Razvoj tehnologije plinskih turbin izvedene iz avijskih motora

Pod uticajem političkih, vojnih i ekonomske faktora, razvoj tehnologije motora za letilne aparate ide brže od onoga za plinske turbine. Plinske turbine i motori za letilne aparate imaju širok spektar tehnoloških zajedničina, a mogu se deliti u dizajn sistemima, proizvodnim sistemima, sistemima talenata i test sistemima. Zbog toga, na osnovu ogromne tržišne potrebe i jasnih primenjivih prednosti plinskih turbine, postalo je industrijska saglasnost da se razvijaju plinske turbine na osnovu visokoperformansnih, zrelim motora za letilne aparate i naprednih industrijskih tehnologija i metoda dizajna. Postoji dva načina prenosa tehnologije motora za letilne aparate na plinske turbine, kao što je prikazano na slici 1: jedan je da se direktno modifikuju i izvedu zreli motori za letilne aparate kako bi se formirale derivativne plinske turbine; drugi je da se prenese tehnologija motora za letilne aparate na tesne plinske turbine i da se istražuje i razvije nova generacija tesnih plinskih turbine.

Istorija razvoja derivativnih plinskih turbine

Uzajamno sa razvojem tehnologije aviokotačnih motora i primenom napredne cikluse tehnologije, proces tehničkog razvoja derivatnih avijskih plinovih turina je prošao kroz faze: istraživanje tehnologije, razvoj tehnologije i fazu primene naprednog ciklusa, ostvarivši razvoj derivatnih avijskih plinovih turina od jednostavnih modifikacija do optimizovanog dizajna visoko performantnog jezgra motora, od jednostavnog ciklusa do složenog ciklusa primene, od nasleđivanja zrelog sistema dizajna i materijala aviokotačnih motora do dizajna novih komponenti i primene novih materijala, što je omogućilo da se nivo dizajna, performanse, pouzdanost i životni vek derivatnih avijskih plinovih turina značajno poboljšaju.

Faza istraživanja tehnologije

1943. je uspešno razvijen prvi aeroderivatni plinski turbine na svetu. Nakon toga, Rolls-Royce, GE i Pratt & Whitney su dizajnirali prvu seriju aeroderivatnih plinskih turbina na osnovu modifikacija zrelih avijskih motora, uključujući industrijsku Avon, industrijsku Olympus, Spey plinske turbine, LM1500 i FT4. U ovom periodu, tehnologija aeroderivatnih plinskih turbina je bila u fazi istraživanja. Struktura je direktno nasledila jezgro avijskog motora, a snaga je postignuta dodavanjem odgovarajuće snage turbine; ukupna performansa mašine nije bila visoka, a efikasnost ciklusa je općenito bila manja od 30%; početna temperatura pre turbine je bila manja od 1000 ℃ , a omjer tlaka je bio 4 do 10; kompresor je bio općenito subsoničan; lisice turbine koristile su jednostavnu tehnologiju hladnje zrakom; materijal koji je korišćen je bio početna visokotemperaturna legura; sistem upravljanja je općenito koristio mehanički hidraulički ili analog elektronski regulacioni sistem.

Faza razvoja tehnologije

Sa zrelim primenama aviokotača, obezbeđeni su visoko performantni i pouzdani majčini strojevi i napredne tehnologije dizajna za brzu razvoj derivativnih plinskih turbine. Isto vreme, potražnja za naprednim derivativnim plinskim turbinama iz strane mornarića Ujedinjenog Kraljevstva, Sjedinjenih Država i drugih zemalja takođe pruža široku aplikativnu scenu, što omogućava derivativnim plinskim turbinama da se brzo razvijaju i značajno poboljšavaju svoje performanse. Pokrenut je niz derivativnih plinskih turbina sa dobro performansama i visokom pouzdanošću. Na primer, serija LM2500, industrijski Trent, FT4000 i MT30, itd., široko se koriste u brodogradnji, proizvodnji električne energije i drugim oblastima.

