การพัฒนาเทคโนโลยีกังหันแก๊สแบบ Aero-Derivative

ได้รับผลกระทบจากปัจจัยทางการเมือง การทหาร และเศรษฐกิจ การพัฒนาเทคโนโลยีของเครื่องยนต์อากาศยานมีความเร็วมากกว่าการพัฒนาของกังหันแก๊ซ กังหันแก๊ซและเครื่องยนต์อากาศยานมีลักษณะทางเทคนิคที่คล้ายคลึงกันอย่างกว้างขวาง สามารถแบ่งปันในระบบการออกแบบ ระบบการผลิต ระบบบุคลากร และระบบการทดสอบได้ ดังนั้น โดยอาศัยความต้องการตลาดที่มหาศาลและความได้เปรียบในการใช้งานที่ชัดเจนของกังหันแก๊ซ จึงกลายเป็นแนวคิดที่ยอมรับกันในอุตสาหกรรมที่จะพัฒนากังหันแก๊ซโดยอาศัยเครื่องยนต์อากาศยานที่มีประสิทธิภาพสูงและผ่านการพิสูจน์แล้ว พร้อมกับเทคโนโลยีและวิธีการออกแบบอุตสาหกรรมขั้นสูง มีสองวิธีในการถ่ายโอนเทคโนโลยีของเครื่องยนต์อากาศยานไปยังกังหันแก๊ซ ตามที่แสดงในรูปที่ 1: หนึ่งคือการปรับเปลี่ยนและพัฒนาเครื่องยนต์อากาศยานที่ผ่านการพิสูจน์แล้วเพื่อสร้างกังหันแก๊ซแบบอนุพันธ์จากอากาศยาน อีกวิธีหนึ่งคือการย้ายเทคโนโลยีของเครื่องยนต์อากาศยานไปยังกังหันแก๊ซขนาดใหญ่และทำการวิจัยและพัฒนากังหันแก๊ซขนาดใหญ่รุ่นใหม่

ประวัติการพัฒนากังหันแก๊ซแบบอนุพันธ์จากอากาศยาน

ร่วมกับการพัฒนาเทคโนโลยีเครื่องยนต์การบินและการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีวัฏจักรขั้นสูง กระบวนการพัฒนาทางเทคนิคของกังหันแก๊ซแบบอนุพันธ์จากอากาศยานได้ผ่านช่วงการสำรวจทางเทคโนโลยี ช่วงการพัฒนาเทคโนโลยี และช่วงการประยุกต์ใช้วัฏจักรขั้นสูง ทำให้เกิดการพัฒนากังหันแก๊ซแบบอนุพันธ์จากอากาศยานจากการปรับเปลี่ยนง่ายๆ สู่การออกแบบเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของแกนเครื่องยนต์ที่มีสมรรถนะสูง จากวัฏจักรง่ายๆ สู่การประยุกต์ใช้วัฏจักรที่ซับซ้อน และจากการสืบทอดระบบการออกแบบและระบบวัสดุที่เป็นที่ยอมรับของเครื่องยนต์การบินสู่การออกแบบชิ้นส่วนใหม่และการใช้วัสดุใหม่ ซึ่งได้ทำให้ระดับการออกแบบ สมรรถนะ ความน่าเชื่อถือ และอายุการใช้งานของกังหันแก๊ซแบบอนุพันธ์จากอากาศยานได้พัฒนาอย่างมาก

