Розробка технологій газотурбінних установок аеропромислового походження

Під впливом політичних, військових та економічних факторів, розвиток технологій літакових двигунів йде швидше, ніж газотурбінних. Газотурбінні та літакові двигуни мають широкий діапазон технічних спільностей і можуть бути взаємозамінними в проектуванні систем, виробництві, талантах та тестуванні. Тому, враховуючи великий ринковий попит та очевидні переваги застосування газотурбін, сталося загальною уявиною розвивати газотурбіни на основі високопродуктивних, добре відомих літакових двигунів та сучасних промислових технологій та методів проектування. Існує два способи передачі технологій літакових двигунів до газотурбін: один з них полягає у безпосередньому модифікуванні та похідному створенні літакових двигунів для формування газотурбінних похідних; інший полягає у перенесенні технологій літакових двигунів на важкі газотурбіни та розробці нової генерації важких газотурбин, як показано на Рисунку 1.

Історія розвитку газотурбінних похідних

Разом із розвитком авіаційної двигунної технології та застосуванням передових циклів, процес технічного розвитку газотурбінних двигунів аеропохідного типу пройшов етапи технологічного дослідження, технологічного розвитку та застосування передових циклів, реалізувавши розвиток від простого модифікаційного до високопродуктивного проектування ядерних двигунів, від простого циклу до складного циклу застосування, від успадковування відомої системи дизайну та матеріалів авіаційних двигунів до проектування нових компонентів та застосування нових матеріалів, що дозволило досягти значного прогресу у рівні проектування, продуктивності, надійності та тривалості життя газотурбінних двигунів аеропохідного типу.

Етап технологічного дослідження

У 1943 році було вдало розроблено перший у світі газотурбіновий двигун аеропромислового походження. Після цього компанії Rolls-Royce, GE та Pratt & Whitney створили першу партію газотурбінових двигунів аеропромислового походження на основі модифікацій досконалих літаківих двигунів, включаючи промисловий Avon, промисловий Olympus, газові турбіни Spey, LM1500 та FT4. На цьому етапі технологія газотурбінових двигунів аеропромислового походження знаходилася у стадії дослідження. Структура безпосередньо спадкоємала ядро літакового двигуна, а потужність досягалася за допомогою екіпування відповідною потужністю турбіни; загальна продуктивність машини була низькою, а коефіцієнт корисного дійства циклу загалом становив менше 30%; початкова температура перед турбіною була менше 1000 ℃ , а співвідношення тиску становило 4 до 10; компресор був загалом підсонічним; лопатки турбіни використовували просту технологію повітряного охолодження; матеріал, який використовувався, був початковим високотемпературним сплавом; система керування загалом використовувала механічну гіdraulicну або аналогову електронну систему регулювання.

Етап розробки технології

З досконаленням застосування авіаційних двигунів, було забезпечене високопродуктивними, надійними базовими агрегатами та передовими технологіями проектування для швидкого розвитку газотурбін на аеродериватах. При цьому, запит на передові газотурбіни на аеродериватах со сторони морських сил Великої Британії, США та інших країн також створив широку арену застосування, що сприяло швидкому розвитку цих газотурбін та значному покращенню їх характеристик. Було запущено серію газотурбін на аеродериватах з відмінними показниками та високою надійністю. Наприклад, серія LM2500, промисловий Trent, FT4000 та MT30 тощо, які широко використовуються у сфері корабельних енергосистем, електропостачання та інших галузях.

Компоненти гарячої частини авіаційних газотурбінних двигунів на етапі технологічного розроблення загалом використовують суперсплави та захисні покриття для підвищення опору до температури, а також застосовують передову повітряну охолоднюючу технологію та технологію згоряння з мінімалізацією забруднення; початкова температура перед турбиною досягає 1400 ° C, потужність може досягати 40-50 МВт, тепловий коефіцієнт ефективності однієї установки перевищує 40%, а ефективність комбінованого циклу може досягати 60%; використовується цифровий електронний системний контроль, точність та якість контролю значно поліпшилися.

Застосовувати передові цикли

З ростом вимог до високої продуктивності авіаційних газотурбінних двигунів, особливо щодо витрат палива, вихідної потужності та інших показників, передові цикли авіаційних газотурбінних двигунів набули широкого інженерного застосування. Додавання міжрідового охолодження або циклу зворотнього забезпечення теплом на основі термічного циклу газотурбіни може значно покращити вихідну потужність та якість роботи при низьких режимах авіаційного газотурбінного двигуна. Наприклад, рівень потужності LMS100 міжрідної газотурбіни досягає 100 МВт, а ефективність складає аж 46%. Термічна ефективність WR21 міжрідної рекупераційної газотурбіни при низьких режимах роботи значно вища, ніж у простого циклу газотурбіни. Як корабельна сила, вона значно покращує економічність судна та радіус боєздатності.

Виходна потужність сучасних циклів газотурбінних двигунів з повітряною аеродинамікою, що використовують інтеркуляцію або цикли з відновленням тепла з інтеркуляцією, значно зросла, а термічна ефективність покращилася у всіх режимах роботи. Наприклад, рівень потужності може досягати 100 МВт, а термічна ефективність у точці проектування становить до 46%; показники низьких режимів роботи значно поліпшилися, термічна ефективність може досягати 40% при навантаженні 50%; інтеркуляція зменшує удельну потужність високотискового компресора, а коефіцієнт стиснення всієї установки може досягати більше 40.

Модель розвитку технологій

Розглядаючи історію розвитку, у газотурбінних двигунах авіаційного походження є технічні моделі розвитку, такі як розвиток за лінією спадщини, серійний розвиток, застосування передових циклових технологій та використання режиму комбінованого циклу.

