Việc Phát Triển Công Nghệ Tuabin Khí Dẫn Xuất Từ Hàng Không

Bị ảnh hưởng bởi các yếu tố chính trị, quân sự và kinh tế, sự phát triển của công nghệ động cơ máy bay nhanh hơn so với tua-bin khí. Tua-bin khí và động cơ máy bay có nhiều điểm chung kỹ thuật, và có thể chia sẻ trong các hệ thống thiết kế, hệ thống sản xuất, hệ thống nhân tài và hệ thống thử nghiệm. Do đó, dựa trên nhu cầu thị trường lớn và những lợi thế ứng dụng rõ ràng của tua-bin khí, đã trở thành sự đồng thuận trong ngành để phát triển tua-bin khí dựa trên động cơ máy bay hiệu suất cao, công nghệ chín muồi và phương pháp thiết kế công nghiệp tiên tiến. Có hai cách để chuyển giao công nghệ động cơ máy bay sang tua-bin khí, như được hiển thị trong Hình 1: một là trực tiếp sửa đổi và phái sinh từ động cơ máy bay chín muồi để tạo ra tua-bin khí phái sinh; và hai là cấy ghép công nghệ động cơ máy bay vào tua-bin khí công nghiệp nặng và nghiên cứu phát triển thế hệ mới của tua-bin khí công nghiệp nặng.

Lịch sử Phát triển của Tua-bin Khí Phái sinh

Bên cạnh sự phát triển của công nghệ động cơ hàng không và ứng dụng công nghệ chu trình tiên tiến, quá trình phát triển kỹ thuật của tua-bin khí dẫn xuất hàng không đã trải qua giai đoạn khám phá công nghệ, giai đoạn phát triển công nghệ và giai đoạn ứng dụng chu trình tiên tiến, thực hiện việc phát triển tua-bin khí dẫn xuất hàng không từ sửa đổi đơn giản đến thiết kế tối ưu lõi động cơ hiệu suất cao, từ chu trình đơn giản đến ứng dụng chu trình phức tạp, từ việc kế thừa hệ thống thiết kế và hệ thống vật liệu chín muồi của động cơ hàng không đến thiết kế các bộ phận mới và ứng dụng vật liệu mới, điều này đã giúp mức độ thiết kế, hiệu suất, độ tin cậy và tuổi thọ của tua-bin khí dẫn xuất hàng không đạt được sự phát triển đáng kể.

Giai đoạn khám phá công nghệ

Năm 1943, tuabin khí dẫn xuất hàng không đầu tiên trên thế giới đã được phát triển thành công. Sau đó, Rolls-Royce, GE và Pratt & Whitney đã thiết kế lô tuabin khí dẫn xuất hàng không đầu tiên dựa trên việc sửa đổi động cơ máy bay chín chắn, bao gồm các tuabin khí Avon công nghiệp, Olympus công nghiệp, Spey, LM1500 và FT4. Ở giai đoạn này, công nghệ của tuabin khí dẫn xuất hàng không đang trong thời kỳ khám phá. Cấu trúc trực tiếp kế thừa lõi của động cơ máy bay, và công suất đầu ra được đạt được bằng cách trang bị một tuabin công suất phù hợp; hiệu suất tổng thể của máy không cao, và hiệu suất chu trình thường dưới 30%; nhiệt độ ban đầu trước tuabin nhỏ hơn 1000 ℃ , và tỷ lệ áp suất là 4 đến 10; máy nén nói chung là dưới tốc độ âm thanh; lưỡi cánh tuabin sử dụng công nghệ làm mát bằng không khí đơn giản; vật liệu được sử dụng là hợp kim chịu nhiệt ban đầu; hệ thống điều khiển thường sử dụng hệ thống điều chỉnh thủy lực cơ học hoặc điện tử tương tự.

Giai đoạn Phát triển Công nghệ

Với sự ứng dụng chín muồi của động cơ phản lực, các máy mẹ hiệu suất cao, độ tin cậy cao và công nghệ thiết kế tiên tiến đã được cung cấp cho sự phát triển nhanh chóng của tua-bin khí phái sinh từ hàng không. Đồng thời, nhu cầu về tua-bin khí phái sinh từ hàng không tiên tiến từ hải quân của Anh, Mỹ và các quốc gia khác cũng đã cung cấp một sân khấu ứng dụng rộng lớn, điều này đã giúp tua-bin khí phái sinh từ hàng không phát triển nhanh chóng và cải thiện đáng kể hiệu suất của chúng. Một loạt tua-bin khí phái sinh từ hàng không với hiệu suất tốt và độ tin cậy cao đã được ra mắt. Chẳng hạn như dòng LM2500, công nghiệp Trent, FT4000 và MT30, v.v., được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực động lực tàu thuyền, phát điện và các lĩnh vực khác.