ช่วงการสำรวจทางเทคโนโลยี

ในปี 1943 เครื่องกังหันแก๊สแบบแอโรเดอริเวทีฟเครื่องแรกของโลกได้ถูกพัฒนาสำเร็จ จากนั้นบริษัท Rolls-Royce, GE และ Pratt & Whitney ได้ออกแบบกลุ่มแรกของเครื่องกังหันแก๊สแบบแอโรเดอริเวทีฟโดยอาศัยการปรับปรุงจากเครื่องยนต์เครื่องบินที่มีความพร้อมแล้ว เช่น กังหันแก๊สอินดัสเตรียล Avon, อินดัสเตรียล Olympus, Spey กังหันแก๊ส, LM1500 และ FT4 ในช่วงเวลานี้ เทคโนโลยีของกังหันแก๊สแบบแอโรเดอริเวทีฟอยู่ในช่วงของการสำรวจ โครงสร้างได้รับการสืบทอดมาจากแกนหลักของเครื่องยนต์เครื่องบินโดยตรง และกำลังผลิตได้รับจากการติดตั้งกังหันพลังงานที่เหมาะสม ส่วนประสิทธิภาพโดยรวมของเครื่องยังไม่สูงมาก และประสิทธิภาพของวงจรทั่วไปมักจะน้อยกว่า 30% อุณหภูมิเริ่มต้นก่อนกังหันน้อยกว่า 1000 ℃ , และอัตราส่วนความดันอยู่ที่ 4 ถึง 10; เครื่องอัดอากาศโดยทั่วไปจะมีความเร็วน้อยกว่าเสียง; เหลาใบพัดของเทอร์ไบน์ใช้เทคโนโลยีการระบายความร้อนด้วยอากาศแบบง่าย; วัสดุที่ใช้คือโลหะทนความร้อนรุ่นแรก; ระบบควบคุมโดยทั่วไปจะใช้ระบบปรับแต่งไฮดรอลิกกลไกหรือระบบอิเล็กทรอนิกส์ Анаล็อก;

ขั้นตอนการพัฒนาเทคโนโลยี

ด้วยการใช้งานที่สุกงอมของเครื่องยนต์จรวด ได้มีการให้บริการเครื่องแม่ที่มีประสิทธิภาพสูงและเชื่อถือได้สูง และเทคโนโลยีการออกแบบขั้นสูงสำหรับพัฒนาอย่างรวดเร็วของกังหันแก๊ซแบบอนุพันธ์ทางอากาศยาน ในขณะเดียวกันความต้องการของกองทัพเรือในประเทศอังกฤษ สหรัฐอเมริกา และประเทศอื่น ๆ สำหรับกังหันแก๊ซแบบอนุพันธ์ทางอากาศยานขั้นสูง ก็ได้ให้เวทีการประยุกต์ใช้งานที่กว้างขวาง ซึ่งทำให้กังหันแก๊ซแบบอนุพันธ์ทางอากาศยานพัฒนาอย่างรวดเร็วและเพิ่มประสิทธิภาพอย่างมาก กังหันแก๊ซแบบอนุพันธ์ทางอากาศยานที่มีประสิทธิภาพดีและเชื่อถือได้สูงหลายรุ่นได้ถูกเปิดตัว เช่น ซีรีส์ LM2500, อุตสาหกรรม Trent, FT4000 และ MT30 เป็นต้น ซึ่งถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในด้านพลังงานเรือ พลังงานไฟฟ้า และสาขาอื่น ๆ

ชิ้นส่วนปลายร้อนของกังหันแก๊สแบบ Aero-derivative ที่อยู่ในขั้นตอนการพัฒนาเทคโนโลยีมักใช้วัสดุซูเปอร์อัลลอยด์และชั้นเคลือบป้องกันเพื่อเพิ่มความสามารถในการต้านทานความร้อน และนำเทคโนโลยีการระบายความร้อนด้วยอากาศขั้นสูงและการเผาไหม้ที่สร้างมลพิษต่ำมาใช้งาน; อุณหภูมิเริ่มต้นก่อนถึงกังหันอยู่ที่ 1400 ° C กำลังสามารถไปถึง 40-50MW ประสิทธิภาพทางความร้อนของหน่วยเดี่ยวเกินกว่า 40% และประสิทธิภาพของวัฏจักรผสมสามารถไปถึง 60%; มีการใช้ระบบควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัล ซึ่งเพิ่มความแม่นยำและความสามารถในการควบคุมอย่างเห็นได้ชัด

