Pagbuo ng Aero-Derivative Gas Turbines Technology

Naaapekto ng mga politikal, militar at ekonomikong mga faktor, mas mabilis ang pag-unlad ng teknolohiya ng mga aircraft engine kaysa sa gas turbines. May malawak na mga teknikal na katuladang puwang ang mga gas turbine at aircraft engine, at maaaring ibahagi sa disenyo ng mga sistema, pamamaraan ng paggawa, talentong sistemiko at pagsusuri ng mga sistema. Kaya't batay sa malaking demand sa market at malinaw na mga aplikatibong adunang ng mga gas turbine, naging isang industriyal na kasangkotang paniniwala na unang magpataas ng mga gas turbine base sa mataas na pagganap, matatag na aircraft engines at advanced na industriyal na teknolohiya at disenyo ng mga paraan. Mayroong dalawang paraan upang ipasa ang teknolohiya ng aircraft engine sa gas turbines, tulad ng ipinapakita sa Figure 1: isa ay direktang baguhin at ideriba ang matatag na aircraft engine upang bumuo ng aero-derivative gas turbines; ang pangalawa ay transplante ng teknolohiya ng aircraft engine sa mga heavy-duty gas turbines at pag-aaral at pag-unlad ng isang bagong henerasyon ng mga heavy-duty gas turbines.

Kasaysayan ng Pag-unlad ng Aero-derivative Gas Turbines

Kasama ang pag-unlad ng teknolohiya ng aviation engine at ang pamamaraan ng advanced cycle technology, dumadaan ang proseso ng teknikal na pag-unlad ng aero-derivative gas turbines sa etapa ng pagsusuri sa teknolohiya, etapa ng pag-unlad ng teknolohiya at etapa ng aplikasyon ng advanced cycle, nangagawa ng pag-unlad ng aero-derivative gas turbines mula sa simpleng pagbabago hanggang sa mataas na pag-uunlad ng disenyo ng core engine, mula sa simpleng siklo patungo sa kompleks na siklo aplikasyon, mula sa pagmamana ng matatandaang sistema ng disenyo at sistema ng material ng aviation engines patungo sa disenyo ng bagong bahagi at aplikasyon ng bagong mga material, na nagbigay-daan para sa antas ng disenyo, pag-uunlad, reliwablidad at buhay ng aero-derivative gas turbines upang makamtan ang malaking pag-unlad.

Etapa ng Pagsusuri sa Teknolohiya

Noong 1943, ang unang aero-deribatibong gas turbine sa mundo ay matagumpay na inilathala. Pagkatapos nito, disinyahan ng Rolls-Royce, GE at Pratt & Whitney ang unang batog ng aero-deribatibong gas turbine batay sa mga madalas na pagbabago sa eroplano engine, kabilang ang industriyal na Avon, industriyal na Olympus, Spey gas turbines, LM1500 at FT4. Sa taong ito, ang teknolohiya ng aero-deribatibong gas turbine ay nasa panahon ng pagsusuri. Ang anyo ay direkta maimpluwensya ng pangunahing bahagi ng eroplano engine, at tinutugunan ang output ng kapangyarihan sa pamamagitan ng pagsasanay ngkoponan ng wastong kapangyarihang turbine; hindi mataas ang kabuuang pagganap ng makina, at umuubos ang siklo ng karagdagang enerhiya sa loob ng 30%; mas mababa sa 1000 ang simula ng temperatura bago ang turbine. ℃ , at ang ratio ng presyon ay 4 hanggang 10; ang compressor ay pangkalahatan ay subsonic; ang mga blade ng turbine ay gumagamit ng simpleng teknolohiya ng paglalamig ng hangin; ang materyales na ginagamit ay ang unang mataas na temperatura na alloy; ang sistemang pang-kontrol ay pangkalahatan ay gumagamit ng mekanikal na hidraulik o analog na elektронiko na sistema ng pagsasaayos.

