Hava Türevli Gaz Tüpleri Teknolojisinin Gelişimi

Politik, askeri ve ekonomik faktörlerden etkilenen hava aracı motor teknolojisinin gelişimi, gaz türbinleri olanaklarına göre daha hızlıdır. Gaz türbinleri ve hava araçları motorları arasında geniş bir teknik ortaklık bulunur ve tasarım sistemlerinde, üretim sistemlerinde, insan kaynakları sistemlerinde ve test sistemlerinde paylaşılabilirlik söz konusudur. Bu nedenle, gaz türbinlerinin büyük pazar talebi ve açık uygulama avantajları göz önüne alındığında, yüksek performanslı, olgun hava araçları motorları ve ileri endüstri teknolojileri ve tasarım yöntemleri temel alınarak gaz türbinlerini geliştirmek endüstrideki bir konsensus haline gelmiştir. Hava aracı motor teknolojisinin gaz türbinlere aktarılması için iki yöntem vardır, Şekil 1'de gösterildiği gibi: Biri, olgun hava aracı motorlarını doğrudan değiştirmek ve türetilmiş gaz türbinleri oluşturmak; diğeri ise ağır gaz türbinlerine hava aracı motor teknolojisini nakletmek ve yeni nesil ağır gaz türbinleri geliştirmektir.

Türetilmiş Gaz Türbinlerinin Geliştirme Tarihi

Uçak motoru teknolojisinin gelişimi ve ileri çevrim teknolojisinin uygulanmasıyla birlikte, hava türevli gaz türbinlerinin teknik gelişim süreci, teknoloji keşfi aşaması, teknoloji geliştirme aşaması ve ileri çevrim uygulama aşaması geçmiştir. Bu da hava türevli gaz türbinlerinin basit modifikasyondan yüksek performanslı çekirdek motoruna optimizasyon tasarımı, basit çevirden karmaşık çevire uygulamaya, hava motorlarının olgun tasarım sistemini ve malzeme sistemini miras alarak yeni bileşenlere tasarım ve yeni malzemelerin uygulanmasına kadar olan süreçlerini gerçekleştirmiş olup, bu sayede hava türevli gaz türbinlerinin tasarım seviyesi, performansı, güvenilirliği ve ömrü önemli ölçüde gelişmiştir.

Teknoloji keşif aşaması

1943 yılında, dünyanın ilk hava türevi gaz türbini başarıyla geliştirildi. Bundan sonra, Rolls-Royce, GE ve Pratt & Whitney, olgun hava aracı motoru değişikliklerine dayalı ilk hava türevi gaz türbini serisini tasarladılar, bu da endüstriyel Avon, endüstriyel Olympus, Spey gaz türbinleri, LM1500 ve FT4 içeriyordu. Bu dönemde, hava türevi gaz türbininin teknolojisi keşif dönemindeydi. Yapısı doğrudan hava aracı motörü çekirdeğini miras aldı ve uygun bir güç türbini takılarak çıktı elde edildi; makinenin genel performansı yüksek değildi ve çevrim verimliliği genellikle %30'dan azdı; türbin öncesi başlangıç sıcaklığı 1000 derecenin altında kaldı. ℃ , ve basınç oranı 4'e 10 arasındaydı; sıkıcı genellikle alt sesydi; türbin pencereleri basit hava soğutma teknolojisi kullanıldı; kullanılan malzeme ilk yüksek sıcaklık alaşımıydı; kontrol sistemi genellikle mekanik hidrolik veya analog elektronik ayarlamalar sistemiydi.

Teknoloji Geliştirme Aşaması

Hava motorlarının olgun uygulaması ile birlikte, yüksek performanslı, yüksek güvenilirlikli ana makineler ve ileri tasarım teknolojileri, aeroderevatif gaz türbinlerinin hızlı gelişimi için temin edilmiştir. Aynı zamanda, Birleşik Krallık, ABD ve diğer ülkelerin deniz kuvvetlerinin ileri aeroderevatif gaz türbinleri üzerindeki talepleri de geniş bir uygulama sahası sağlamış ve bu da aeroderevatif gaz türbinlerinin hızlı bir şekilde gelişmesine ve performanslarının önemli ölçüde artmasına yol açmıştır. Performansı iyi ve güvenilirliği yüksek bir dizi aeroderevatif gaz türbini piyasaya sürülmüştür. Örneğin, LM2500 serisi, endüstriyel Trent, FT4000 ve MT30 gibi türbinler, gemi gücü, enerji üretimi ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.

Teknolojik geliştirme aşamasındaki hava-türevi doğalgaz türbinlerinin sıcak uç bileşenleri genellikle sıcaklık dayanımını artırmak için süper alaşım ve koruyucu kaplama kullanır ve ileri düzeyde havayla soğutma teknolojisi ve düşük-kirlilik yanma teknolojisi uygular; türbin öncesi başlangıç sıcaklığı 1400 ° C'ye ulaşabilir, güç 40-50MW olabilir, tek bir üniteyi termal verimliliği %40'u geçebilir ve birleşik çevrim verimliliği %60'a ulaşabilir; dijital elektronik bir kontrol sistemi kullanılır ve kontrol doğruluğu ile kontrol performansı önemli ölçüde artırılır.

