Utvecklingen av aeroavledda gasturbintekniker

Påverkad av politiska, militära och ekonomiska faktorer är utvecklingen av flygmotorsteknik snabbare än den av gasdack. Gasdack och flygmotorer har en bred teknisk gemensamhet och kan dela designsystem, tillverkningsystem, kompetentssystem och provsystem. Därför, baserat på den stora marknadskraven och de uppenbara tillämpningsfördelarna av gasdack, har det blivit en branschens konsensus att utveckla gasdack baserat på högpresterande, mogna flygmotorer och avancerade industriella tekniker och designmetoder. Det finns två sätt att överföra flygmotorsteknik till gasdack, som visas i figur 1: ett är att direkt modifiera och härleda av mogna flygmotorer för att skapa aero-härledda gasdack; det andra är att transplantera flygmotorsteknik till tunga gasdack och utveckla en ny generation av tunga gasdack.

Utvecklingshistoria av aero-härledda gasdack

Tillsammans med utvecklingen av flygmotorsteknik och tillämpningen av avancerad cykelteknik har teknikutvecklingsprocessen för aero-derivatav gasdrivna turbiner gått igenom teknikutforskningsskedet, teknikutvecklingsskedet och skedet för tillämpning av avancerade cykler, vilket har gjort att utvecklingen av aero-derivatav gasdrivna turbiner har gått från enkel modifiering till högpresterande kärnmotoroptimeringsdesign, från enkel cykel till komplex cykeltillämpning, från att arva det mogna designsystemet och materialsystemet från flygmotorer till design av nya komponenter och tillämpning av nya material, vilket har möjliggjort att designnivån, prestationen, pålitligheten och livslängden hos aero-derivatav gasdrivna turbiner har uppnått betydande utveckling.

Teknikutforskningsskedet

I 1943 utvecklades världens första aero-derivat gas turbine framgångsrikt. Därefter designade Rolls-Royce, GE och Pratt & Whitney den första serien av aero-derivat gas turbines baserat på modifieringar av mogna flygplansmotorer, inklusive industriell Avon, industriell Olympus, Spey gas turbines, LM1500 och FT4. På detta stadium var tekniken för aero-derivat gas turbines i en utforskningsfas. Strukturen arvde direkt kärnan från flygplansmotorn, och utmatningskraften uppnåddes genom att utrusta med en lämplig kraftsturbin; maskinens totala prestation var inte hög, och cykelns effektivitet var generellt sett mindre än 30%; temperaturen före turbinen var mindre än 1000 ℃ , och tryckförhållandet var 4 till 10; kompressorn var generellt subsonisk; turbinbladen använde enkel luftkylningsteknik; materialet som användes var den första högtemperatursalloyen; styrsystemet använde generellt en mekanisk hydraulisk eller analog elektronisk justeringssystem.

Teknikutvecklingsfas

Med den mognade tillämpningen av flygmotorer har högpresterande, pålitliga baskonstruktioner och avancerade designtekniker tillhandahållits för den snabba utvecklingen av aeroavledda gasdrivmotorer. Samtidigt har kraven på avancerade aeroavledda gasdrivmotorer från flottorna i Storbritannien, USA och andra länder också tillhandahållit en bred tillämpningsarena, vilket har möjliggjort en snabb utveckling och betydande förbättringar av prestationen hos dessa motorer. En serie aeroavledda gasdrivmotorer med goda prestationer och hög pålitlighet har lanserats. Till exempel LM2500-serien, industriella Trent, FT4000 och MT30 används bredvid inom skeppsdrift, kraftgenerering och andra områden.

De varma slutkomponenterna av aeroderivatav gasdrivna turbiner på teknologisk utvecklingsstadie använder vanligen superlegeringar och skyddslager för att förbättra temperaturresistens, och tillämpar avancerad luftkylningsteknik och lågsmutsbrännningsteknik; temperaturen före turbinen når 1400 ° C, effekten kan nå 40-50MW, termisk effektivitet för en enskild enhet överstiger 40%, och kombinerad cykel-effektivitet kan nå 60%; en digital elektronisk styrningssystem används, och stylningsnoggrannheten och styrningsprestationen har förbättrats markant.

