Afectate de factori politici, militari și economici, dezvoltarea tehnologiei motoarelor aeronavelor este mai rapidă decât cea a turbinelor cu gaz. Turbinele cu gaz și motoarele de aeronave au o gamă largă de caracteristici tehnice comune și pot fi împărtășite în sistemele de proiectare, sistemele de producție, sistemele de talent și sistemele de testare. Prin urmare, pe baza cererii uriașe de pe piață și a avantajelor evidente de aplicare ale turbinelor cu gaz, a devenit un consens în industrie să dezvolte turbine cu gaz bazate pe motoare de aeronave mature de înaltă performanță și tehnologii industriale avansate și metode de proiectare. Există două moduri de a transfera tehnologia motoarelor de aeronave la turbinele cu gaz, așa cum se arată în Figura 1: una este de a modifica direct și de a deriva motoare de aeronave mature pentru a forma turbine cu gaz derivate din aeronavă; celălalt este de a transplanta tehnologia motoarelor de aeronave la turbine cu gaz de mare capacitate și de a cerceta și de a dezvolta o nouă generație de turbine de gaz pentru sarcini grele.
Istoricul dezvoltării turbinelor cu gaz aeroderivate
Odată cu dezvoltarea tehnologiei motoarelor de aviație și aplicarea tehnologiei ciclului avansat, procesul de dezvoltare tehnică a turbinelor cu gaz aero-derivate a trecut prin etapa de explorare a tehnologiei, etapa de dezvoltare a tehnologiei și etapa de aplicare a ciclului avansat, realizând dezvoltarea aero-derivate. turbine cu gaz de la modificarea simplă la proiectarea de optimizare a motorului de bază de înaltă performanță, de la ciclul simplu la aplicarea cu ciclu complex, de la moștenirea sistemului de proiectare matur și a sistemului de materiale ale motoarelor de aviație până la proiectarea de noi componente și aplicație de noi materiale, ceea ce a permis ca nivelul de proiectare, performanța, fiabilitatea și durata de viață a turbinelor cu gaz aero-derivate să atingă o dezvoltare considerabilă.
Etapa de explorare a tehnologiei
În 1943, prima turbină cu gaz aero-derivată din lume a fost dezvoltată cu succes. După aceea, Rolls-Royce, GE și Pratt & Whitney au proiectat primul lot de turbine cu gaz aero-derivate bazate pe modificări mature ale motoarelor de aeronave, inclusiv Avon industrial, Olympus industrial, turbine cu gaz Spey, LM1500 și FT4. În această etapă, tehnologia turbinelor cu gaz aeroderivate era în perioada exploratorie. Structura a moștenit direct miezul motorului aeronavei, iar puterea de ieșire a fost obținută prin echiparea unei turbine de putere adecvate; performanța generală a mașinii nu a fost ridicată, iar eficiența ciclului a fost în general mai mică de 30%; temperatura inițială înainte de turbină a fost mai mică de 1000 de grade, iar raportul de presiune a fost de 4 la 10; compresorul era în general subsonic; paletele turbinei au folosit tehnologie simplă de răcire cu aer; materialul folosit a fost aliajul inițial la temperatură înaltă; sistemul de control folosea în general un sistem de reglare mecanic hidraulic sau electronic analogic.
Etapa de dezvoltare a tehnologiei
Odată cu aplicarea matură a motoarelor aeriene, au fost furnizate mașini de bază de înaltă performanță, de înaltă fiabilitate și tehnologii avansate de proiectare pentru dezvoltarea rapidă a turbinelor cu gaz aeroderivate. În același timp, cererea de turbine cu gaz aeroderivate avansate din partea marinelor din Regatul Unit, Statele Unite și alte țări a oferit, de asemenea, o etapă largă de aplicare, care a permis turbinelor cu gaz aeroderivate să se dezvolte rapid și să-și îmbunătățească semnificativ performanța. Au fost lansate o serie de turbine cu gaz aeroderivate cu performanțe bune și fiabilitate ridicată. . Cum ar fi seria LM2500, Trent industrial, FT4000 și MT30 etc., sunt utilizate pe scară largă în energia navelor, generarea de energie și în alte domenii.
