jednoduchého cyklu plynovej turbíny. Jako pohonná jednotka pre lode značne zvyšuje hospodárnost lodí a ich bojový polomer.

Výstupná mocnosť pokročilých cyklových aeroderivátnych plynových turbín s využitím interchladenia alebo cyklov sústredného využitia tepla bola významne zvýšená, a to všetky operacné podmienky vylepšili tepelnú účinnosť. Napríklad môže dosiahnuť úroveň výkonu 100 MW, a tepelná účinnosť v bode návrhu je až 46%; výkonnosť pri nízkych prevádzkových podmienkach sa významne zlepšila, tepelná účinnosť môže byť 40% pri zátěži 50%; interchladenie zníži špecifickú mocnosť vysokotlakového kompresora, a celkový tlakový pomer stroja môže dosiahnuť viac ako 40.

Model technologického rozvoja

Pozerajúc sa na históriu rozvoja, aeroderivátne plynové turbíny majú technologické modely rozvoja, ako sú rodokmeňový rozvoj, sériový rozvoj, aplikácia pokročilých cyklových technológií a použitie režimu kombinovaného cyklu.

Rodokmeňový rozvoj

Genealogický vývoj je vývoj plynových turbín rôznych typov a výkonností založených na tej istej leteckej motore, čo plne odrazuje charakteristiky leteckých derivácií plynových turbín: „jeden stroj ako základ, vyhovujúci viacerým použitiam, šetrnosť cyklov, zníženie nákladov, odvodenie viacerých typov a tvorba spektra.“

Vzali sme si za príklad letecký motor CF6-80C2, plynová turbína LM6000 priamo používa jadierový motor CF6-80C2 a zachováva maximálnu univerzalitu nízkotlakového turbine; LMS100 dedí jadierovú technológiu CF6-80C2, kombinuje technológiu F-triedy ťažkých plynových turbín a medzikomprimačnú technológiu a má výkon 100 MW; MS9001G/H úplne využíva dôveryhodnú technológiu leteckého motora CF6-80C2 a cez kombináciu s technológiou ťažkých plynových turbín sa teplota pred turbine zvýšila z 1287 ℃ teploty triedy F na 1430 ℃ , a výkon dosahuje 282 MW. Úspešný vývoj týchto troch typov plynákových turbín umožnil rozvoj leteckej základne pre motor letounu CF6-80C2, čo sa stalo "jednou stroj s viacerými typmi, vyvíjať plynákové turbíny rôznych typov a výkonov".

Rozvoj série

Rozvoj série spočíva v neustálej modernizácii a vylepšovaní, zlepšovaní výkonnosti a znížení emisií na báze úspešnej plynovej turbíny, aby sa dosiahlo sériové vyvíjanie odvodených plynových turbín, z ktorých je najtypičnejšou seria LM2500, ako je vidieť na obrázku 2. Plynová turbína LM2500 používa jadierový motor materného motora TF39/CF6-6 a mení nízkejší tlakovú turbínu materného motora na energetickú turbínu; plynová turbína LM2500+ pridá jednu stupeň pred kompresorom plynovej turbíny LM2500, aby sa zvýšil hmotný prietok vzduchu a výstupná mocnosť; LM2500+G4 zvyšuje prietok vzduchu cez plynovú turbínu zlepšením profilu lopatiek kompresora a zvýšením priestoru pre teplotu v turbíne na báze LM2500+, aby sa dosiahol cieľ neustálého zvyšovania výstupnej moci. S rozvojom série LM2500 sa produkt neustále aktualizuje a vylepšuje, s rozsahom výkonu od 20 do 35 MW, a počet zariadení na celom svete presahuje 1000 jednotiek, čo robí túto modelovú radu dosiaľ najrozšírenejšou.