นำวัฏจักรขั้นสูงมาใช้

เมื่อความต้องการสำหรับสมรรถนะสูงของกังหันแก๊สแบบ aeroderivative เพิ่มขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเรื่องของการบริโภคเชื้อเพลิง กำลังผลิต และตัวชี้วัดอื่น ๆ กังหันแก๊สแบบ aeroderivative ที่ใช้วัฏจักรขั้นสูงได้รับการนำไปใช้อย่างแพร่หลายทางด้านวิศวกรรม การเพิ่มระบบระบายความร้อนระหว่างกระบวนการ (intercooling) หรือวัฏจักรการฟื้นคืนพลังงานความร้อนบนพื้นฐานของวัฏจักรความร้อนของกังหันแก๊สสามารถปรับปรุงกำลังผลิตและสมรรถนะในการทำงานภายใต้สภาพการทำงานต่ำของกังหันแก๊สแบบ aeroderivative ได้อย่างมาก เช่น ระดับกำลังของกังหันแก๊ส LMS100 ที่มีระบบ intercooling ถึง 100 เมกะวัตต์ และประสิทธิภาพสูงถึง 46% ประสิทธิภาพทางความร้อนของกังหันแก๊ส WR21 ที่มีระบบ inter-cooling recuperation ในสภาพการทำงานต่ำสูงกว่ากังหันแก๊สแบบวัฏจักรเดียวอย่างมาก เมื่อใช้เป็นแหล่งพลังงานสำหรับเรือ เรือจะมีเศรษฐกิจและการขยายระยะการต่อสู้ที่ดีขึ้นอย่างมาก

กำลังผลิตของกังหันแก๊สแบบแอโรเดอริเวทีฟรุ่นใหม่ที่ใช้ระบบการเย็นระหว่างกระบวนการหรือวงจรการนำความร้อนกลับมาใช้ใหม่ได้เพิ่มขึ้นอย่างมาก และประสิทธิภาพทางความร้อนในทุกเงื่อนไขของการทำงานได้ปรับปรุงแล้ว เช่น ระดับกำลังสามารถถึง 100MW และประสิทธิภาพทางความร้อนที่จุดออกแบบสูงถึง 46% ประสิทธิภาพในการทำงานที่ต่ำกว่าได้ปรับปรุงอย่างเห็นได้ชัด ประสิทธิภาพทางความร้อนสามารถถึง 40% เมื่อโหลดอยู่ที่ 50% การเย็นระหว่างกระบวนการลดกำลังเฉพาะของคอมเพรสเซอร์แรงดันสูง และอัตราส่วนแรงดันของเครื่องทั้งหมดสามารถถึงมากกว่า 40

แบบจำลองการพัฒนาเทคโนโลยี

เมื่อดูจากประวัติการพัฒนา กังหันแก๊สแบบแอโรเดอริเวทีฟมีแบบจำลองการพัฒนาทางเทคนิค เช่น การพัฒนาตามสายพันธุ์ การพัฒนาแบบซีรีย์ การใช้เทคโนโลยีวัฏจักรขั้นสูง และการใช้งานโหมดวัฏจักรผสม

การพัฒนาตามสายพันธุ์

การพัฒนาเชิงพันธุศาสตร์คือการพัฒนากังหันก๊าซประเภทต่างๆ และระดับกำลังที่แตกต่างกันจากเครื่องยนต์อากาศยานรุ่นเดียวกัน ซึ่งสะท้อนให้เห็นถึงลักษณะเฉพาะของกังหันก๊าซที่มาจากอากาศยานอย่างสมบูรณ์: "เครื่องเดียวเป็นฐาน ใช้งานได้หลากหลาย ประหยัดเวลา ลดต้นทุน พัฒนาหลายประเภท และสร้างเป็นสเปกตรัม"

ยกตัวอย่างเช่น เครื่องยนต์อากาศยาน CF6-80C2 กังหันก๊าซ LM6000 ใช้แกนกลางของเครื่องยนต์ CF6-80C2 โดยตรงและรักษาความหลากหลายสูงสุดของกังหันแรงดันต่ำ; LMS100 สืบทอดเทคโนโลยีแกนกลางของเครื่องยนต์ CF6-80C2 รวมเทคโนโลยีกังหันก๊าซหนักชั้น F และเทคโนโลยีการเย็นระหว่างกระบวนการ มีกำลัง 100 เมกะวัตต์; MS9001G/H นำเทคโนโลยีที่พิสูจน์แล้วของเครื่องยนต์อากาศยาน CF6-80C2 มาใช้อย่างเต็มที่ และผ่านการผสมผสานกับเทคโนโลยีกังหันก๊าซหนัก เพิ่มอุณหภูมิก่อนกังหันจาก 1287 ℃ ของชั้น F เป็น 1430 ℃ , และกำลังไฟฟ้าถึง 282MW การพัฒนาสำเร็จของกังหันแก๊สสามประเภทได้สนับสนุนการพัฒนาแบบบูรณาการของเครื่องยนต์เทอร์โบแฟน CF6-80C2 ให้บรรลุ "เครื่องเดียว多种形式, พัฒนากังหันแก๊สที่มีประเภทและกำลังต่างกัน"