Teknolohikal na Pag-unlad ng Talakayan

Sa pamamagitan ng matatag na aplikasyon ng aeroengine, pinakamahusay na kinabukasan at mataas na relihiyosidad ng mga inang makina at napuna ang unang hakbang para sa mabilis na pag-unlad ng aeroderivative gas turbines. Sa parehong panahon, ang demand para sa napakamahusay na aeroderivative gas turbines mula sa mga hukbong dagat ng Unyong Britaniko, Estados Unidos at iba pang mga bansa ay nagbigay din ng malawak na paligsahan ng aplikasyon, na nag-enable ng mabilis na pag-unlad ng aeroderivative gas turbines at siginificant na pagtaas ng kanilang kinabukasan. Ipinapakita ang isang serye ng aeroderivative gas turbines na may mahusay na pagganap at mataas na relihiyosidad. Tulad ng serye ng LM2500, industriyal na Trent, FT4000 at MT30, ito ay madalas na ginagamit sa kapangyarihan ng barko, paggawa ng kuryente at iba pang mga larangan.

Ang mga komponente ng hot end ng aero-derivative gas turbines sa takbo ng pag-unlad ng teknolohiya ay pangkalahatan ay gumagamit ng super alloys at protektibong coating upang mapabuti ang resistensya sa temperatura, at ipinapatupad ang advanced air cooling technology at low-pollution combustion technology; umabot ang initial temperature bago ang turbine sa 1400 ° C, maaaring umabot ang kapangyarihan sa 40-50MW, ang thermal efficiency ng isang solong unit ay humahanda sa higit sa 40%, at ang combined cycle efficiency ay maaaring umabot sa 60%; ginagamit ang digital electronic control system, at ang kontrol na katatagan at kontrol na pagganap ay napakaraming nababagay.

Ipapatupad ang advanced cycles

Bilang ang mga kinakailangan para sa mataas na pagganap ng aeroderivative gas turbines, lalo na ang pagkonsumo ng fuel, ang output power at iba pang mga indikador ay dumadagdag, nakamit na ang advanced cycle aeroderivative gas turbines ang malawak na pamamaraan sa inhinyero. Pagsama ng isang intercooling o intercooled heat recovery cycle sa pamamagitan ng gas turbine thermal cycle maaaring mabuti ang output power at ang pagganap sa mababang kondisyon ng aeroderivative gas turbine. Halimbawa, umabot sa 100MW ang antas ng kapangyarihan ng LMS100 intercooled gas turbine at ang ekasiyensiya ay taas ng hanggang 46%. Ang thermal efficiency ng WR21 inter-cooling recuperation gas turbine sa mababang kondisyon ay mas mataas kaysa sa isang simple cycle gas turbine. Bilang kapangyarihan ng barko, ito ay napakarami na nagiging mas mahusay ang ekonomiya at labanan radius ng barko.

Ang kapangyarihan ng labas ng mga advanced cycle aeroderivative gas turbines na gumagamit ng intercooling o intercooled heat recovery cycles ay napakarami nang tumataas, at ang termodinamikong kalikasan sa lahat ng mga kondisyon ng paggawa ay naunlad. Halimbawa, maaaring maabot ng antas ng kapangyarihan ang 100MW, at ang termodinamikong kalikasan sa disenyo ay mataas bilang 46%; ang kinabukasan ng operasyon sa mababaw na kondisyon ay napakarami nang naunlad, Maaaring maabot ang termodinamikong kalikasan ang 40% sa ilalim ng 50% load; ang intercooling ay bumababa sa espesyal na kapangyarihan ng high-pressure compressor, at maaaring maabot ang disenyo ng pressure ratio ng buong makina ng higit sa 40.

Modelo ng pag-unlad ng teknolohiya

Pagsisiyasat sa kasaysayan ng pag-unlad, mayroong mga teknikal na modelo ng pag-unlad para sa aeroderivative gas turbines tulad ng pag-unlad ng sanggol, serial development, pagsangguni sa advanced cycle technology at aplikasyon ng combined cycle mode.