Z dôvodu ťažkosti vývoja a výroby je sériový vývoj založený na úspešnom plynáku dôležitým technickým modelom pre vývoj derivátových plynákov, ktorý spočíva v postupnom upresňovaní a vylepšovaní, zlepšovaní výkonu a znížení emisií. Sériový vývoj derivátových plynákov je podobný rodokmenu vývoja, čo môže nie len skrátit vývojový cyklus, ale aj zabezpečiť lepšiu spolehlivosť a pokročilosť, a významne znížiť náklady na dizajn, vývoj, testovanie a výrobu.

Efektivita

Cieľom zvyšovania efektívnosti je neustále vylepšovať výkon celého stroja, osobitne výstupnú mocninu celého stroja a tepelnú účinnosť vo všetkých režimoch prevádzky. Hlavné spôsoby sú nasledovné.

Jedným z aplikácií sú pokročilé cykly. Aplikácia pokročilých cyklov môže neustále vylepšovať výkon aeroderivátových plynových turbín, ako sú napríklad reheat cyklus, cyklus s opätovným vstrelom páry, chemický recuperációs cyklus, mokrý vzduchový cyklus, sériový mokrý vzduchový pokročilý turbinový cyklus a Kalina cyklus atď. Po aplikácii pokročilého cyklu sa nevyhnutne vylepší výkon jednotky aeroderivátových plynových turbín, ale aj výkon a tepelná účinnosť celej jednotky sa významne zvýšia a emisie oxidu dvojkového dusika sa významne znížia.

Druhým je dizajn komponentov s vysokou účinnosťou. Dizajn komponentov s vysokou účinnosťou sa zameriava na vývoj kompresora s vysokou účinnosťou a turbíny s vysokou účinnosťou. Dizajn kompresora s vysokou účinnosťou bude ďalej prekonávať technické ťažkosti spojené so vysokou rýchlosťou a vysokou účinnosťou, ako aj nízkou rýchlosťou a hranicou pri vysokom prílivu kompresorov. Ako je vidieť na obrázku 3, dizajn turbín bude ďalej rozvíjať smerom k vysoké účinnosti, odolnosti pred vysokými teplotami a dlhej životnosti.

Tretie je dizajn efektívnych vzdušných systémov. Technické rozvojové smerovanie efektívnych vzdušných systémov zahŕňa vývoj technológií odolného a účinného zapečatovania so sníženým prúdením a odolným proti opotrebovaniu, ako sú včelínske zápečatia, tenkolepité zápečatia, štětce a kombinované zápečatia; efektívne technológie na zníženie odporu pre vylepšenie vzdušného prietoku, ako je napríklad návrh na zníženie dešwirl odporu a kontrolovateľný návrh pre efektívny prietok; pokročilé metódy predswirl dizajnu na ďalšie vylepšenie účinnosti predswirl, ako je aerodynamický návrh predswirl otvorov a kaskádový návrh predswirl otvorov; metódy kvantifikácie neistôt, ktoré môžu vylepšiť odolnosť a spoľahlivosť vzdušných systémov atď.

Záver

Gazové turbíny derivované z lietadlových motorov sú široko používané v oblastiach lodných pohonov, elektrickej energie, mechanického prenosu, morských ropyňskych platform, pohonu tankov a distribuovanej energie kvôli širokému rozsahu výkonu, vysoké tepelnej účinnosti, dobrej manévrovnosti, dlhej životnosti a vysoké spoľahlivosti. S rýchlym rozvojom technológií leteckých motormov a s kontinuálnym aplikovaním nových dizajnov a technológií sa gazové turbíny derivované z lietadlových motorov budú rýchlo vyvíjať v smere vysoké účinnosti, nízkeho uhlíkového vydávania, kvality a digitálnej inteligencie. Dizajn a výrobná technológia týchto turbin sa tiež významne posunú dopredu, postupne sa zlepšia v oblastiach ekonomickej účinnosti, nízkych znečisťujúcich emisií, spoľahlivosti a opravateľnosti, čo nevyhnutne rozšíri ich aplikabilné možnosti.