การพัฒนาซีรีส์

การพัฒนาแบบซีรีย์คือการอัปเกรดและปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง พัฒนาประสิทธิภาพและลดมลพิษบนพื้นฐานของกังหันแก๊สที่ประสบความสำเร็จ เพื่อให้บรรลุการพัฒนาแบบซีรีย์ของกังหันแก๊สที่มาจากเครื่องบิน โดยซีรีย์ LM2500 เป็นตัวอย่างที่เด่นชัดที่สุด ดังแสดงในรูปที่ 2 กังหันแก๊ส LM2500 ใช้เครื่องยนต์หลักจากเครื่องยนต์แม่ TF39/CF6-6 และเปลี่ยนกังหันแรงดันต่ำของเครื่องยนต์แม่เป็นกังหันกำลัง กังหันแก๊ส LM2500+ เพิ่มขั้นตอนหนึ่งระดับก่อนคอมเพรสเซอร์ของกังหันแก๊ส LM2500 เพื่อเพิ่มการไหลของอากาศและความสามารถในการผลิตพลังงาน กังหันแก๊ส LM2500+G4 เพิ่มอัตราการไหลของอากาศของกังหันแก๊สโดยการปรับปรุงรูปทรงใบพัดของคอมเพรสเซอร์และเพิ่มพื้นที่ปากกระบอกของกังหันบนพื้นฐานของ LM2500+ เพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ของการเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตพลังงานอย่างต่อเนื่อง ด้วยการพัฒนาแบบซีรีย์ของ LM2500 สินค้าได้รับการอัปเกรดและปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง มีช่วงกำลังไฟฟ้าระหว่าง 20 ถึง 35 เมกะวัตต์ และจำนวนอุปกรณ์ทั่วโลกเกินกว่า 1,000 เครื่อง ทำให้มันกลายเป็นรุ่นที่ได้รับการใช้งานมากที่สุดจนถึงปัจจุบัน

เนื่องจากความยากในการพัฒนาและผลิต การพัฒนาระบบซีรีส์ที่ใช้กังหันแก๊สที่ประสบความสำเร็จเป็นแบบอย่างถือเป็นแบบจำลองการพัฒนาทางเทคนิคที่สำคัญสำหรับกังหันแก๊สที่มาจากเครื่องบิน โดยมุ่งเน้นไปที่การอัปเกรดและการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและลดมลพิษ การพัฒนาระบบซีรีส์ของกังหันแก๊สที่มาจากเครื่องบินคล้ายกับการพัฒนาสายพันธุ์ ซึ่งไม่เพียงแต่จะย่นระยะเวลาการพัฒนา แต่ยังช่วยให้มั่นใจในความน่าเชื่อถือและความล้ำหน้าได้ดียิ่งขึ้น และลดต้นทุนการออกแบบ พัฒนา ทดสอบ และการผลิตลงอย่างเห็นได้ชัด

ประสิทธิภาพ

เป้าหมายของการเพิ่มประสิทธิภาพคือการปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องทั้งหมดอย่างต่อเนื่อง โดยเฉพาะกำลังผลิตของเครื่องทั้งหมดและความร้อนที่มีประสิทธิภาพภายใต้เงื่อนไขการทำงานทั้งหมด วิธีหลักมีดังนี้

หนึ่งคือการใช้งานวัฏจักรขั้นสูง การประยุกต์ใช้วัฏจักรขั้นสูงสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของกังหันแก๊ซแบบแอโรเดอริเวทอย่างต่อเนื่อง เช่น วัฏจักรรีฮีท, วัฏจักรไอน้ำกลับเข้าระบบ, วัฏจักรการฟื้นฟูทางเคมี, วัฏจักรอากาศชื้น, วัฏจักรอากาศชื้นซีรีส์ขั้นสูงสำหรับกังหัน และวัฏจักรคาลินา เป็นต้น เมื่อใช้วัฏจักรขั้นสูงแล้ว ไม่เพียงแต่ประสิทธิภาพของชุดกังหันแก๊ซแบบแอโรเดอริเวทจะได้รับการปรับปรุงเท่านั้น แต่กำลังและประสิทธิภาพทางความร้อนของชุดทั้งหมดยังจะได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ และการปล่อยไนโตรเจนออกไซด์จะลดลงอย่างเห็นได้ชัด