Komponente vrućeg kraja aeroderivatnih plinovih turbine u tehnološkoj fazi razvoja općenito koriste super legure i zaštitne oblice da bi poboljšale otpornost na temperaturu, a primenjuju naprednu tehnologiju zrakosvladivanja i tehnologiju sagorevanja sa niskim zagađivanjem; početna temperatura pre turbine dostiže 1400 ° C, snaga može doseći 40-50MW, termalna efikasnost jednog agregata premašuje 40%, a efikasnost kombinovanog ciklusa može doseći 60%; koristi se digitalni elektronski upravljački sistem, a tačnost upravljanja i performanse upravljanja su značajno poboljšane.

Primenujte napredne cikluse

Sa porastom zahteva za visokim performansama aeroderivatnih plinskih turbine, posebno potrošnje goriva, izlazne snage i drugih indikatora, napredne cikluse aeroderivatnih plinskih turbine su dobile široku inženjersku primenu. Dodavanjem interhladnog ili ciklusa oporavka topline na osnovu termodinamičkog ciklusa plinske turbine može se značajno poboljšati izlazna snaga i performanse pri niskim radnim režimima aeroderivatne plinske turbine. Na primer, nivo snage LMS100 interhladne plinske turbine dostiže 100MW, a učinkovitost je dosegla čak 46%. Termodinamička učinkovitost WR21 interhladne recuperativne plinske turbine pri niskim radnim režimima je mnogo veća nego kod jednostavnog ciklusa plinske turbine. Kao pogonski sistem broda, on znatno povećava ekonomiju broda i bojni poluprečnik.

Izlazna snaga naprednijih ciklusa aeroderivatnih plinskih turbine, koje koriste interhlajding ili cikluse sa oporavkom topline, je znatno povećana, a termodinamička efikasnost u svim režimima rada je poboljšana. Na primer, nivo snage može dostići 100MW, a termodinamička efikasnost u tački dizajna iznosi do 46%; performanse pri nižim opterećenjima su značajno poboljšane, termodinamička efikasnost može biti 40% pri opterećenju od 50%; interhlajding smanjuje specifičnu snagu visokoprutnog kompresora, a dizajnirani omjer pritiska celog uređaja može premašiti 40.

Model razvoja tehnologije

Posmatrajući istoriju razvoja, aeroderivatne plinske turbine imaju tehnološke modele razvoja kao što su genealoški razvoj, serijalni razvoj, primena naprednih ciklusnih tehnologija i upotreba kombinovanog režima rada.

Genealoški razvoj

Genealoški razvoj je razvoj plinskih turbine različitih tipova i snaga na osnovu istog avijskog motora, što potpuno odražava karakteristike avijskih derivacija plinskih turbine: "jedan motor kao osnova, za više namena, štednja ciklusa, smanjenje troškova, izvođenje više vrsta i formiranje spektra."

Uzimajući u obzir avijski motor CF6-80C2, plinska turbina LM6000 direktno koristi jezgra ovog motora CF6-80C2 i čuva maksimalnu univerzalnost niske-turbine; LMS100 nasleđuje tehnologiju jezgre motora CF6-80C2, kombinuјući F-klasu tehnologiju teskih plinskih turbine i tehnologiju hlađenja, sa sngom od 100MW; MS9001G/H potpuno primenjuje zrele tehnologije avijskog motora CF6-80C2, a kroz kombinovanje sa tehnologijom teskih plinskih turbine, temperatura pre turbine se povećava sa 1287 ℃ F klase do 1430 ℃ , a snaga iznosi 282MW. Uspešan razvoj ove tri vrste plinskih turbine omogućio je avionski razvoj motora CF6-80C2 da postigne "jednu mašinu sa više tipova, razvijajući plinske turbine različitih tipova i snaga".

Serijalni razvoj

Redovno razvojna linija je da se neprestano nadograđuje i unapređuje, poboljšava se performanse i smanjuju se emisije na osnovu uspešnog plinske turbine, kako bi se postigla redovna razvojna linija aeroderivatnih plinskih turbine, od kojih je serija LM2500 najzastupljenija, kao što je prikazano na slici 2. Plinska turbina LM2500 koristi centralni motor roditeljskog motora TF39/CF6-6, a menja niskoprstruksnu turbinu roditeljskog motora u snage turbinu; plinska turbina LM2500+ dodaje jedan stepen ispred kompresora plinske turbine LM2500, kako bi se povećao maseni protok zraka i izlazna snaga; LM2500+G4 povećava protok zraka plinske turbine poboljšanjem profila listova kompresora i povećanjem površine grejalne zone turbine na osnovu LM2500+, kako bi se postigla cilj neprestanog poboljšanja izlazne snage. Sa redovnim razvojem LM2500-a, proizvod se neprestano nadograđuje i unapređuje, sa opsegom snage od 20 do 35MW, a broj uređaja širom sveta premašava 1,000 jedinica, čime postaje najširoko korišćeniji model do danas.

