Påvirket av politiske, militære og økonomiske faktorer er utviklingen av flymotorteknologi raskere enn gassturbiner. Gassturbiner og flymotorer har et bredt spekter av tekniske fellestrekk, og kan deles i designsystemer, produksjonssystemer, talentsystemer og testsystemer. Derfor, basert på den enorme markedsetterspørselen og åpenbare bruksfordelene til gassturbiner, har det blitt en bransjekonsensus å utvikle gassturbiner basert på høyytelses, modne flymotorer og avanserte industrielle teknologier og designmetoder. Det er to måter å overføre flymotorteknologi til gassturbiner, som vist i figur 1: den ene er å direkte modifisere og utlede modne flymotorer for å danne gassturbiner som er avledet av fly; den andre er å transplantere flymotorteknologi til tunge gassturbiner og forske på og utvikle en ny generasjon tunge gassturbiner.
Utviklingshistorie av gassturbiner som er derivater av fly
Sammen med utviklingen av luftfartsmotorteknologi og anvendelsen av avansert syklusteknologi, har den tekniske utviklingsprosessen av aero-derivative gassturbiner gått gjennom teknologiutforskningsstadiet, teknologiutviklingsstadiet og avansert syklusapplikasjonsstadium, og har realisert utviklingen av aero-derivater. gassturbiner fra enkel modifikasjon til høyytelses kjernemotoroptimaliseringsdesign, fra enkel syklus til kompleks syklusapplikasjon, fra å arve det modne designsystemet og materialsystemet i luftfarten motorer til utforming av nye komponenter og bruk av nye materialer, som har gjort det mulig for designnivået, ytelsen, påliteligheten og levetiden til luftavledede gassturbiner å oppnå betydelig utvikling.
Teknologiutforskningsstadiet
I 1943 ble verdens første gassturbin utviklet av fly. Etter det designet Rolls-Royce, GE og Pratt & Whitney det første partiet av luftavledede gassturbiner basert på modifikasjoner av modne flymotorer, inkludert industrielle Avon, industrielle Olympus, Spey gassturbiner, LM1500 og FT4. På dette stadiet var teknologien til aero-derivative gassturbiner i leteperioden. Strukturen arvet direkte kjernen til flymotoren, og utgangseffekten ble oppnådd ved å utstyre en passende kraftturbin; den generelle ytelsen til maskinen var ikke høy, og sykluseffektiviteten var generelt mindre enn 30%; starttemperaturen før turbinen var mindre enn 1000 grader, og trykkforholdet var 4 til 10; kompressoren var generelt subsonisk; turbinbladene brukte enkel luftkjølingsteknologi; materialet som ble brukt var den første høytemperaturlegeringen; kontrollsystemet brukte vanligvis et mekanisk hydraulisk eller analogt elektronisk justeringssystem.
Teknologiutviklingsstadiet
Med den modne bruken av aeromotorer, har høyytelses, høypålitelige hovedmaskiner og avansert designteknologi blitt gitt for den raske utviklingen av aeroderivative gassturbiner. Samtidig har etterspørselen etter avanserte aeroderivative gassturbiner fra marinene i Storbritannia, USA og andre land også gitt et bredt søknadsstadium, som har gjort det mulig for aeroderivative gassturbiner å utvikle seg raskt og betydelig forbedre ytelsen. En serie aeroderivative gassturbiner med god ytelse og høy pålitelighet har blitt lansert. . Slik som LM2500-serien, industriell Trent, FT4000 og MT30, etc., er mye brukt innen skipskraft, kraftproduksjon og andre felt.
De varme komponentene til luftavledede gassturbiner i det teknologiske utviklingsstadiet bruker generelt superlegeringer og beskyttende belegg for å forbedre temperaturmotstanden, og anvender avansert luftkjølingsteknologi og forbrenningsteknologi med lav forurensning; starttemperaturen før turbinen når 1400 grader, effekten kan nå 40-50MW, den termiske effektiviteten til en enkelt enhet overstiger 40 %, og den kombinerte sykluseffektiviteten kan nå 60 %; et digitalt elektronisk kontrollsystem brukes, og kontrollnøyaktigheten og kontrollytelsen er betydelig forbedret.
Bruk avanserte sykluser
Ettersom kravene til høy ytelse til aeroderivative gassturbiner, spesielt drivstofforbruk, utgangseffekt og andre indikatorer, øker, har avanserte syklus aeroderivative gassturbiner fått utbredt ingeniørpraksis. Å legge til en intercooling eller intercoolt varmegjenvinningssyklus på grunnlag av gassturbinens termiske syklus kan forbedre utgangseffekten og lav driftstilstand ytelsen til den aeroderivative gassturbinen betydelig. For eksempel når effektnivået til den mellomkjølte gassturbinen LMS100 100 MW og effektiviteten er så høy som 46 %. Den termiske effektiviteten til WR21 mellomkjøling gjenvinningsgassturbin ved lave driftsforhold er mye høyere enn for en enkel syklus gassturbin. Som skipsmakt forbedrer den skipets økonomi og kampradius betraktelig.
