Razvoj tehnologije plinskih turbin iz letalskih motorjev

Vpliv političnih, vojaških in gospodarskih dejavnikov pomeni, da se razvoj tehnologije letalskih motorjev odvija hitreje kot pri plinskih turbineh. Plinske turbine in letalski motorni imajo širok obseg tehničnih skupnosti, ki jih je mogoče uporabiti v dizajnskih sistemih, proizvodnih sistemih, sistemih talantov in testnih sistemih. Zato, na osnovi ogromne tržne potrebe in očitnih prednosti uporabe plinskih turbine, postaja industrijska skupna mnenja, da je potrebno razvijati plinske turbine na osnovi visoko učinkovitih, zrelih letalskih motorjev ter naprednih industrijskih tehnologij in načinov načrtovanja. Obstajata dve metodi prenosa tehnologije letalskih motorjev na plinske turbine, kot je prikazano na Sliki 1: ena je neposredna modifikacija in izpeljava zrelih letalskih motorjev za tvorbo izpeljanih plinskih turbine; druga pa je transplantacija tehnologije letalskih motorjev na tesne plinske turbine in raziskave nove generacije tesnih plinskih turbine.

Zgodovina razvoja izpeljanih plinskih turbine

Z razvojem tehnologije letalskih motorjev in uporabo naprednih ciklusiščinskih tehnologij je proces tehničnega razvoja plinskih turbinek iz letalskih motorjev prešel skozi fazo tehnološkega iskanja, fazo razvoja tehnologije in fazo uporabe naprednih ciklov, s čimer se je doseglilo, da so plinske turbine iz letalskih motorjev razvile od preprostih sprememb do optimiziranega načrta visoko zmogljivih jedrskega motora, od preprostega cikla do kompleksne uporabe ciklov, od dedovanja zrelega načrtnega sistema in materialnega sistema letalskih motorjev do načrtovanja novih komponent in uporabe novih materialov, kar je omogočilo, da se je ravnotežje, zmogljivost, zanesljivost in življenjska doba plinskih turbinek iz letalskih motorjev znatno izboljšala.

Faza tehnološkega iskanja

V letu 1943 je bil uspešno razvit prvi v svetu plinski turbine na osnovi letalskih motorjev. Po tem so Rolls-Royce, GE in Pratt & Whitney zasnovali prvo serijo plinskih turbinek na osnovi sprememb zrelih letalskih motorjev, vsebine pa so bile industrijska Avon, industrijska Olympus, Spey plinske turbine, LM1500 in FT4. V tem obdobju je bila tehnologija plinskih turbinek na osnovi letalskih motorjev še v iskanju. Struktura je neposredno prejela jedro letalskega motora, moč pa je bila dosežena s prilepljenim ustreznim močnim turbinom; skupna izvednost stroja ni bila visoka, ciklična učinkovitost je splošno le manj kot 30%; začetna temperatura pred turbinami je bila manjša od 1000 ℃ , in omrežje tlaka je bilo 4 do 10; stiskalnik je bil splošno podzvocen; žarki turbine so uporabljali preprosto tehnologijo hladjenja z zrakom; uporabljen material je bil začetna visoko temperaturna legura; sistem nadzora je splošno uporabljal mehanski hidraulični ali analogni elektronski prilagoditveni sistem.

Faza razvoja tehnologije

S zrelim uporabo letalskih motorjev so bili zagotovljeni visoko učinkoviti, zanesljivi matični stroji in napredni načrtinski tehnologiji za hitro razvoj derivativnih plinovih turbin. Hkrati pa so tudi potrebe britanskega in ameriškega pomorskega sile po naprednih derivativnih plinovih turbinah ponudile široko uporabno prizorišče, kar je omogočilo hitri razvoj teh turbin in znatno izboljšanje njihove učinkovitosti. Na trgu je prišlo do izdaje serije derivativnih plinovih turbin z dobro učinkovitostjo in zanesljivostjo, kot so npr. vrste LM2500, industrijski Trent, FT4000 in MT30, ki so široko uporabljene v pomorski energiji, proizvodnji električne energije in drugih področjih.

Komponente vročega dela aeroderivatnih plinovih turbine, ki se nahajajo v tehničnem razvojnem stadiumu, splošno uporabljajo superlegure in zaščitne oblage, da povečajo upornost pred temperaturo, ter uporabljajo napredno zrakovno hladilno tehnologijo in tehnologijo zmanjševanja onesnaževanja pri gorenju; začetna temperatura pred turbinami doseže 1400 ° C, moč pa lahko doseže 40-50MW, toplinska učinkovitost enotnega sistema presega 40%, medtem ko je učinkovitost združenega cikla lahko dosegela 60%; uporablja se digitalni elektronski nadzorni sistem, s katerim so znatno izboljšana natančnost in zmožnosti nadzora.