Tillämpa avancerade cyklar

Medan kraven på hög prestanda för aeroavledda gasdrivna turbiner, särskilt bränsleförbrukning, utgående effekt och andra indikatorer, ökar, har avancerade cykel aeroavledda gasdrivna turbiner fått bred teknisk praktik. Att lägga till en mellankylare eller mellankylad värmeåtervinning cykel på basisen för gasdrivna turbins termiska cykel kan betydligt förbättra den utgående effekten och prestationen vid låga driftförhållanden för aeroavledda gasdrivna turbiner. Till exempel når effektnivån för LMS100 mellankylad gasturbine 100MW och efficiensen är så hög som 46%. Termisk effektivitet för WR21 mellankylad återvinningsgasdriven turbine vid låga driftförhållanden är mycket högre än en enkel cykel gasdriven turbine. Som skeppsdriftkraft förbättrar det skeppets ekonomi och stridsradie markant.

Utdelningskraften hos avancerade cykelgasstrålar med interkyling eller interkylda värmeåtervinningssyklar har ökat betydligt, och termisk effektivitet har förbättrats under alla driftförhållanden. Till exempel kan effektnivån nå 100MW, och den termiska effektiviteten vid designpunkt är så hög som 46%; prestationen vid låga driftförhållanden har förbättrats markant, termisk effektivitet kan nå 40% vid 50% last; interkyling minskar den specifika effekten för högtryckscompressorn, och designtrycksförhållandet för hela maskinen kan nå mer än 40.

Teknikutvecklingsmodell

Genom att titta på utvecklingshistoriken har flygderivata gasstrålar teknikutvecklingsmodeller som släktenutveckling, serielutveckling, antagande av avancerad cykeltillämpning och kombinerad cykelmodus.

Släktenutveckling

Genetisk utveckling är utvecklingen av gasturbiner av olika typer och prestandanivåer baserade på samma flygmotor, vilket fullständigt återspeglar karaktäristikerna för aviationsderivatav gas-turbiner: "en maskin som grund, uppfyllande flera användningsområden, sparar cykler, minskar kostnader, leder till flera typer och bildar ett spektrum."

Med CF6-80C2-flygmotorn som exempel, använder LM6000-gasturbinen direkt kärnmotorn från CF6-80C2 och bevarar den maximala universaliteten hos lågtrycks-turbinen; LMS100 arvtar kärnmotorstekniken från CF6-80C2, kombinerar F-klass tunga gasturbin-teknik och interkylningsteknik, och har en effekt på 100MW; MS9001G/H antar helt den etablerade tekniken från CF6-80C2-flygmotorn, och genom kombination med tunga gasturbin-tekniken ökar turbinens infartstemperatur från 1287 ℃ till 1430 för F-klassen. ℃ , och effekten når 282MW. Den framgångsrika utvecklingen av de tre typerna av gasodlare har gjort det möjligt för den luftfartysbaserade utvecklingen av CF6-80C2-flygmotorn att uppnå "en maskin med flera typer, utveckla gasodlare av olika typer och effekter".

Seriedrivning

Serielutvecklingen är att kontinuerligt uppgradera och förbättra, förbättra prestanda och minska utsläppen på basis av en framgångsrik gasturbine, för att därmed uppnå serielutvecklingen av aero-derivatgas turbines, varav LM2500-serien är den mest typiska, som visas i figur 2. LM2500-gasturbinen använder kärnmotorn från modermotorn TF39/CF6-6, och byter ut lågtrycks turbinen från modermotorn mot en effektturbin; LM2500+-gasturbinen lägger till ett steg framför kompressorn hos LM2500-gasturbinen, för att därmed förbättra luftmassflödet och utgångseffekten; LM2500+G4 ökar gasturbinens luftflöde genom att förbättra kompressorbladets profil och öka turbinhalsytan baserat på LM2500+, för att därmed uppnå målet med kontinuerlig förbättring av utgångseffekten. Med serielutvecklingen av LM2500 uppgraderas och förbättras produkten kontinuerligt, med en effektomfattning på 20 till 35MW, och antalet enheter världen över överstiger 1 000 stycken, vilket gör det till den mest använda modellen hittills.