Pag-unlad ng sanggol

Ang pag-unlad ng genealohikal ay ang pag-unlad ng mga gas turbine na may iba't ibang uri at antas ng kapangyarihan batay sa parehong aircraft engine, na kumakatawan nang buo sa mga karakteristikong ito ng gas turbine na nagmula sa aviation: "isa pang makinang bilang basehan, tugon sa maraming gamit, tagapag-iwas sa siklo, pumipigil sa mga gastos, nagdidisenyo ng maraming uri, at bumubuo ng ispektrum."

Gumagamit bilang halimbawa ng CF6-80C2 aircraft engine, ang LM6000 gas turbine ay direktang gumagamit ng core engine ng CF6-80C2 at nakikipagdamay ng pinakamalawak na versatility ng low-pressure turbine; ang LMS100 ay inherente ang teknolohiya ng core engine ng CF6-80C2, kinombinahan ang F-class heavy-duty gas turbine technology at intercooling technology, at may kapangyarihan ng 100MW; ang MS9001G/H ay buong-buot na gumagamit ng matatag na teknolohiya ng CF6-80C2 aircraft engine, at sa pamamagitan ng kombinasyon sa heavy-duty gas turbine technology, tinataas ang temperatura bago ang turbine mula sa 1287 ℃ ng klase F patungo sa 1430 ℃ , at umaabot ang kapangyarihan sa 282MW. Ang matagumpay na pag-unlad ng tatlong uri ng gas turbine ay nagbigay-daan sa pag-unlad ng CF6-80C2 aircraft engine na batay sa aviation upang maabot ang 'isang makina ng maraming uri, pag-uunlad ng gas turbines ng iba't ibang uri at kapangyarihan'.

Serye ng pag-unlad

Ang pag-unlad ng serye ay upang tuloy-tuloy na i-upgrade at ipabuti, ipabuti ang performance at bawasan ang emissions sa pamamagitan ng isang matagumpay na gas turbine, kaya naman na maabot ang pag-unlad ng serye ng aero-derivative gas turbines, kung saan ang seryeng LM2500 ang pinakatipikal, tulad ng ipinapakita sa Figure 2. Gumagamit ang LM2500 gas turbine ng core engine mula sa inaong engine TF39/CF6-6, at binago ang low-pressure turbine ng inaong engine sa power turbine; idinagdag ang isang stage sa harap ng compressor ng LM2500 gas turbine sa LM2500+ gas turbine, upang mapabuti ang hangin na mass flow at output power; ang LM2500+G4 naman ay nagpapalaki ng airflow rate ng gas turbine sa pamamagitan ng pagpapabuti sa profile ng mga compressor blade at pagdagdag ng turbine throat area batay sa LM2500+, upang maabot ang layunin ng patuloy na pagpapabuti sa output power. Sa pamamagitan ng pag-unlad ng serye ng LM2500, patuloy na inuupgrade at ipinapabuti ang produkto, may saklaw ng kapangyarihan mula 20 hanggang 35MW, at ang bilang ng equipment sa buong mundo ay humahabol ng higit sa 1,000 units, na ginagawa itong pinakamaraming ginagamit na modelo hanggang ngayon.

Sa dahil ng kahirapan sa pag-unlad at produksyon, ang pag-unlad ng serye na batay sa matagumpay na gas turbine ay isang mahalagang modelo ng pag-unlad ng teknolohiya para sa mga gas turbine na nagmumula sa eroplano, na nagpapahabang at nagpapabuti upang mapabuti ang kinikilusan at bawasan ang emisyon. Ang pag-unlad ng serye ng gas turbine na nagmumula sa eroplano ay katulad ng pag-unlad ng linhi, na hindi lamang maikli ang siklo ng pag-unlad, kundi pati din siguradong mas mabuting reliwablidad at unggulan, at malubhang bawasan ang mga gastos sa disenyo, pag-unlad, pagsusuri at paggawa.