Uporabi napredne cikle

Kot se povečujejo zahtevnosti po visoki izkoriščitvi pri aerodervativnih plinskih turbine, še zlasti po porabi goriva, izhodni moči in drugih kazalcih, so napredne ciklne aerodervativne plinske turbine pridobile široko inženirsko prakso. Dodajanje medhlađenja ali medhlađene ciklne tehnologije na osnovi termičnega cikla plinske turbine lahko znatno izboljša izhodno moč in delovanje pri nizkih pogojih aerodervativne plinske turbine. Na primer, ravnotežna moč medhlađene turbine LMS100 dosega 100 MW in učinkovitost je tako visoka kot 46 %. Termična učinkovitost WR21 medhlađene in recuperativne plinske turbine pri nizkih delovnih pogojeh je veliko višja od učinkovitosti preproste ciklne plinske turbine. Kot pomorska moč povečuje znatno gospodarsko uporabo in bojni radij ladje.

Izhodna moč naprednih ciklovih aeroderivativnih plinskih turbine, ki uporabljajo medsežno hladenje ali cikel zmedsežnim izkoriščanjem toplote, je bila znatno povečana, ter je bila izboljšana termična učinkovitost v vseh delovnih pogojev. Na primer, ravni moči lahko dosežejo 100 MW, in je termična učinkovitost pri dizajnirnem točku visoka do 46%; učinkovitost pri nizkih delovnih pogojev je znatno izboljšana, termična učinkovitost lahko doseže 40% pri obremenitvi 50%; medsežno hladenje zmanjša specifično moč visokega tlaku kompresorja, in je tlakova razmerje cele storitve lahko višje od 40.

Model razvoja tehnologije

Če si oglejemo zgodovino razvoja, imajo aeroderivativne plinske turbine razvojne modele, kot so rodoslovni razvoj, serieni razvoj, sprejetje naprednih ciklovih tehnologij in uporaba kombiniranega cikla načina.

Rodoslovni razvoj

Genealoški razvoj je razvoj plinskih turbine različnih vrst in moči, ki temeljijo na istem letalskem motorju, kar popolnoma odraža značilnosti plinskih turbine izpeljanih iz letalstva: "ena strojna enota kot osnova, zahtevajoče več uporab, šetje ciklov, zmanjšanje stroškov, izpeljava več vrst in oblikovanje spektra."

S primero letalskega motora CF6-80C2, plinska turbina LM6000 neposredno uporablja jedrske motorje CF6-80C2 in ohranja največjo mogočno univerzalnost nize turobin; LMS100 deduje jedrsko tehnologijo CF6-80C2, združuje F-kategorijo tehnologije tesnih turbine in medsevno tehnologijo, pri čemer doseže moč 100 MW; MS9001G/H popolnoma uporablja zrelo tehnologijo letalskega motora CF6-80C2, in s pomočjo združitve z tehnologijo tesnih turbine poveča temperaturo pred turbinami od 1287 ℃ do 1430 F-kategorije. ℃ , in moč doseže 282 MW. Uspešna razvojna izdelava teh treh vrst plinskih turbine omogoča letalsko osnovno razvojno izdelavo motornega agregata CF6-80C2, ki dosegajo "en stroj z več vrstami, razvijajo plinske turbine različnih vrst in moči".

Serija razvoj

Serijna razvojna strategija je namenjena neprekinjenemu posodabljanju in izboljšanju, izboljšanju zmogljivosti ter zmanjšanju emisij na osnovi uspešnega plinskega turbine, da bi se doseglilo serijno razvojno linijo odvodnih plinskih turbine, med katerimi je najbolj tipična vrsta LM2500, kot je prikazano na Sliki 2. Plinska turbina LM2500 uporablja jedrsni motor maternega motora TF39/CF6-6 in spremeni nizkotiskovno turbino maternega motora v močno turbo; plinska turbina LM2500+ doda eno stopnjo pred kompresorjem plinske turbine LM2500, da bi povečala pretok zraka in izhodno moč; plinska turbina LM2500+G4 poveča pretok zraka turbine s izboljšanjem oblike listov kompresorja in povečanjem preseka trbušnice turbine na osnovi LM2500+, da bi se dosegel cilj neprekinjenega izboljšanja izhodne moči. Z serijnim razvojem LM2500 se produkt neprestano posodablja in izboljšuje, z močno območjem od 20 do 35MW, pri čemer število naprav po svetu presega 1.000 enot, kar jo dela najbolj uporabljeno modelo do danes.