Utgangseffekten til avanserte aeroderivative gassturbiner som bruker intercooling eller intercoolte varmegjenvinningssykluser har blitt kraftig økt, og den termiske effektiviteten under alle driftsforhold er forbedret. For eksempel kan effektnivået nå 100MW, og den termiske effektiviteten ved designpunktet er så høy som 46%; ytelsen i lav driftstilstand er betydelig forbedret. Den termiske effektiviteten kan nå 40 % under 50 % belastning; intercooling reduserer den spesifikke kraften til høytrykkskompressoren, og designtrykkforholdet til hele maskinen kan nå mer enn 40.
Teknologiutviklingsmodell
Ser vi på utviklingshistorien, har gassturbiner som er avledet av fly, tekniske utviklingsmodeller som stamtavleutvikling, serieutvikling, bruk av avansert syklusteknologi og bruk av kombinert syklusmodus.
Genealogisk utvikling
Genealogisk utvikling er utviklingen av gassturbiner av forskjellige typer og kraftnivåer basert på samme flymotor, som fullt ut reflekterer egenskapene til luftavledede gassturbiner: "én maskin som grunnlag, møter flere bruksområder, sparer sykluser, reduserer kostnader, utlede flere typer, og danner et spektrum."
For å ta CF6-80C2-flymotoren som et eksempel, bruker LM6000-gassturbinen direkte kjernemotoren til CF6-80C2 og opprettholder den maksimale allsidigheten til lavtrykksturbinen; LMS100 arver kjernemotorteknologien til CF6-80C2, kombinerer F-klassens tunge gassturbinteknologi og intercooling-teknologi, og har en effekt på 100MW; MS9001G/H tar fullt ut den modne teknologien til CF6-80C2-flymotoren, og gjennom kombinasjonen med den kraftige gassturbinteknologien økes temperaturen før turbinen fra 1287 grader av F-klassen til 1430 grader, og effekten når 282MW. Den vellykkede utviklingen av de tre typene gassturbiner har gjort det mulig for den luftfartsbaserte utviklingen av CF6-80C2-flymotoren å oppnå "én maskin med flere typer, utvikling av gassturbiner av forskjellige typer og krefter".
Serieutvikling
Serieutviklingen er å kontinuerlig oppgradere og forbedre, forbedre ytelsen og redusere utslipp på grunnlag av en vellykket gassturbin, for å oppnå serieutviklingen av aero-derivative gassturbiner, blant hvilke LM2500-serien er den mest typiske, som vist. i figur 2. LM2500-gassturbinen bruker kjernemotoren til hovedmotoren TF39/CF6-6, og endrer lavtrykksturbinen av hovedmotoren til en kraftturbin; LM2500+-gassturbinen legger til ett trinn foran kompressoren til LM2500-gassturbinen, for å forbedre luftmassestrømmen og utgangseffekten; LM2500+G4 øker gassturbinens luftstrømhastighet ved å forbedre kompressorbladprofilen og øke turbinhalsarealet på grunnlag av LM2500+, for å oppnå formålet med å kontinuerlig forbedre ytelsen makt. Med serieutviklingen av LM2500 blir produktet kontinuerlig oppgradert og forbedret, med et effektområde på 20 til 35 MW, og antall utstyr over hele verden overstiger 1,000 enheter, noe som gjør det til den mest brukte modellen til dags dato .
På grunn av vanskelighetene med utvikling og produksjon, er serieutviklingen basert på den vellykkede gassturbinen en viktig teknisk utviklingsmodell for aero-derivative gassturbiner, som er å kontinuerlig oppgradere og forbedre, forbedre ytelsen og redusere utslipp. Serieutviklingen av luftavledede gassturbiner ligner på stamtavleutviklingen, som ikke bare kan forkorte utviklingssyklusen, men også sikre bedre pålitelighet og fremgang, og redusere design, utvikling, testing og produksjonskostnadene betydelig.
Effektivitet
Målet med effektivitetsforbedring er å kontinuerlig forbedre ytelsen til hele maskinen, spesielt utgangseffekten til hele maskinen og den termiske effektiviteten under alle driftsforhold. De viktigste måtene er som følger.
Den ene er bruken av avanserte sykluser. Bruken av avanserte sykluser kan kontinuerlig forbedre ytelsen til aeroderivative gassturbiner, slik som gjenoppvarmingssyklus, dampinjeksjonssyklus, kjemisk gjenvinningssyklus, våtluftsyklus, serie våtluftsavansert turbinsyklus og Kalina-syklus, etc. Etter å ha brukt den avanserte syklusen, ikke bare ytelsen til den aeroderivative gassturbinenheten vil bli forbedret, men kraften og den termiske effektiviteten til hele enheten vil også bli betydelig forbedret, og utslipp av nitrogenoksid vil bli betydelig redusert.
Den andre er høyeffektiv komponentdesign. Høyeffektiv komponentdesign fokuserer på høyeffektiv kompressordesign og høyeffektiv turbindesign. Høyeffektiv kompressordesign vil fortsette å overvinne de tekniske vanskelighetene med høy hastighet og høy effektivitet og lav hastighet og høy overspenningsgrense som kompressorer står overfor. Som vist i figur 3 vil utformingen av turbiner fortsette å utvikle seg i retning av høy effektivitet, høy temperaturmotstand og lang levetid.