Componentele terminale fierbinți ale turbinelor cu gaz aero-derivate în stadiul de dezvoltare tehnologică folosesc în general super aliaje și acoperiri de protecție pentru a îmbunătăți rezistența la temperatură și aplică tehnologie avansată de răcire cu aer și tehnologie de ardere cu poluare scăzută; temperatura inițială înainte ca turbina să atingă 1400 de grade, puterea poate atinge 40-50MW, eficiența termică a unei singure unități depășește 40%, iar randamentul ciclului combinat poate ajunge la 60%; se folosește un sistem de control electronic digital, iar precizia și performanța controlului sunt îmbunătățite semnificativ.
Aplicați cicluri avansate
Pe măsură ce cerințele de înaltă performanță ale turbinelor cu gaz aeroderivate, în special consumul de combustibil, puterea de ieșire și alți indicatori, cresc, turbinele cu gaz aeroderivate cu ciclu avansat au câștigat o practică inginerească pe scară largă. Adăugarea unui ciclu de recuperare a căldurii interrăcire sau interrăcire pe baza ciclului termic al turbinei cu gaz poate îmbunătăți semnificativ puterea de ieșire și performanța scăzută a condițiilor de funcționare a turbinei cu gaz aeroderivate. De exemplu, nivelul de putere al turbinei cu gaz intercooler LMS100 ajunge la 100 MW și eficiența este de până la 46%. Eficiența termică a turbinei cu gaz de recuperare inter-răcire WR21 în condiții scăzute de funcționare este mult mai mare decât cea a unei turbine cu gaz cu ciclu simplu. Ca putere a navei, îmbunătățește considerabil economia navei și raza de luptă.
Puterea de ieșire a turbinelor cu gaz aeroderivate cu ciclu avansat care utilizează cicluri de intercooling sau de recuperare a căldurii cu intercooler a fost mult crescută, iar eficiența termică în toate condițiile de funcționare a fost îmbunătățită. De exemplu, nivelul de putere poate ajunge la 100 MW, iar eficiența termică la punctul de proiectare este de până la 46%; performanța scăzută a condițiilor de funcționare a fost îmbunătățită semnificativ, eficiența termică poate ajunge la 40% sub sarcină de 50%; Intercooling reduce puterea specifică a compresorului de înaltă presiune, iar raportul de presiune de proiectare al întregii mașini poate ajunge la mai mult de 40.
Model de dezvoltare a tehnologiei
Privind istoria dezvoltării, turbinele cu gaz aero-derivate au modele de dezvoltare tehnică, cum ar fi dezvoltarea pedigree, dezvoltarea în serie, adoptarea tehnologiei ciclului avansat și aplicarea modului de ciclu combinat.
Dezvoltarea genealogică
Dezvoltarea genealogică este dezvoltarea turbinelor cu gaz de diferite tipuri și niveluri de putere bazate pe același motor de aeronavă, care reflectă pe deplin caracteristicile turbinelor cu gaz derivate din aviație: „o singură mașină ca bază, îndeplinind utilizări multiple, economisind cicluri, reducând costurile, derivând mai multe tipuri și formând un spectru.”
Luând ca exemplu motorul de avion CF6-80C2, turbina cu gaz LM6000 utilizează direct motorul central al CF{6-80C2 și menține versatilitatea maximă a turbinei de joasă presiune; LMS100 moștenește tehnologia motorului de bază a CF6-80C2, combină tehnologia turbinelor cu gaz de clasa F și tehnologia de intercooling și are o putere de 100MW; MS9001G/H adoptă pe deplin tehnologia matură a motorului de aeronave CF6-80C2, iar prin combinația cu tehnologia turbinei cu gaz pentru sarcini grele, temperatura înaintea turbinei crește de la 1287 de grade din clasa F la 1430 de grade, iar puterea ajunge la 282 MW. Dezvoltarea cu succes a celor trei tipuri de turbine cu gaz a permis dezvoltarea pe bază de aviație a motorului de avion CF6-80C2 pentru a obține „o singură mașină cu mai multe tipuri, care dezvoltă turbine cu gaz de diferite tipuri și puteri”.