İleri çevrimleri uygula

Hava türevli gaz türbinlerinin yüksek performans için olan gereksinimlerin, özellikle yakıt tüketimi, çıkış gücü ve diğer göstergeler açısından artmasıyla, ileri çevrimli hava türevli gaz türbinleri yaygın mühendislik uygulamalarında yer almaya başlamıştır. Gaz türbini termal çevrimine bir ara soğutma veya ara soğutmalı ısı geri kazanım çevrimi eklemek, hava türevli gaz türbininin çıkış gücünü ve düşük işletim koşulları performansını önemli ölçüde artıracaktır. Örneğin, LMS100 ara soğutmalı gaz türbininin güç seviyesi 100 MW'ya ulaşır ve verimliliği %46 kadar yüksektir. WR21 ara soğutmalı geri kazanım gaz türbininin düşük işletim koşullarındaki termal verimliliği, basit çevrimli bir gaz türbini olduğundan çok daha yüksektir. Bir gemi gücü olarak, bu durum geminin ekonomisini ve savaş yarıçapını büyük ölçüde artırır.

Arızalı soğutma veya arızalı ısı geri kazanım döngüsü kullanan gelişmiş çevrimli aeroderivatif doğalgaz türbinlerinin çıktı gücü büyük ölçüde artırılmıştır ve tüm işletim koşullarında termal verimlilik iyileştirilmiştir. Örneğin, güç seviyesi 100 MW'ya ulaşabilir ve tasarım noktası termal verimliliği %46 kadar olabilir; düşük işletme operative durum performansı önemli ölçüde geliştirilmiştir, termal verimlilik %50 yükleme altında %40'a ulaşabilir; arızalı soğutma, yüksek basınçlu kompresörün belirli gücünü azaltır ve tam aletin tasarım basınç oranı 40'dan fazlaya ulaşabilir.

Teknoloji gelişturma modeli

Geliştirme geçmişine bakıldığında, aeroderivatif gaz türbinleri soy geliştirmesi, seri geliştirmesi, gelişmiş çevrim teknolojisi kullanımı ve birleşik çevrim modu uygulaması gibi teknoloji gelişturma modellerine sahiptir.

Soy geliştirmesi

Soy ağacındaki gelişim, aynı hava aracı motörü temel alınarak farklı tiplerde ve güç seviyelerindeki gaz türbinlerinin geliştirilmesidir ki, bu da havacılık-turevli gaz türbinlerinin özelliklerini tam olarak yansıtır: "bir makine temel alınır, birden fazla kullanıma uygun hale getirilir, döngüler tasarruf edilir, maliyetler azaltılır, birden fazla tür türetilir ve bir spektrum oluşturulur."

CF6-80C2 hava aracı motorunu örnek alacak olursak, LM6000 gaz türbini doğrudan CF6-80C2'nin çekirdek motorunu kullanır ve düşük basınçlı türbinin maksimum esnekliğini korur; LMS100, CF6-80C2'nin çekirdek motoru teknolojisini devralır, F-sınıfı ağır gaz türbini teknolojisi ve ara-soğutma teknolojisinin birleşiminden yararlanır ve 100MW güce sahiptir; MS9001G/H tamamen CF6-80C2 hava aracı motorunun olgun teknolojisini benimser ve ağır gaz türbini teknolojisiyle birleştirilerek türbin öncesi sıcaklık F-sınıfından 1287'den ℃ 1430'e yükseltilmiştir ℃ , ve güç 282MW'ye ulaşır. Üç tür gaz türbini'nin başarılı geliştirilmesi, CF6-80C2 hava aracı motoru için havacılık tabanlı geliştirmeyi gerçekleştirmeye ve "bir makine ile çoklu tipler, farklı tipli ve güçlerde gaz türbinleri geliştirmeye" imkan tanımıştır.

Seri geliştirmesi

Seri geliştirmesi, başarılı bir gaz türbini temel alarak sürekli olarak yükseltmek ve geliştirmek, performansı artırmak ve emisyonu azaltmak için yapılmaktadır; bu da hava türevli gaz türbinlerinin seri gelişimine ulaşılmasını sağlar. Bunların arasında LM2500 serisi en tipiktir, Şekil 2'de gösterilmiştir. LM2500 gaz türbini ana motorunun çekirdek motorunu (TF39/CF6-6) kullanır ve ana motorun düşük basınçlı türbinini güç türbiniyle değiştirir; LM2500+ gaz türbini, LM2500 gaz türbininin sıkıcılarına ön türbin ekleyerek hava kütle akışını ve çıkış gücünü artırmayı amaçlar; LM2500+G4, LM2500+'ın üzerine inşa edilerek sıkıcı yaprak profillerini iyileştirip türbin boğaz alanını artırarak gaz türbini hava akış oranını artırır ve böylece çıkış gücünü sürekli olarak artırmaya yönelik amacına ulaşır. LM2500'un seri gelişimi ile ürün sürekli olarak yükseltiliyor ve geliştiriliyor, 20 ila 35MW olan bir güç aralığına sahip olup, dünya genelindeki cihaz sayısı 1.000'i aşmaktadır ve bu da bugüne kadar en yaygın olarak kullanılan modeli yapıyor.

