Afectat per factors polítics, militars i econòmics, el desenvolupament de la tecnologia dels motors d'avions és més ràpid que el de les turbines de gas. Les turbines de gas i els motors d'avions tenen una àmplia gamma de punts en comú tècnics i es poden compartir en sistemes de disseny, sistemes de fabricació, sistemes de talent i sistemes de prova. Per tant, a partir de l'enorme demanda del mercat i dels avantatges evidents d'aplicació de les turbines de gas, s'ha convertit en un consens de la indústria per desenvolupar turbines de gas basades en motors d'avions madurs i d'alt rendiment i tecnologies industrials avançades i mètodes de disseny. Hi ha dues maneres de transferir la tecnologia dels motors d'avions a les turbines de gas, tal com es mostra a la figura 1: una és modificar directament i derivar motors d'avions madurs per formar turbines de gas aeroderivades; l'altra és trasplantar la tecnologia del motor d'avions a turbines de gas de gran resistència i investigar i desenvolupar una nova generació de turbines de gas de gran resistència.
Història del desenvolupament de les turbines de gas aeroderivades
Juntament amb el desenvolupament de la tecnologia del motor d'aviació i l'aplicació de la tecnologia de cicle avançat, el procés de desenvolupament tècnic de les turbines de gas aeroderivades ha passat per l'etapa d'exploració tecnològica, l'etapa de desenvolupament tecnològic i l'etapa d'aplicació de cicle avançat, aconseguint el desenvolupament de les aeroderivades. turbines de gas des de la modificació simple fins al disseny d'optimització de motors bàsics d'alt rendiment, des de l'aplicació de cicle simple fins a l'aplicació de cicle complex, des de l'herència del sistema de disseny madur i el sistema de materials dels motors d'aviació fins al disseny de nous components i l'aplicació de nous materials, que ha permès que el nivell de disseny, rendiment, fiabilitat i vida útil de les turbines de gas aeroderivades assoleixi un desenvolupament considerable.
Etapa d'exploració tecnològica
El 1943 es va desenvolupar amb èxit la primera turbina de gas aeroderivada del món. Després d'això, Rolls-Royce, GE i Pratt & Whitney van dissenyar el primer lot de turbines de gas aeroderivades basades en modificacions madures del motor d'avions, incloent Avon industrial, Olympus industrial, turbines de gas Spey, LM1500 i FT4. En aquesta etapa, la tecnologia de les turbines de gas aeroderivades es trobava en el període exploratori. L'estructura heretava directament el nucli del motor de l'avió, i la potència de sortida s'aconseguia equipant una turbina de potència adequada; el rendiment global de la màquina no era alt i l'eficiència del cicle generalment era inferior al 30%; la temperatura inicial abans de la turbina era inferior a 1000 graus i la relació de pressió era de 4 a 10; el compressor era generalment subsònic; les pales de la turbina utilitzaven tecnologia de refrigeració per aire senzilla; el material utilitzat va ser l'aliatge inicial d'alta temperatura; el sistema de control utilitzava generalment un sistema d'ajust mecànic hidràulic o electrònic analògic.
Etapa de desenvolupament tecnològic
Amb l'aplicació madura dels motors d'aeromotors, s'han proporcionat màquines matrius d'alt rendiment i alta fiabilitat i tecnologies de disseny avançades per al ràpid desenvolupament de turbines de gas aeroderivades. Al mateix temps, la demanda de turbines de gas aeroderivades avançades per part de les marines del Regne Unit, els Estats Units i altres països també ha proporcionat una àmplia etapa d'aplicació, que ha permès que les turbines de gas aeroderivades es desenvolupin ràpidament i millorin significativament el seu rendiment. S'han llançat una sèrie de turbines de gas aeroderivades amb bon rendiment i alta fiabilitat. . Com la sèrie LM2500, Trent industrial, FT4000 i MT30, etc., s'utilitzen àmpliament en l'energia dels vaixells, la generació d'energia i altres camps.
Els components d'extrem calent de les turbines de gas aeroderivades en l'etapa de desenvolupament tecnològic generalment utilitzen superaliatges i recobriments protectors per millorar la resistència a la temperatura i apliquen tecnologia avançada de refrigeració d'aire i tecnologia de combustió de baixa contaminació; la temperatura inicial abans que la turbina arribi als 1400 graus, la potència pot arribar a 40-50MW, l'eficiència tèrmica d'una sola unitat supera el 40% i l'eficiència del cicle combinat pot arribar al 60%; s'utilitza un sistema de control electrònic digital i la precisió del control i el rendiment del control es milloren significativament.
Aplicar cicles avançats
A mesura que augmenten els requisits d'alt rendiment de les turbines de gas aeroderivades, especialment el consum de combustible, la potència de sortida i altres indicadors, les turbines de gas aeroderivades de cicle avançat han guanyat una pràctica generalitzada d'enginyeria. L'addició d'un cicle de recuperació de calor intercooling o intercooler basat en el cicle tèrmic de la turbina de gas pot millorar significativament la potència de sortida i el rendiment de les condicions de funcionament baixes de la turbina de gas aeroderivada. Per exemple, el nivell de potència de la turbina de gas intercooled LMS100 arriba als 100 MW i l'eficiència és tan alta com el 46%. L'eficiència tèrmica de la turbina de gas de recuperació d'interrefrigeració WR21 en condicions de funcionament baixes és molt superior a la d'una turbina de gas de cicle simple. Com a potència del vaixell, millora molt l'economia del vaixell i el radi de combat.