Dezvoltarea seriei
Dezvoltarea în serie este de a actualiza și îmbunătăți continuu, îmbunătăți performanța și reduce emisiile pe baza unei turbine cu gaz de succes, astfel încât să se realizeze dezvoltarea în serie a turbinelor cu gaz aero-derivate, dintre care seria LM2500 este cea mai tipică, după cum se arată. în Figura 2. Turbina cu gaz LM2500 utilizează motorul central al motorului de bază TF39/CF6-6 și modifică turbina de joasă presiune a motorul de bază la o turbină de putere; turbina cu gaz LM2500+ adaugă o treaptă în fața compresorului turbinei cu gaz LM2500, astfel încât să îmbunătățească debitul masei de aer și puterea de ieșire; LM2500+G4 mărește debitul de aer al turbinei cu gaz prin îmbunătățirea profilului paletei compresorului și creșterea zonei gâtului turbinei pe baza LM2500+, astfel încât să se atingă scopul de a îmbunătăți continuu randamentul putere. Odată cu dezvoltarea în serie a LM2500, produsul este îmbunătățit și îmbunătățit continuu, cu o gamă de putere de la 20 la 35 MW, iar numărul de echipamente la nivel mondial depășește 1,000 unități, făcându-l cel mai utilizat model până în prezent. .
Datorită dificultății de dezvoltare și producție, dezvoltarea în serie bazată pe turbina cu gaz de succes este un model important de dezvoltare tehnică pentru turbinele cu gaz aero-derivate, care urmează să actualizeze și să îmbunătățească continuu, să îmbunătățească performanța și să reducă emisiile. Dezvoltarea în serie a turbinelor cu gaz aero-derivate este similară cu dezvoltarea pedigree, care nu numai că poate scurta ciclul de dezvoltare, dar poate asigura și o mai bună fiabilitate și avansare și poate reduce semnificativ costurile de proiectare, dezvoltare, testare și producție.
Eficienţă
Scopul îmbunătățirii eficienței este de a îmbunătăți continuu performanța întregii mașini, în special puterea de ieșire a întregii mașini și eficiența termică în toate condițiile de funcționare. Principalele căi sunt următoarele.
Una este aplicarea ciclurilor avansate. Aplicarea ciclurilor avansate poate îmbunătăți continuu performanța turbinelor cu gaz aeroderivate, cum ar fi ciclul de reîncălzire, ciclul de reinjecție a aburului, ciclul de recuperare chimică, ciclul de aer umed, ciclul avansat de turbină cu aer umed în serie și ciclul Kalina etc. După aplicarea ciclului avansat, nu numai performanța unității de turbină cu gaz aeroderivată va fi îmbunătățită, dar puterea și eficiența termică a întregii unități vor fi, de asemenea, îmbunătățite semnificativ, iar oxidul de azot emisiile vor fi reduse semnificativ.
Al doilea este proiectarea componentelor de înaltă eficiență. Proiectarea componentelor de înaltă eficiență se concentrează pe proiectarea compresorului de înaltă eficiență și pe proiectarea turbinei de înaltă eficiență. Designul compresorului de înaltă eficiență va continua să depășească dificultățile tehnice de viteză mare și eficiență ridicată și limita de viteză mică și supratensiune mare cu care se confruntă compresoarele. După cum se arată în Figura 3, proiectarea turbinelor va continua să se dezvolte în direcția eficienței ridicate, rezistenței la temperaturi ridicate și duratei lungi de viață.