Kahusayan

Ang layunin ng pagpapabuti ng ekasiyensiya ay patuloy na pagpapabuti sa kinikilusan ng buong makina, lalo na sa labas na kapangyarihan ng buong makina at ang termal na ekasiyensiya sa lahat ng mga kondisyon ng operasyon. Ang pangunahing paraan ay sumusunod.

Ang isa ay ang pamamaraan ng mga advanced cycles. Ang pamamaraan ng mga advanced cycles ay maaaring patuloy na pag-unlad sa pagganap ng aeroderivative gas turbines, tulad ng reheat cycle, steam reinjection cycle, chemical recuperation cycle, wet air cycle, series wet air advanced turbine cycle at Kalina cycle, etc. Pagkatapos ng pamamaraan ng mga advanced cycles, hindi lamang ang pagganap ng unit ng aeroderivative gas turbine ang papunyain, kundi pati na rin ang kapangyarihan at thermal efficiency ng buong unit ang mabubuo nang husto, at ang emisyon ng nitrogen oxide ay mababawasan nang husto.

Ang ikalawa ay ang disenyo ng komponente na mataas ang efisiensiya. Ang disenyo ng komponente na mataas ang efisiensiya ay tumutukoy sa disenyo ng kompresor na mataas ang efisiensiya at disenyo ng turbinang mataas ang efisiensiya. Ang disenyo ng kompresor na mataas ang efisiensiya ay patuloy na susurpin ang mga teknikal na hamon ng mataas na bilis at mataas na efisiensiya at mababang bilis at mataas na hangganan ng surge na kinakaharap ng mga kompresor. Gayunpaman, sa larawan 3, ang disenyo ng turbinang ito ay patuloy na umuunlad patungo sa direksyon ng mataas na efisiensiya, mataas na temperatura at mahabang buhay.

Ang ikatlo ay ang disenyo ng mga epektibong sistemang hangin. Kasama sa mga direksyon sa pamamahalakad teknikal ng mga epektibong sistemang hangin ang pag-unlad ng mga teknolohiyang pagsisiyasat na mababawas ang dulo, matatag sa pagpapaloob, at epektibo, tulad ng mga honeycomb seals, thin-leaf seals, brush seals at combined seals; mga teknolohiya sa disenyo ng epektibong pagbabawas ng drayb upang mapabuti ang pagkilos ng hangin, tulad ng de-swirl drag reduction design at flow efficient controllable design; advanced pre-swirl design technologies upang paigtingin pa ang kamangha-manghang pre-swirl, tulad ng aerodynamic pre-swirl hole design at cascade pre-swirl hole design; at mga paraan ng uncertainty quantification analysis na makakapagpaunlad ng katibayan at relihiybilidad ng mga sistemang hangin, etc.

Kokwento

Ang mga gas turbine na aero-derivative ay madalas gamitin sa kapangyarihan ng barko, elektrisidad, mekanikal na transmisyon, offshore oil platforms, kapangyarihan ng tank at distributibong enerhiya dahil sa kanilang malawak na saklaw ng kapangyarihan, mataas na thermal efficiency, mabuting siglay, mahabang buhay, at mataas na relihiyon. Sa pamamagitan ng mabilis na pag-unlad ng teknolohiya ng aviation engine at patuloy na pagsasaan ng bagong disenyo at teknolohiya, ang mga gas turbine na aero-derivative ay magiging mabilis na umuunlad patungo sa direksyon ng mataas na efisiensiya, mababang karbonisasyon, bago kalidad at digital na inteligensya. Ang disenyo at pamamahagi ng teknolohiya ng mga gas turbine na aero-derivative ay magiging mabuting paunlarin din, paulit-ulit na mapapabuti sa aspeto ng ekonomiko, mababang polusyon na emisyon, relihiyon at maintainability, at ang mga oportunidad para sa aplikasyon ay tiyak na mas malawak.