La potència de sortida de les turbines de gas aeroderivades de cicle avançat que utilitzen cicles de recuperació de calor intercooler o intercooler s'ha augmentat molt i s'ha millorat l'eficiència tèrmica en totes les condicions de funcionament. Per exemple, el nivell de potència pot arribar als 100 MW i l'eficiència tèrmica al punt de disseny és de fins al 46%; el rendiment de les condicions de funcionament baix s'ha millorat significativament, l'eficiència tèrmica pot arribar al 40% amb una càrrega del 50%; L'intercooling redueix la potència específica del compressor d'alta pressió i la relació de pressió de disseny de tota la màquina pot arribar a més de 40.
Model de desenvolupament tecnològic
Tenint en compte la història del desenvolupament, les turbines de gas aeroderivades tenen models de desenvolupament tècnic com ara el desenvolupament de pedigrí, el desenvolupament en sèrie, l'adopció de tecnologia de cicle avançat i l'aplicació del mode de cicle combinat.
Desenvolupament genealògic
El desenvolupament genealògic és el desenvolupament de turbines de gas de diferents tipus i nivells de potència basats en el mateix motor d'avió, que reflecteix plenament les característiques de les turbines de gas derivades de l'aviació: "una màquina com a base, satisfer múltiples usos, estalviar cicles, reduir costos, derivant múltiples tipus i formant un espectre".
Prenent com a exemple el motor d'avió CF6-80C2, la turbina de gas LM6000 utilitza directament el motor central del CF6-80C2 i manté la màxima versatilitat de la turbina de baixa pressió; el LMS100 hereta la tecnologia bàsica del motor del CF6-80C2, combina la tecnologia de turbina de gas de classe F i la tecnologia d'intercooling, i té una potència de 100 MW; el MS9001G/H adopta totalment la tecnologia madura del motor d'avió CF6-80C2 i, mitjançant la combinació amb la tecnologia de turbina de gas de gran resistència, la temperatura abans de la turbina augmenta de 1287 graus de la classe F a 1430 graus i la potència arriba als 282 MW. El desenvolupament reeixit dels tres tipus de turbines de gas ha permès que el desenvolupament basat en l'aviació del motor d'avió CF6-80C2 aconsegueixi "una màquina amb diversos tipus, desenvolupant turbines de gas de diferents tipus i potències".
Desenvolupament de la sèrie
El desenvolupament en sèrie és actualitzar i millorar contínuament, millorar el rendiment i reduir les emissions sobre la base d'una turbina de gas d'èxit, per aconseguir el desenvolupament en sèrie de turbines de gas aeroderivades, entre les quals la sèrie LM2500 és la més típica, com es mostra. a la figura 2. La turbina de gas LM2500 utilitza el motor central del motor principal TF39/CF6-6, i canvia la turbina de baixa pressió del motor principal a una turbina de potència; la turbina de gas LM2500+ afegeix una etapa davant del compressor de la turbina de gas LM2500, per tal de millorar el flux de massa d'aire i la potència de sortida; el LM2500+G4 augmenta el cabal d'aire de la turbina de gas millorant el perfil de la paleta del compressor i augmentant l'àrea de la gola de la turbina sobre la base del LM2500+, per tal d'aconseguir el propòsit de millorar contínuament la sortida poder. Amb el desenvolupament en sèrie de l'LM2500, el producte s'actualitza i millora contínuament, amb un rang de potència de 20 a 35 MW, i el nombre d'equips a tot el món supera les 1,000 unitats, el que el converteix en el model més utilitzat fins ara. .
A causa de la dificultat de desenvolupament i producció, el desenvolupament en sèrie basat en l'èxit de la turbina de gas és un model de desenvolupament tècnic important per a les turbines de gas aeroderivades, que consisteix a actualitzar i millorar contínuament, millorar el rendiment i reduir les emissions. El desenvolupament en sèrie de les turbines de gas aeroderivades és similar al desenvolupament del pedigrí, que no només pot escurçar el cicle de desenvolupament, sinó que també pot garantir una millor fiabilitat i progrés, i reduir significativament els costos de disseny, desenvolupament, proves i fabricació.
Eficiència
L'objectiu de la millora de l'eficiència és millorar contínuament el rendiment de tota la màquina, especialment la potència de sortida de tota la màquina i l'eficiència tèrmica en totes les condicions de funcionament. Les vies principals són les següents.
Una és l'aplicació de cicles avançats. L'aplicació de cicles avançats pot millorar contínuament el rendiment de les turbines de gas aeroderivades, com ara cicle de reescalfament, cicle de reinjecció de vapor, cicle de recuperació química, cicle d'aire humit, cicle avançat de turbina d'aire humit sèrie i cicle Kalina, etc. Després d'aplicar el cicle avançat, no només es millorarà el rendiment de la unitat de turbina de gas aeroderivada, sinó que també es millorarà significativament la potència i l'eficiència tèrmica de tota la unitat i l'òxid de nitrogen les emissions es reduiran significativament.
El segon és el disseny de components d'alta eficiència. El disseny de components d'alta eficiència se centra en el disseny del compressor d'alta eficiència i el disseny de la turbina d'alta eficiència. El disseny del compressor d'alta eficiència continuarà superant les dificultats tècniques de l'alta velocitat i l'alta eficiència i el límit de baixa velocitat i gran sobretensió que enfronten els compressors. Com es mostra a la figura 3, el disseny de les turbines continuarà desenvolupant-se en la direcció d'alta eficiència, resistència a altes temperatures i llarga vida.