Các thành phần đầu nóng của tua-bin khí dẫn xuất hàng không trong giai đoạn phát triển công nghệ thường sử dụng hợp kim siêu bền và lớp phủ bảo vệ để cải thiện khả năng chịu nhiệt, và áp dụng công nghệ làm mát bằng không khí tiên tiến và công nghệ đốt cháy ít ô nhiễm; nhiệt độ ban đầu trước tua-bin đạt 1400 ° C, công suất có thể đạt 40-50MW, hiệu suất nhiệt của đơn vị duy nhất vượt quá 40%, và hiệu suất chu trình kết hợp có thể đạt 60%; sử dụng hệ thống điều khiển điện tử số, và độ chính xác điều khiển cũng như hiệu suất điều khiển được cải thiện đáng kể.

Áp dụng các chu trình tiên tiến

Khi các yêu cầu về hiệu suất cao của tua-bin khí dẫn xuất, đặc biệt là tiêu thụ nhiên liệu, công suất đầu ra và các chỉ số khác tăng lên, tua-bin khí dẫn xuất chu kỳ tiên tiến đã được áp dụng rộng rãi trong thực tiễn kỹ thuật. Thêm một bộ làm mát giữa hoặc chu trình thu hồi nhiệt giữa dựa trên chu kỳ nhiệt của tua-bin khí có thể cải thiện đáng kể công suất đầu ra và hiệu suất ở điều kiện vận hành thấp của tua-bin khí dẫn xuất. Ví dụ, mức công suất của tua-bin khí LMS100 với hệ thống làm mát giữa đạt 100MW và hiệu suất lên tới 46%. Hiệu suất nhiệt của tua-bin khí WR21 với hệ thống làm mát giữa và thu hồi nhiệt ở điều kiện vận hành thấp cao hơn nhiều so với tua-bin khí chu trình đơn giản. Khi sử dụng làm động cơ tàu, nó cải thiện đáng kể nền kinh tế và bán kính chiến đấu của tàu.

Công suất đầu ra của tua-bin khí dẫn xuất chu kỳ tiên tiến sử dụng làm mát giữa hoặc chu trình thu hồi nhiệt làm mát giữa đã được tăng đáng kể, và hiệu suất nhiệt trong tất cả các điều kiện vận hành đã được cải thiện. Ví dụ, mức công suất có thể đạt 100MW, và hiệu suất nhiệt tại điểm thiết kế lên tới 46%; hiệu suất ở điều kiện hoạt động thấp đã được cải thiện đáng kể, Hiệu suất nhiệt có thể đạt 40% dưới tải 50%; làm mát giữa giảm công suất riêng của máy nén áp suất cao, và tỷ số áp suất thiết kế của toàn bộ máy có thể đạt hơn 40.

Mô hình phát triển công nghệ

Nhìn vào lịch sử phát triển, tua-bin khí dẫn xuất hàng không có các mô hình phát triển kỹ thuật như phát triển theo dòng họ, phát triển theo chuỗi, áp dụng công nghệ chu kỳ tiên tiến và ứng dụng chế độ chu kỳ kết hợp.

Phát triển theo dòng họ

Việc phát triển phả hệ là việc phát triển các tua-bin khí của nhiều loại và công suất khác nhau dựa trên cùng một động cơ máy bay, điều này hoàn toàn phản ánh đặc điểm của tua-bin khí dẫn xuất từ hàng không: "một máy làm nền tảng, phục vụ nhiều mục đích, tiết kiệm chu kỳ, giảm chi phí, phát sinh nhiều loại và tạo thành phổ sản phẩm."

Ví dụ với động cơ máy bay CF6-80C2, tua-bin khí LM6000 sử dụng trực tiếp động cơ lõi của CF6-80C2 và duy trì tính linh hoạt tối đa của tua-bin áp suất thấp; LMS100 kế thừa công nghệ động cơ lõi của CF6-80C2, kết hợp công nghệ tua-bin khí công nghiệp hạng nặng lớp F và công nghệ làm mát giữa giai đoạn, có công suất 100MW; MS9001G/H hoàn toàn áp dụng công nghệ chín muồi của động cơ máy bay CF6-80C2, và thông qua sự kết hợp với công nghệ tua-bin khí công nghiệp hạng nặng, nhiệt độ trước tua-bin được tăng từ 1287 ℃ của lớp F lên 1430 ℃ , và công suất đạt 282MW. Việc phát triển thành công ba loại tuabin khí đã giúp cho việc phát triển dựa trên hàng không của động cơ máy bay CF6-80C2 đạt được "một máy với nhiều loại, phát triển các loại và công suất tuabin khí khác nhau".

Phát triển loạt

Việc phát triển theo chuỗi là liên tục nâng cấp và cải tiến, cải thiện hiệu suất và giảm khí thải trên cơ sở một tuabin khí thành công, nhằm đạt được sự phát triển theo chuỗi của các tuabin khí phái sinh từ hàng không, trong đó dòng LM2500 là điển hình nhất, như Hình 2 cho thấy. Tuabin khí LM2500 sử dụng động cơ lõi của động cơ mẹ TF39/CF6-6, và thay thế turbin áp lực thấp của động cơ mẹ bằng turbin công suất; tuabin khí LM2500+ thêm một tầng trước máy nén của tuabin khí LM2500, nhằm tăng lưu lượng khí và công suất đầu ra; LM2500+G4 tăng lưu lượng khí turbin bằng cách cải tiến hình dạng cánh máy nén và tăng diện tích cổng turbin trên cơ sở LM2500+, nhằm đạt mục đích liên tục cải thiện công suất đầu ra. Cùng với sự phát triển theo chuỗi của LM2500, sản phẩm liên tục được nâng cấp và cải tiến, với dải công suất từ 20 đến 35MW, và số lượng thiết bị trên toàn thế giới vượt quá 1.000 đơn vị, khiến đây trở thành mô hình được sử dụng rộng rãi nhất cho đến nay.