Zaradi težavnosti razvoja in proizvodnje je zaporedni razvoj, ki temelji na uspešni plinski turbine, pomemben tehnični model razvoja za plinske turbine izvedene iz letalskih motorjev. To pomeni neprestano posodabljanje in izboljšanje, izboljšanje zmogljivosti ter zmanjševanje emisij. Zaporedni razvoj plinskih turbin izvedenih iz letalskih motorjev je podoben razvoju porodice, kar ne le skrati razvojni cikel, ampak tudi zagotavlja boljšo zanesljivost in naprednost ter znatno zmanjša stroške na področju dizajna, razvoja, testiranja in proizvodnje.

Učinkovitost

Cilj izboljšave učinkovitosti je neprestano izboljšanje zmogljivosti celotnega stroja, še posebej izhodne moči celotnega stroja in toplega učinka pri vseh delovnih pogojev. Glavne metode so naslednje.

Ena je uporaba naprednih ciklov. Uporaba naprednih ciklov lahko neprestano izboljšuje zmogljivost plinskih turbine z aeroderivacijo, kot so na primer ponovno topliški cikel, cikel s ponovnim vdelavljajem pare, kemski recupracijski cikel, mokri zrakovski cikel, serien mokri zrakovski napredni turbinski cikel in Kalina cikel itd. Po uporabi naprednega cikla se ne le izboljša zmogljivost enote plinske turbine z aeroderivacijo, ampak bo tudi moč in toplotna učinkovitost celotne enote znatno izboljšana, hkrati pa bo tudi izpust oksida azota znatno zmanjšan.

Drugi je zasnovan na visoko učinkovitem komponentnem dizajnu. Visoko učinkovit komponentni dizajn se osredotoča na izbiro visoko učinkovitega stiskalca in visoko učinkovitega turbine. Izbor visoko učinkovitega stiskalca bo nadaljeval v premagovanju tehničnih težav, povezanih z visoko hitrostjo in visoko učinkovitostjo ter z nizko hitrostjo in mejo visokega pripeka, s katerimi so konfrontirani stiskalci. Kot je prikazano na Sliki 3, bo izbira turbin nadaljevala v smeri visoke učinkovitosti, visoke temperature in dolge življenjske dobe.

Tretje je načrtovanje učinkovitih zrakovnih sistemov. Smeri tehničnega razvoja učinkovitih zrakovnih sistemov vključujejo razvoj tehnologij zaklenjenja s nizkimi izgubami, odupno-stojljivimi in učinkovitimi, kot so celicaste zaklenje, tankolepne zaklenje, češalke in kombinirana zaklenja; učinkovite tehnologije zmanjševanja upornosti za izboljšanje zrakovnega toka, kot je na primer načrtovanje zmanjševanja upornosti de-swirl in tokovno učinkovito nadzorovano načrtovanje; napredne metode predhodnega načrtovanja za še večje izboljšanje učinkovitosti predhodnega toka, kot je aerodinamsko načrtovanje predhodnih luk in kaskadno načrtovanje predhodnih luk; metode kvantificiranja neizvednosti, ki lahko izboljšajo trdost in zanesljivost zrakovnih sistemov itd.

Zaključek

Aero-predodajne plinske turbine so široko uporabljene v ladjski moči, elektrici, strojni prenos, oddaljenih oljevnih platformah, moči cistern in distribuiranih energetskih virih zaradi širikega obsega moči, visoke termične učinkovitosti, dobre manevrabilnosti, dolge življenjske dobe in visoke zanesljivosti. Z hitrim razvojem tehnologije letalskih motorjev in neprestanim uporabo novih načrtov in tehnologij bodo aero-predodajne plinske turbine hitro napredujale v smeri visoke učinkovitosti, nizke karbonizacije, nove kakovosti in digitalne inteligence. Tudi načrtovanje in proizvodnja aero-predodajnih plinskih turbine bo dosegle velike napredke, postopoma se izboljševala v smislu ekonomičnosti, nizkih onesnažujočih emisij, zanesljivosti in održnosti, pri čemer so perspektive uporabe neizogibno širše.