Påverkad av politiska, militära och ekonomiska faktorer går utvecklingen av flygmotorteknik snabbare än för gasturbiner. Gasturbiner och flygmotorer har en lång rad tekniska likheter och kan delas i designsystem, tillverkningssystem, talangsystem och testsystem. Därför, baserat på den enorma efterfrågan på marknaden och uppenbara tillämpningsfördelar med gasturbiner, har det blivit en branschkonsensus att utveckla gasturbiner baserade på högpresterande, mogna flygplansmotorer och avancerad industriell teknik och designmetoder. Det finns två sätt att överföra flygplansmotorteknik till gasturbiner, som visas i figur 1: ett är att direkt modifiera och härleda mogna flygplansmotorer för att bilda gasturbiner från flygplan; den andra är att transplantera flygmotorteknik till tunga gasturbiner och forskning och utveckling av en ny generation tunga gasturbiner.
Utvecklingshistoria för gasturbiner från flygplan
Tillsammans med utvecklingen av flygmotorteknologi och tillämpningen av avancerad cykelteknik, har den tekniska utvecklingsprocessen för flygbaserade gasturbiner gått igenom teknikutforskningsstadiet, teknikutvecklingsstadiet och avancerad cykelapplikationsstadiet, och insett utvecklingen av flygderivata. gasturbiner från enkel modifiering till högpresterande kärnmotoroptimeringsdesign, från enkel cykel till komplex cykelapplikation, från att ärva flygets mogna designsystem och materialsystem motorer till konstruktionen av nya komponenter och tillämpningen av nya material, vilket har möjliggjort konstruktionsnivån, prestanda, tillförlitlighet och livslängd för gasturbiner som härrör från flygplan att uppnå betydande utveckling.
Teknikutforskningsstadiet
1943 utvecklades världens första gasturbin av flygplan med framgång. Efter det designade Rolls-Royce, GE och Pratt & Whitney den första satsen av flygbaserade gasturbiner baserade på mogna flygmotormodifieringar, inklusive industriella Avon, industriella Olympus, Spey gasturbiner, LM1500 och FT4. I det här skedet var tekniken för gasturbiner som härrörde från flygplan i den undersökande perioden. Strukturen ärvde direkt kärnan i flygplansmotorn, och uteffekten uppnåddes genom att utrusta en lämplig kraftturbin; maskinens totala prestanda var inte hög, och cykeleffektiviteten var i allmänhet mindre än 30 %; den initiala temperaturen före turbinen var mindre än 1000 grader och tryckförhållandet var 4 till 10; kompressorn var i allmänhet subsonisk; turbinbladen använde enkel luftkylningsteknik; materialet som användes var den initiala högtemperaturlegeringen; styrsystemet använde vanligtvis ett mekaniskt hydrauliskt eller analogt elektroniskt justeringssystem.
Teknikutvecklingsstadiet
Med den mogna tillämpningen av flygmotorer har högpresterande, högtillförlitliga modermaskiner och avancerad designteknik tillhandahållits för den snabba utvecklingen av aeroderivativa gasturbiner. Samtidigt har efterfrågan på avancerade aeroderivativa gasturbiner från flottorna i Storbritannien, USA och andra länder också gett ett brett tillämpningsstadium, vilket har gjort det möjligt för aeroderivative gasturbiner att utvecklas snabbt och avsevärt förbättra deras prestanda. En serie aeroderivativa gasturbiner med bra prestanda och hög tillförlitlighet har lanserats. . Såsom LM2500-serien, industriella Trent, FT4000 och MT30, etc., används ofta inom fartygskraft, kraftproduktion och andra områden.
De heta komponenterna i gasturbiner som härrör från flygplan i det tekniska utvecklingsstadiet använder i allmänhet superlegeringar och skyddande beläggningar för att förbättra temperaturbeständigheten och tillämpar avancerad luftkylningsteknik och förbränningsteknik med låg förorening; den initiala temperaturen innan turbinen når 1400 grader, effekten kan nå 40-50MW, den termiska verkningsgraden för en enda enhet överstiger 40 % och den kombinerade cykeleffektiviteten kan nå 60 %; ett digitalt elektroniskt kontrollsystem används, och kontrollnoggrannheten och kontrollprestandan förbättras avsevärt.
Använd avancerade cykler
Eftersom kraven på hög prestanda hos aeroderivativa gasturbiner, särskilt bränsleförbrukning, uteffekt och andra indikatorer, ökar, har avancerade cykler aeroderivative gasturbiner fått utbredd ingenjörspraxis. Att lägga till en mellankylnings- eller mellankyld värmeåtervinningscykel på basis av gasturbinens termiska cykel kan avsevärt förbättra uteffekten och låga driftsförhållanden hos den aeroderivativa gasturbinen. Till exempel når effektnivån för den mellankylda gasturbinen LMS100 100 MW och verkningsgraden är så hög som 46 %. Den termiska verkningsgraden för WR21 mellankylningsåtervinningsgasturbinen vid låga driftsförhållanden är mycket högre än för en gasturbin med enkel cykel. Som en fartygsmakt förbättrar den avsevärt fartygets ekonomi och stridsradie.