Do khó khăn trong việc phát triển và sản xuất, việc phát triển theo chuỗi dựa trên tuabin khí thành công là một mô hình phát triển kỹ thuật quan trọng cho tuabin khí dẫn xuất từ hàng không, đó là liên tục nâng cấp và cải tiến, cải thiện hiệu suất và giảm phát thải. Việc phát triển theo chuỗi của tuabin khí dẫn xuất từ hàng không tương tự như việc phát triển dòng họ, không chỉ có thể rút ngắn chu kỳ phát triển mà còn đảm bảo độ tin cậy và tính tiên tiến tốt hơn, và giảm đáng kể chi phí thiết kế, phát triển, thử nghiệm và sản xuất.

Hiệu quả

Mục tiêu cải thiện hiệu suất là liên tục nâng cao hiệu suất của toàn bộ máy, đặc biệt là công suất đầu ra của toàn bộ máy và hiệu suất nhiệt dưới mọi điều kiện hoạt động. Các cách chính như sau.

Một là ứng dụng của các chu trình tiên tiến. Việc áp dụng các chu trình tiên tiến có thể liên tục cải thiện hiệu suất của tua-bin khí dẫn xuất hàng không, chẳng hạn như chu trình tái nhiệt, chu trình tái tiêm hơi nước, chu trình hóa hồi nhiệt, chu trình không khí ướt, chu trình tua-bin khí ướt nối tiếp tiên tiến và chu trình Kalina, v.v. Sau khi áp dụng chu trình tiên tiến, không chỉ hiệu suất của tổ hợp tua-bin khí dẫn xuất hàng không được cải thiện, mà công suất và hiệu suất nhiệt của toàn bộ tổ hợp cũng sẽ được nâng cao đáng kể, đồng thời lượng phát thải oxit nitơ sẽ giảm đáng kể.

Thứ hai là thiết kế thành phần hiệu suất cao. Thiết kế thành phần hiệu suất cao tập trung vào thiết kế máy nén hiệu suất cao và thiết kế tuabin hiệu suất cao. Thiết kế máy nén hiệu suất cao sẽ tiếp tục vượt qua những khó khăn kỹ thuật về tốc độ cao và hiệu suất cao, cũng như tốc độ thấp và giới hạn rung động cao mà máy nén phải đối mặt. Như Hình 3 cho thấy, thiết kế tuabin sẽ tiếp tục phát triển theo hướng hiệu suất cao, khả năng chịu nhiệt cao và tuổi thọ dài.

Thứ ba là thiết kế của hệ thống khí hiệu quả. Các hướng phát triển kỹ thuật của hệ thống khí hiệu quả bao gồm việc phát triển các công nghệ niêm phong hiệu quả, chống rò rỉ và chịu mài mòn cao, chẳng hạn như công nghệ niêm phong tổ ong, niêm phong lá mỏng, niêm phong chổi và niêm phong kết hợp; các công nghệ thiết kế giảm lực cản hiệu quả để cải thiện hiệu suất dòng khí, chẳng hạn như thiết kế giảm lực cản xoáy ngược và thiết kế dòng chảy hiệu quả có thể kiểm soát; các công nghệ thiết kế trước xoáy tiên tiến để tiếp tục cải thiện hiệu suất trước xoáy, chẳng hạn như thiết kế lỗ trước xoáy động lực học và thiết kế lỗ trước xoáy dạng bậc thang; cũng như các phương pháp phân tích lượng hóa sự không chắc chắn có thể cải thiện độ bền vững và độ tin cậy của hệ thống khí, v.v.

Phần kết luận

Turbine khí phái sinh từ động cơ phản lực được sử dụng rộng rãi trong nguồn năng lượng tàu thuyền, điện, truyền động cơ học, giàn khoan dầu ngoài khơi, năng lượng phân tán và sức mạnh của xe tăng, nhờ vào dải công suất rộng, hiệu suất nhiệt cao, khả năng điều khiển tốt, tuổi thọ dài và độ tin cậy cao. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ động cơ hàng không và việc áp dụng liên tục các thiết kế và công nghệ mới, turbine khí phái sinh từ động cơ phản lực sẽ phát triển nhanh chóng theo hướng hiệu quả cao, giảm thiểu carbon, chất lượng mới và trí tuệ số hóa. Công nghệ thiết kế và sản xuất của turbine khí phái sinh từ động cơ phản lực cũng sẽ đạt được những tiến bộ lớn, dần dần cải thiện về mặt kinh tế, giảm phát thải ô nhiễm, độ tin cậy và khả năng bảo trì, và triển vọng ứng dụng chắc chắn sẽ rộng mở hơn.