ประการที่สองคือการออกแบบชิ้นส่วนประสิทธิภาพสูง การออกแบบชิ้นส่วนประสิทธิภาพสูงเน้นไปที่การออกแบบคอมเพรสเซอร์ประสิทธิภาพสูงและการออกแบบเทอร์ไบน์ประสิทธิภาพสูง การออกแบบคอมเพรสเซอร์ประสิทธิภาพสูงจะยังคงเอาชนะความท้าทายทางเทคนิคของความเร็วสูงและประสิทธิภาพสูง รวมถึงความเร็วต่ำและขอบเขตของการเกิดเซอร์จในคอมเพรสเซอร์ที่สูงขึ้น ดังที่แสดงในรูปที่ 3 การออกแบบเทอร์ไบน์จะยังคงพัฒนาไปในทิศทางของประสิทธิภาพสูง ทนอุณหภูมิสูง และอายุการใช้งานยาวนาน

ข้อสามคือการออกแบบระบบอากาศที่มีประสิทธิภาพ การพัฒนาทางเทคนิคของระบบอากาศที่มีประสิทธิภาพรวมถึงการพัฒนาเทคโนโลยีการปิดผนึกที่รั่วน้อย ทนต่อการสึกหรอ และมีประสิทธิภาพ เช่น การปิดผนึกแบบ honeycomb seals, การปิดผนึกแบบ thin-leaf seals, การปิดผนึกแบบ brush seals และการปิดผนึกแบบผสม; เทคโนโลยีการออกแบบลดแรงเสียดทานอย่างมีประสิทธิภาพเพื่อปรับปรุงสมรรถนะของกระแสอากาศ เช่น การออกแบบลดแรงเสียดทานแบบ de-swirl และการออกแบบควบคุมกระแสที่มีประสิทธิภาพ; เทคโนโลยีการออกแบบ pre-swirl ล่วงหน้าเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของการไหลเวียน pre-swirl เพิ่มเติม เช่น การออกแบบรู pre-swirl แบบพลศาสตร์อากาศและการออกแบบรู pre-swirl แบบลำดับชั้น; และวิธีการวิเคราะห์การกำหนดปริมาณความไม่แน่นอนซึ่งสามารถปรับปรุงความทนทานและความน่าเชื่อถือของระบบอากาศ เป็นต้น

สรุป

กังหันแก๊สแบบแอโรเดอริเวทีฟถูกใช้อย่างแพร่หลายในเรือยนต์ การผลิตไฟฟ้า การส่งกำลังกลไก แพลตฟอร์มขุดเจาะน้ำมันนอกชายฝั่ง พลังงานรถถัง และพลังงานกระจาย เนื่องจากมีช่วงกำลังที่กว้าง ประสิทธิภาพทางความร้อนสูง มีความสามารถในการควบคุมที่ดี อายุการใช้งานยาวนาน และความน่าเชื่อถือสูง ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีเครื่องยนต์บินและการนำการออกแบบและเทคโนโลยีใหม่ๆ มาใช้ กังหันแก๊สแบบแอโรเดอริเวทีฟจะพัฒนาอย่างรวดเร็วไปในทิศทางของประสิทธิภาพสูง การปล่อยคาร์บอนต่ำ คุณภาพใหม่ และการเป็นดิจิทัลอัจฉริยะ เทคโนโลยีการออกแบบและการผลิตของกังหันแก๊สแบบแอโรเดอริเวทีฟจะมีความก้าวหน้าอย่างมาก โดยปรับปรุงในด้านเศรษฐกิจ การปล่อยมลพิษต่ำ ความน่าเชื่อถือ และความสามารถในการบำรุงรักษา และแน่นอนว่าโอกาสในการนำไปใช้งานจะกว้างขวางยิ่งขึ้น