Pod uticajem političkih, vojnih i ekonomskih faktora, razvoj tehnologije avionskih motora je brži od razvoja gasnih turbina. Plinske turbine i motori aviona imaju širok spektar tehničkih zajedničkih karakteristika i mogu se koristiti u sistemima dizajna, proizvodnim sistemima, talent sistemima i sistemima za testiranje. Stoga, na osnovu ogromne potražnje tržišta i očiglednih prednosti primjene plinskih turbina, postao je industrijski konsenzus za razvoj plinskih turbina zasnovanih na visokim performansama, zrelim avionskim motorima i naprednim industrijskim tehnologijama i metodama dizajna. Postoje dva načina da se tehnologija avionskih motora prenese na gasne turbine, kao što je prikazano na slici 1: jedan je da se direktno modifikuju i izvedu zreli motori aviona da bi se formirale aero-derivativne gasne turbine; drugi je transplantacija tehnologije avionskih motora na gasne turbine za teške uslove rada i istraživanje i razvoj nove generacije gasnih turbina za teške uslove rada.
Istorija razvoja aero-derivativnih gasnih turbina
Uporedo sa razvojem tehnologije avionskih motora i primenom napredne tehnologije ciklusa, proces tehničkog razvoja aero-derivativnih gasnih turbina prošao je kroz fazu istraživanja tehnologije, fazu razvoja tehnologije i fazu primene naprednog ciklusa, realizujući razvoj aero-derivacije. plinske turbine od jednostavne modifikacije do dizajna optimizacije jezgra visokih performansi, od jednostavnog ciklusa do primjene složenog ciklusa, od nasljeđivanja zrelog sistema dizajna i sistema materijala avionskih motora do projektovanje novih komponenti i primena novih materijala, što je omogućilo da nivo dizajna, performanse, pouzdanost i životni vek aero-derivativnih gasnih turbina dostigne značajan razvoj.
Faza istraživanja tehnologije
Godine 1943. uspješno je razvijena prva svjetska aero-derivatna plinska turbina. Nakon toga, Rolls-Royce, GE i Pratt & Whitney dizajnirali su prvu seriju aero-deriviranih plinskih turbina zasnovanih na zrelim modifikacijama motora aviona, uključujući industrijski Avon, industrijski Olympus, Spey plinske turbine, LM1500 i FT4. U ovoj fazi, tehnologija aero-derivativnih gasnih turbina je bila u istražnom periodu. Struktura je direktno naslijedila jezgro avionskog motora, a izlazna snaga je postignuta opremanjem odgovarajuće turbine snage; ukupne performanse mašine nisu bile visoke, a efikasnost ciklusa je generalno bila manja od 30%; početna temperatura pre turbine bila je manja od 1000 stepeni, a odnos pritisaka je bio 4 prema 10; kompresor je generalno bio podzvučan; lopatice turbine koristile su jednostavnu tehnologiju hlađenja zraka; korišteni materijal je početna legura visoke temperature; kontrolni sistem je uglavnom koristio mehanički hidraulički ili analogni elektronski sistem podešavanja.
Faza razvoja tehnologije
Sa zrelom primjenom aeromotora, za brzi razvoj aeroderivnih plinskih turbina osigurane su matične mašine visokih performansi i visoke pouzdanosti i napredne tehnologije dizajna. U isto vrijeme, potražnja za naprednim aeroderivativnim plinskim turbinama od strane mornarica Ujedinjenog Kraljevstva, Sjedinjenih Država i drugih zemalja također je omogućila široku fazu primjene, što je omogućilo aeroderivnim plinskim turbinama da se brzo razviju i značajno poboljšaju svoje performanse. Lansiran je niz aeroderivnih gasnih turbina sa dobrim performansama i visokom pouzdanošću. . Kao što je serija LM2500, industrijski Trent, FT4000 i MT30, itd., široko se koriste u brodskoj energiji, proizvodnji električne energije i drugim poljima.
Vruće komponente aero-derivativnih plinskih turbina u fazi tehnološkog razvoja općenito koriste super legure i zaštitne premaze za poboljšanje temperaturne otpornosti i primjenjuju naprednu tehnologiju hlađenja zraka i tehnologiju sagorijevanja niskog zagađenja; početna temperatura prije nego što turbina dostigne 1400 stepeni, snaga može dostići 40-50MW, termička efikasnost jedne jedinice prelazi 40%, a efikasnost kombinovanog ciklusa može doseći 60%; koristi se digitalni elektronski sistem upravljanja, a preciznost upravljanja i performanse upravljanja su značajno poboljšane.
Primijenite napredne cikluse
Kako se povećavaju zahtjevi za visokim performansama aeroderivnih plinskih turbina, posebno potrošnja goriva, izlazna snaga i drugi pokazatelji, napredne aeroderivacijske plinske turbine su dobile široku inženjersku praksu. Dodavanje ciklusa međuhlađenja ili međuhlađenog povrata toplote na osnovu termičkog ciklusa gasne turbine može značajno poboljšati izlaznu snagu i performanse niskih radnih uslova aeroderivativne gasne turbine. Na primjer, nivo snage LMS100 intercooled gasne turbine dostiže 100MW, a efikasnost je čak 46%. Toplinska efikasnost rekuperacione gasne turbine WR21 sa međuhlađenjem pri niskim radnim uslovima je mnogo veća od one kod gasne turbine jednostavnog ciklusa. Kao brodska snaga, značajno poboljšava ekonomičnost broda i borbeni radijus.