Geliştirme ve üretim zorluğuna bağlı olarak, başarılı bir gaz türbini üzerine dayalı seri geliştirmesi, performansı artırmak ve emisyonu azaltmak için sürekli olarak yükseltmek ve geliştirmek olan hava türevi gaz türbinleri için önemli bir teknik geliştirme modelidir. Hava türevi gaz türbinlerinin serileştirilmesi, soykütüğü geliştirme gibi olup, yalnızca geliştirme döngüsünü kısaltır, aynı zamanda daha iyi güvenilirlik ve ilerlemeyi sağlar ve tasarım, geliştirme, test ve üretim maliyetlerini önemli ölçüde düşürür.

Verimlilik

Verimlilik iyileştirme hedefi, tüm makinenin performansını sürekli olarak geliştirmektir, özellikle tüm işletim koşulları altında tüm makinenin çıkış gücünü ve termal verimliliğini. Ana yöntemler şunlardır.

Birincisi, ileri düzeydeki çevrimlerin uygulanmasıdır. İleri düzeydeki çevrimlerin uygulanması, aeroderivatif gaz türbinlerinin performansını sürekli olarak geliştirebilir; örneğin yeniden ısıtma çevrimi, buhar yeniden enjeksiyon çevrimi, kimyasal geri kazanım çevrimi, nemli hava çevrimi, seri nemli hava ileri düzeydeki türbin çevrimi ve Kalina çevrimi gibi. İleri düzeydeki çevrimler uygulandıktan sonra, sadece aeroderivatif gaz türbini biriminin performansı geliştirilir, aynı zamanda tüm birimin güç ve termal verimliliği de önemli ölçüde artırılır ve buzyanetsi emisyonları önemli ölçüde azaltılır.

İkincisi, yüksek verimli bileşen tasarımıdır. Yüksek verimli bileşen tasarımı, yüksek verimli sıkıcı ve yüksek verimli türbin tasarımına odaklanır. Yüksek verimli sıkıcı tasarımı, sıkıcıların karşı karşıya olduğu teknik zorlukları devam edecek şekilde aşıyor: yüksek hız ve yüksek verimlilik, düşük hız ve yüksek gerilim sınırı. Şekil 3'te gösterildiği gibi, türbinlerin tasarımı, yüksek verimlilik, yüksek sıcaklığa dayanma ve uzun ömür yönünde devam edecektir.

Üçüncüsü, verimli hava sistemlerinin tasarımıdır. Verimli hava sistemlerinin teknik geliştirmeleri yönleri şunlardır: Düşük sızıntı, aşınmaya dayanıklı ve verimli mühendislik teknolojilerinin geliştirilmesi, örneğin arı kovanı mühafazaları, ince yaprak mühafazaları, fırça mühafazaları ve kombinasyon mühafaza teknolojileri; hava akış performansını artırmak için etkili sürtünme azaltma tasarım teknolojileri, örneğin de-swirl sürtünme azaltma tasarımı ve akış kontrolüne dayalı tasarımlar; ön-çevirme verimliliğini daha da artırmak için gelişmiş ön-çevirme tasarım teknolojileri, örneğin aerodinamik ön-çevirme deliği tasarımı ve kaskada ön-çevirme deliği tasarımı; hava sistemlerinin dayanıklılığını ve güvenliğini artıracak belirsizlik nicelendirme analizi yöntemleri vb.

Sonuç

Havaalanı türevli gaz türbinleri, geniş güç aralığı, yüksek termal verimlilik, iyi manevra yeteneği, uzun ömür ve yüksek güvenilirlik gibi özellikler nedeniyle gemi gücü, elektrik, mekanik aktarma, deniz petrol platformları, tank gücü ve dağıtılmış enerji alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Uçak motoru teknolojisinin hızlı gelişimi ve yeni tasarım ve teknolojilerin sürekli uygulanmasıyla birlikte, havaalanı türevli gaz türbinleri yüksek verimlilik, düşük karbonlaşma, yeni kalite ve dijital zeka yönünde hızla ilerleyecektir. Havaalanı türevli gaz türbinlerinin tasarım ve üretim teknolojisi de büyük ilerlemeler kaydedecek, ekonomiklik, düşük kirlilik emisyonları, güvenilirlik ve bakımsızlık açısından yavaş yavaş iyileşecektir ve uygulama prospekleri kesinlikle daha geniş olacaktır.