Розвиток за лінією спадщини

Генеалогічний розвиток — це розробка газотурбінних двигунів різних типів та потужності на основі одного літакового двигуна, що повністю відображає особливості авіаційних похідних газотурбін: "один двигун як базис, для багатьох застосувань, економія циклів, зниження витрат, створення кількох типів та утворення спектру."

На прикладі літакового двигуна CF6-80C2, газотурбіна LM6000 безпосередньо використовує серцевий двигун CF6-80C2 і зберігає максимальну універсальність низькотискової турбіни; LMS100 успадковує технологію серцевого двигуна CF6-80C2, поєднуючи технологію F-класних важких газотурбін та міжфазне охолодження, маючи потужність 100 МВт; MS9001G/H повністю використовує випробовану технологію літакового двигуна CF6-80C2, а через поєднання з технологією важких газотурбін температура перед турбиною збільшується з 1287 ℃ F-класу до 1430 ℃ , а потужність досягає 282 МВт. Успішна розробка трьох типів газотурбінних двигунів дозволила реалізувати авіаційний підхід у розробці двигуна CF6-80C2 для літаків, щоб досягти "одного апарата з багатьма типами, розробляючи газотурбіни різних типів та потужностей".

Серійна розробка

Розробка серійного виробництва полягає у неперервному удосконаленні та покращенні, підвищенні продуктивності та зменшенні викидів на основі успішної газотурбінної установки, щоб досягти серійного розвитку газотурбінних установок авіаційного походження, серед яких серія LM2500 є найбільш типовою, як показано на рисунку 2. Газотурбінна установка LM2500 використовує ядерний двигун батьківського двигуна TF39/CF6-6 і замінює низьконапружений турбінний блок батьківського двигуна на силовий турбінний блок; газотурбінна установка LM2500+ додає один етап перед компресором газотурбінної установки LM2500 для підвищення масового потоку повітря та вихідної потужності; LM2500+G4 збільшує потік повітря газотурбіни шляхом покращення профілю лопаток компресора та збільшення площі горла турбіни на основі LM2500+, щоб досягти мети неперервного підвищення вихідної потужності. З серійним розвитком LM2500 продукція неперервно удосконалюється та покращується, з діапазоном потужності від 20 до 35 МВт, а кількість обладнання у всьому світі перевищує 1000 одиниць, що робить його найширокше використовуваною моделлю на сьогодні.

Завдяки складності розробки та виробництва, серійна розробка на основі успішної газотурбінної установки є важливою технічною моделлю розробки для газотурбінних установок авіаційного походження, яка передбачає постійне оновлення та покращення, підвищення продуктивності та зменшення викидів. Серійна розробка газотурбінних установок авіаційного походження схожа на родову розробку, що не тільки скорочує цикл розробки, але й забезпечує кращу надійність та передовість, значно зменшуючи витрати на проектування, розробку, тестування та виготовлення.

Ефективність

Метою підвищення ефективності є постійне покращення продуктивності всього агрегату, особливо вихідної потужності всього агрегату та тепловий коефіцієнт ефективності при всіх режимах роботи. Основні способи такі.

Одним з застосувань є використання розроблених циклів. Застосування розроблених циклів може неперервно покращувати продуктивність авіаційних газотурбінних двигунів, таких як цикл повторного нагріву, цикл повторного введення пари, хімічний рекупераційний цикл, мокрий повітряний цикл, серійний мокрий повітряний передовий турбінний цикл та цикл Каліни тощо. Після застосування передового циклу не тільки покращується продуктивність блоку авіаційної газотурбінної установки, але також значно підвищується потужність та термічна ефективність всього агрегату, а викиди оксидів азоту значно зменшуються.

Друге — це проектування компонентів з високою ефективністю. Проектування компонентів з високою ефективністю концентрується на створенні компресорів та турбін з високою ефективністю. Проектування високоefektyvnyx компресорів буде продовжувати подолувати технічні труднощі, пов'язані з високою швидкістю та високою ефективністю, а також низькою швидкістю та межею великої сурені для компресорів. Як показано на рисунку 3, проектування турбін буде поступово розвиватися у напрямку високої ефективності, високої температурної стійкості та довгого терміну служби.

Третє — це проектування ефективних повітряних систем. Направлення технічного розвитку ефективних повітряних систем включають розробку технологій низькопроникної, витривкливого і ефективного герметизування, таких як комбіноване герметизування, гребенчасте герметизування, тонколисткове герметизування і щетинкове герметизування; технології ефективного зменшення опору для покращення повітряного потоку, таких як дизайни зменшення опору при де-свірлі та кероване ефективне проектування потоку; передові технології попереднього свірлу для подальшого покращення ефективності попереднього свірлу, таких як аеродинамічний дизайн отворів попереднього свірлу та каскадний дизайн отворів попереднього свірлу; методи квантування невизначеностей, які можуть покращити стійкість та надійність повітряних систем тощо.

Висновок

Газотурбінні двигуни аеропохідного типу широко використовуються у корабельній енергетиці, електричній енергії, механічній передачі, морських нефтяних платформ, танкових двигунах та розподіленій енергії завдяки широкому діапазону потужності, високій тепловій ефективності, хорошій маневреності, довгому терміну служби та високій надійності. За швидким розвитком авіаційної двигунної технології та постійним застосуванням нових дизайнів та технологій газотурбінні двигуни аеропохідного типу будуть швидко розвиватися у напрямку високої ефективності, низької карбонізації, нового якості та цифрової інтелектуалізації. Технологія проектування та виготовлення газотурбінних двигунів аеропохідного типу також зробить великі досягнення, поступово покращуючись у плані економічності, низьких забруднюючих викидів, надійності та обслуговуваності, а перспективи їх застосування несумнівно стануть ширшими.