Izlazna snaga aeroderivnih gasnih turbina sa naprednim ciklusom koji koriste međuhlađenje ili međuhlađene cikluse povrata toplote je znatno povećana, a termička efikasnost u svim radnim uslovima je poboljšana. Na primjer, nivo snage može doseći 100MW, a termička efikasnost u projektnoj tački je čak 46%; performanse u niskim radnim uslovima su značajno poboljšane, termička efikasnost može doseći 40% pod opterećenjem od 50%; međuhlađenje smanjuje specifičnu snagu kompresora visokog pritiska, a projektni omjer tlaka cijele mašine može doseći više od 40.
Model razvoja tehnologije
Gledajući istoriju razvoja, aero-derivativne gasne turbine imaju tehničke modele razvoja kao što su razvoj pedigrea, serijski razvoj, usvajanje napredne tehnologije ciklusa i primena režima kombinovanog ciklusa.
Genealoški razvoj
Genealoški razvoj je razvoj gasnih turbina različitih tipova i nivoa snage zasnovanih na istom avionskom motoru, koji u potpunosti odražava karakteristike gasnih turbina vazduhoplovnog porekla: „jedna mašina kao osnova, ispunjava višestruke upotrebe, štedi cikluse, smanjuje troškove, izvođenje više tipova i formiranje spektra."
Uzimajući CF6-80C2 avionski motor kao primjer, gasna turbina LM6000 direktno koristi jezgro motora CF6-80C2 i održava maksimalnu svestranost turbine niskog pritiska; LMS100 nasljeđuje osnovnu tehnologiju motora CF6-80C2, kombinuje tehnologiju gasnih turbina za teške uslove rada F i tehnologiju međuhlađenja i ima snagu od 100 MW; MS9001G/H u potpunosti usvaja zrelu tehnologiju CF6-80C2 avionskog motora, a kroz kombinaciju sa tehnologijom gasnih turbina za teške uslove rada, temperatura prije turbine se povećava sa 1287 stepeni F-klase na 1430 stepeni, a snaga dostiže 282MW. Uspješan razvoj tri tipa gasnih turbina omogućio je razvoj avionskog motora CF{{21}C2 baziran na avijaciji da postigne "jednu mašinu sa više tipova, razvijajući gasne turbine različitih tipova i snaga".
Razvoj serije
Serijski razvoj je kontinuirana nadogradnja i poboljšanje, poboljšanje performansi i smanjenje emisija na bazi uspješne plinske turbine, kako bi se postigao serijski razvoj aero-derivativnih plinskih turbina, među kojima je najtipičnija serija LM2500, kao što je prikazano. na slici 2. Plinska turbina LM2500 koristi jezgro matičnog motora TF39/CF6-6 i mijenja niski pritisak turbina matičnog motora na energetsku turbinu; gasna turbina LM2500+ dodaje jedan stepen ispred kompresora gasne turbine LM2500, kako bi se poboljšao protok vazdušne mase i izlazna snaga; LM2500+G4 povećava protok vazduha gasne turbine poboljšavajući profil lopatice kompresora i povećavajući površinu grla turbine na osnovu LM2500+, kako bi se postigla svrha kontinuiranog poboljšanja izlazne snage moć. Sa serijskim razvojem LM2500, proizvod se kontinuirano nadograđuje i poboljšava, sa rasponom snage od 20 do 35MW, a broj opreme širom svijeta prelazi 1,000 jedinica, što ga čini najraširenijim modelom do danas .
Zbog težine razvoja i proizvodnje, serijski razvoj zasnovan na uspješnoj plinskoj turbini važan je tehnički razvojni model za aero-derivativne plinske turbine, koji se sastoji od kontinuirane nadogradnje i poboljšanja, poboljšanja performansi i smanjenja emisija. Serijski razvoj aero-derivativnih gasnih turbina je sličan razvoju pedigrea, koji ne samo da može skratiti razvojni ciklus, već i osigurati bolju pouzdanost i napredak, te značajno smanjiti troškove dizajna, razvoja, testiranja i proizvodnje.
Efikasnost
Cilj poboljšanja efikasnosti je kontinuirano poboljšanje performansi cijele mašine, posebno izlazne snage cijele mašine i termičke efikasnosti u svim radnim uslovima. Glavni načini su sljedeći.
Jedna je primjena naprednih ciklusa. Primjena naprednih ciklusa može kontinuirano poboljšati performanse aeroderivativnih plinskih turbina, kao što su ciklus ponovnog zagrijavanja, ciklus ponovnog ubrizgavanja pare, ciklus hemijske rekuperacije, ciklus vlažnog zraka, ciklus naprednih turbina s vlažnim zrakom i ciklus Kalina, itd. Nakon primjene naprednog ciklusa, ne samo da će se poboljšati performanse aeroderivnog gasnoturbinskog agregata, već će se značajno poboljšati i energetska i termička efikasnost cijele jedinice, i emisije dušikovih oksida bit će značajno smanjene.
Drugi je dizajn komponenti visoke efikasnosti. Dizajn komponenti visoke efikasnosti fokusira se na dizajn kompresora visoke efikasnosti i dizajn turbine visoke efikasnosti. Dizajn kompresora visoke efikasnosti nastavit će prevladavati tehničke poteškoće velike brzine i visoke efikasnosti i niske brzine i visoke granice prenapona s kojima se suočavaju kompresori. Kao što je prikazano na slici 3, dizajn turbina će nastaviti da se razvija u pravcu visoke efikasnosti, otpornosti na visoke temperature i dugog veka trajanja.