Zbog težine razvoja i proizvodnje, serijalan razvoj baziran na uspešnoj plinskoj turbine predstavlja važan tehnički model razvoja za aero-dervatne plinske turbine, koji podrazumeva neprestano unapređivanje i poboljšanje, povećanje performansi i smanjenje emisija. Serijalan razvoj aero-dervatnih plinskih turbine sličan je razvoju porodične linije, što ne samo što skraćuje vreme razvoja, već takođe osigurava bolju pouzdanost i naprednost, a značajno smanjuje troškove dizajna, razvoja, testiranja i proizvodnje.

Efikasnost

Cilj poboljšanja efikasnosti je neprestano unapređivanje performansi celog uređaja, posebno izlazne snage celog uređaja i termodinamičke efikasnosti u svim režimima rada. Glavni načini su sledeći.

Jedan je primena naprednih ciklusa. Primena naprednih ciklusa može neprestano poboljšati performanse aeroderivativnih plinovih turbini, kao što su ciklus sa ponovnim grejanjem, ciklus sa ponovnom injekcijom pare, hemijski recuperativni ciklus, mokri zrak ciklus, serija mokrih zraka napredne turbine i Kalina ciklus itd. Nakon primene naprednog ciklusa, ne samo da će se poboljšati performanse jedinice aeroderivativne plinske turbine, već će se i snaga i termička efikasnost cele jedinice značajno povećati, a emisije oksida dušikaće biti značajno smanjene.

Drugo je visokoefikasni dizajn komponenti. Visokoefikasni dizajn komponenti fokusira se na dizajn visokoefikasnog kompresora i visokoefikasnog turbine. Dizajn visokoefikasnog kompresora će nastaviti da prevaziđe tehničke teškoće visoke brzine i visoke efikasnosti, kao i niske brzine i granice visokog pritiska sa kojima se susreću kompresori. Kao što je prikazano na slici 3, dizajn turbine će nastaviti da se razvija u smeru visoke efikasnosti, otpornosti na visoke temperature i dugačkog života.

Treći je dizajn efikasnih vazdušnih sistema. Tehnički smerovi razvoja efikasnih vazdušnih sistema uključuju razvoj tehnologija začvršćenja sa niskim protjecima, otpornim na nošenje i efikasnim, kao što su čebarasta začvršćenja, tanko listasto začvršćenje, češavasta začvršćenja i kombinovana začvršćenja; efikasne tehnologije smanjenja otpora za poboljšanje performansi vazdušnog toka, kao što je de-swirl dizajn za smanjenje otpora i efikasan kontrolabilni dizajn toka; napredne pre-swirl tehnologije za dalje poboljšanje efikasnosti pre-swirl-a, kao što su aerodinamički pre-swirl otvor dizajn i kaskadni pre-swirl otvor dizajn; metode kvantifikacije neizvesnosti koje mogu poboljšati robustnost i pouzdanost vazdušnih sistema itd.

Закључак

Aero-derivatni plinski turbine široko se koriste u brojnoj snazi, elektrici, mehaničkoj transmisiji, platformama za određivanje na moru, snazi tenkova i distribuiranoj energiji zbog široke palete snage, visoke termičke efikasnosti, dobre manevrabilnosti, dugog života i visoke pouzdanosti. Sa brzim razvojem tehnologije avijskih motora i neprestanim primenom novih dizajna i tehnologija, aero-derivatne plinske turbine će brzo razvijati u smeru efikasnosti, niske karbonizacije, nove kvalitete i digitalne inteligencije. Dizajn i proizvodnja tehnologije aero-derivatnih plinskih turbine će takođe napredovati, postepeno se poboljšavajući u pogledu ekonomije, smanjenih zagađujućih emisija, pouzdanosti i održivosti, a perspektive njihove primene neizbežno će biti šire.