Uteffekten från avancerade aeroderivativa gasturbiner som använder mellankylning eller mellankylda värmeåtervinningscykler har ökat avsevärt, och den termiska effektiviteten under alla driftsförhållanden har förbättrats. Till exempel kan effektnivån nå 100MW, och den termiska effektiviteten vid designpunkten är så hög som 46%; det låga driftsförhållandet har förbättrats avsevärt. Den termiska effektiviteten kan nå 40% under 50% belastning; mellankylning minskar den specifika kraften hos högtryckskompressorn, och designtryckförhållandet för hela maskinen kan nå mer än 40.
Teknikutvecklingsmodell
Om man tittar på utvecklingshistorien har gasturbiner från flygplan tekniska utvecklingsmodeller såsom stamtavlautveckling, serieutveckling, antagande av avancerad cykelteknik och tillämpning av kombinerad cykelläge.
Genealogisk utveckling
Genealogisk utveckling är utvecklingen av gasturbiner av olika typer och effektnivåer baserade på samma flygplansmotor, vilket fullt ut återspeglar egenskaperna hos gasturbiner som härrör från flyg: "en maskin som bas, möter flera användningsområden, sparar cykler, minskar kostnader, härleder flera typer och bildar ett spektrum."
Om man tar CF6-80C2-flygplansmotorn som ett exempel, använder gasturbinen LM6000 direkt kärnmotorn i CF6-80C2 och bibehåller den maximala mångsidigheten hos lågtrycksturbinen; LMS100 ärver kärnmotortekniken från CF6-80C2, kombinerar F-klassens tunga gasturbinteknologi och mellankylningsteknik och har en effekt på 100MW; MS9001G/H antar helt den mogna tekniken för CF6-80C2-flygplansmotorn, och genom kombinationen med den tunga gasturbinteknologin höjs temperaturen före turbinen från 1287 grader av F-klassen till 1430 grader, och effekten når 282MW. Den framgångsrika utvecklingen av de tre typerna av gasturbiner har gjort det möjligt för den flygbaserade utvecklingen av flygplansmotorn CF6-80C2 att uppnå "en maskin med flera typer, som utvecklar gasturbiner av olika typer och krafter".
Serieutveckling
Serieutvecklingen är att kontinuerligt uppgradera och förbättra, förbättra prestanda och minska utsläppen på basis av en framgångsrik gasturbin, för att uppnå serieutvecklingen av flygbaserade gasturbiner, bland vilka LM2500-serien är den mest typiska, som visas i figur 2. Gasturbinen LM2500 använder kärnmotorn i modermotorn TF39/CF6-6 och ändrar lågtrycksturbinen av modermotorn till en kraftturbin; LM2500+-gasturbinen lägger till ett steg framför kompressorn på LM2500-gasturbinen, för att förbättra luftmassflödet och uteffekten; LM2500+G4 ökar gasturbinens luftflöde genom att förbättra kompressorbladsprofilen och öka turbinens halsarea på basis av LM2500+, för att uppnå syftet att kontinuerligt förbättra uteffekten driva. Med serieutvecklingen av LM2500 uppgraderas och förbättras produkten kontinuerligt, med ett effektområde på 20 till 35 MW, och antalet utrustningar världen över överstiger 1,000 enheter, vilket gör den till den mest använda modellen hittills .
På grund av svårigheten med utveckling och produktion är serieutvecklingen baserad på den framgångsrika gasturbinen en viktig teknisk utvecklingsmodell för flygbaserade gasturbiner, som är att kontinuerligt uppgradera och förbättra, förbättra prestanda och minska utsläppen. Serieutvecklingen av flygbaserade gasturbiner liknar stamtavlautvecklingen, vilket inte bara kan förkorta utvecklingscykeln, utan också säkerställa bättre tillförlitlighet och avancemang och avsevärt minska kostnaderna för design, utveckling, testning och tillverkning.
Effektivitet
Målet med effektivitetsförbättringen är att kontinuerligt förbättra hela maskinens prestanda, speciellt hela maskinens uteffekt och den termiska verkningsgraden under alla driftsförhållanden. De huvudsakliga sätten är följande.
En är tillämpningen av avancerade cykler. Tillämpningen av avancerade cykler kan kontinuerligt förbättra prestandan hos aeroderivativa gasturbiner, såsom återuppvärmningscykel, ångåterinjiceringscykel, kemisk återvinningscykel, våtluftcykel, serie våtluftsavancerad turbincykel och Kalina-cykel, etc. Efter applicering av den avancerade cykeln, inte bara prestandan hos den aeroderivativa gasturbinenheten kommer att förbättras, utan hela enhetens kraft och termiska effektivitet kommer också att vara avsevärt förbättrats och kväveoxidutsläppen kommer att minska avsevärt.
Den andra är högeffektiv komponentdesign. Högeffektiv komponentdesign fokuserar på högeffektiv kompressordesign och högeffektiv turbindesign. Högeffektiv kompressordesign kommer att fortsätta att övervinna de tekniska svårigheterna med hög hastighet och hög effektivitet samt låghastighets- och högspänningsgräns som kompressorer står inför. Som visas i figur 3 kommer utformningen av turbiner att fortsätta att utvecklas i riktning mot hög effektivitet, hög temperaturbeständighet och lång livslängd.