På grund av svårigheten med utveckling och produktion är serielutvecklingen baserad på den framgångsrika gasturbinen ett viktigt tekniskt utvecklingsmodell för aero-derivatav gasdrivna turbiner, vilket innebär att man kontinuerligt uppgraderar och förbättrar, förbättrar prestanda och minskar utsläpp. Serielutvecklingen av aero-derivatav gasdrivna turbiner liknar släktenutvecklingen, vilket inte bara kan förkorta utvecklingscykeln, utan också garantera bättre tillförlitlighet och föregångarskap, och betydligt minska design-, utvecklings-, test- och tillverkningskostnaderna.

Effektivitet

Målet med effektivitetsförbättring är att kontinuerligt förbättra prestandan på hela maskinen, särskilt hela maskinens utgående effekt och termisk effektivitet under alla driftsförhållanden. De huvudsakliga metoderna är följande.

Ett är tillämpningen av avancerade cyklar. Tillämpningen av avancerade cyklar kan kontinuerligt förbättra prestandan på aeroderivata gasmaskiner, såsom återuppvärmningscykel, ångaftoncykel, kemisk återvinningcykel, våt luftcykel, serievåtluft-avancerad turbincykel och Kalinacykel mm. Efter att ha tillämpat den avancerade cykeln kommer inte bara prestandan på enheten med aeroderivata gasmaskiner att förbättras, utan även effekten och termisk effektivitet hos hela enheten kommer att förbättras avsevärt, och utsläppen av kväveoxider kommer också att minska betydligt.

Den andra är högeffektiv komponentdesign. Högeffektiv komponentdesign fokuserar på högeffektiv kompressordesign och högeffektiv turbindesign. Högeffektiv kompressordesign kommer att fortsätta att övervinna de tekniska svårigheterna med hög hastighet och hög effektivitet, samt låg hastighet och hög surgräns som kompressorer står inför. Som visas i figur 3, kommer turbindesignen att fortsätta utvecklas i riktning mot hög effektivitet, hög temperaturbeständighet och lång livslängd.

Den tredje är designen av effektiva luftsystem. Tekniska utvecklingsriktningar för effektiva luftsystem inkluderar utvecklingen av läckagefria, slitagebeständiga och effektiva sigillteknologier, såsom bindestruktursigill, tunnskivsigill, borstsigill och kombinerade sigill; effektiva tekniker för motståndsröjning för att förbättra luftflödesprestanda, såsom omvändningsmotståndsröjningsdesign och strömnings-effektiv kontrollerbar design; avancerade pre-swirl-designtekniker för att ytterligare förbättra pre-swirl-effektiviteten, såsom aerodynamisk pre-swirl-håledesign och kaskadpre-swirl-håledesign; osäkerhetskvantifieringsanalysmetoder som kan förbättra robustheten och pålitligheten hos luftsystem, etc.

Slutsats

Luftfartyrade gasdrivna turbiner används allmänt i skeppsenergi, elproduktion, mekanisk överföring, offshore oljeplattformar, tankkraft och distribuerad energi på grund av deras breda effektspektrum, hög termisk effektivitet, god manöverbarhet, lång livslängd och hög tillförlitlighet. Med den snabba utvecklingen av flygmotorsteknik och fortsatt införande av nya designprinciper och tekniker kommer luftfartyrade gasdrivna turbiner att utvecklas snabbt i riktning mot högre effektivitet, låg koldioxidutsläpp, ny kvalitet och digital intelligens. Design- och tillverknings tekniken för luftfartyrade gasdrivna turbiner kommer också att göra stora framsteg, och gradvis förbättras när det gäller ekonomi, låga föroreningar, tillförlitlighet och underhållsbarhet, och tillämpningsutsikterna kommer oundvikligen att bli bredare.