Pod wpływem czynników politycznych, militarnych i ekonomicznych rozwój technologii silników lotniczych jest szybszy niż w przypadku turbin gazowych. Turbiny gazowe i silniki lotnicze mają szeroki zakres podobieństw technicznych i mogą być współdzielone w systemach projektowych, systemach produkcyjnych, systemach talentów i systemach testowych. Dlatego też, w oparciu o ogromne zapotrzebowanie rynku i oczywiste zalety zastosowań turbin gazowych, osiągnięto konsensus branżowy w sprawie opracowania turbin gazowych w oparciu o wysokowydajne, dojrzałe silniki lotnicze oraz zaawansowane technologie przemysłowe i metody projektowania. Istnieją dwa sposoby przeniesienia technologii silników lotniczych do turbin gazowych, jak pokazano na rysunku 1: jeden polega na bezpośredniej modyfikacji i przekształceniu dojrzałych silników lotniczych w celu utworzenia turbin gazowych pochodzenia lotniczego; drugim jest przeniesienie technologii silników lotniczych do turbin gazowych o dużej wytrzymałości oraz badania i rozwój nowej generacji turbin gazowych o dużej wytrzymałości.
Historia rozwoju lotniczych turbin gazowych
Wraz z rozwojem technologii silników lotniczych i zastosowaniem zaawansowanej technologii cykli, proces rozwoju technicznego turbin gazowych pochodzenia lotniczego przeszedł przez etap eksploracji technologii, etap rozwoju technologii i etap stosowania zaawansowanego cyklu, realizując rozwój turbin gazowych pochodzenia lotniczego turbin gazowych od prostych modyfikacji do wysokowydajnego projektu optymalizacji silnika rdzeniowego, od prostego cyklu do zastosowania w cyklu złożonym, od dziedziczenia dojrzałego systemu konstrukcyjnego i systemu materiałowego silników lotniczych po projektowanie nowych komponentów i zastosowanie nowych materiałów, co umożliwiło poziom projektu, wydajność, niezawodność i żywotność lotniczych turbin gazowych, aby osiągnąć znaczny rozwój.
Etap eksploracji technologii
W 1943 roku pomyślnie opracowano pierwszą na świecie lotniczą turbinę gazową. Następnie firmy Rolls-Royce, GE i Pratt & Whitney zaprojektowały pierwszą partię lotniczych turbin gazowych w oparciu o zaawansowane modyfikacje silników lotniczych, w tym przemysłowe turbiny gazowe Avon, przemysłowe Olympus, Spey, LM1500 i FT4. Na tym etapie technologia lotniczych turbin gazowych znajdowała się w okresie eksploracyjnym. Konstrukcja bezpośrednio odziedziczyła rdzeń silnika lotniczego, a moc wyjściową uzyskano poprzez wyposażenie odpowiedniej turbiny napędowej; ogólna wydajność maszyny nie była wysoka, a wydajność cyklu była na ogół mniejsza niż 30%; początkowa temperatura przed turbiną była mniejsza niż 1000 stopni, a stosunek ciśnień wynosił 4 do 10; sprężarka była generalnie poddźwiękowa; w łopatkach turbin zastosowano prostą technologię chłodzenia powietrzem; zastosowanym materiałem był początkowy stop wysokotemperaturowy; w systemie sterowania zazwyczaj stosowano mechaniczno-hydrauliczny lub analogowy elektroniczny system regulacji.
Etap rozwoju technologii
Dzięki dojrzałemu zastosowaniu silników lotniczych zapewniono wydajne i niezawodne maszyny macierzyste oraz zaawansowane technologie konstrukcyjne umożliwiające szybki rozwój lotniczych turbin gazowych. Jednocześnie zapotrzebowanie marynarki wojennej Wielkiej Brytanii, Stanów Zjednoczonych i innych krajów na zaawansowane lotnicze turbiny gazowe również zapewniło szeroki etap zastosowań, co umożliwiło szybki rozwój lotniczych turbin gazowych i znaczną poprawę ich wydajności. Wprowadzono na rynek serię lotniczych turbin gazowych charakteryzujących się dobrymi osiągami i wysoką niezawodnością. . Takie jak seria LM2500, Trent przemysłowy, FT4000 i MT30 itp. Są szeroko stosowane w energetyce okrętowej, energetyce i innych dziedzinach.
W gorących elementach turbin gazowych pochodzenia lotniczego na etapie rozwoju technologicznego zazwyczaj stosuje się superstopy i powłoki ochronne w celu poprawy odporności na temperaturę oraz stosuje się zaawansowaną technologię chłodzenia powietrzem i technologię spalania o niskim poziomie zanieczyszczeń; temperatura początkowa zanim turbina osiągnie 1400 stopni, moc może osiągnąć 40-50MW, sprawność cieplna pojedynczej jednostki przekracza 40%, a sprawność cyklu łączonego może osiągnąć 60%; zastosowano cyfrowy elektroniczny system sterowania, a dokładność sterowania i wydajność sterowania zostały znacznie poprawione.
Zastosuj zaawansowane cykle
W miarę wzrostu wymagań dotyczących wysokich osiągów lotniczych turbin gazowych, w szczególności zużycia paliwa, mocy wyjściowej i innych wskaźników, turbiny gazowe o zaawansowanym cyklu aeropochodnym zyskały powszechną praktykę inżynieryjną. Dodanie cyklu chłodzenia międzystopniowego lub odzysku ciepła z chłodzeniem międzystopniowym w oparciu o cykl cieplny turbiny gazowej może znacząco poprawić moc wyjściową i wydajność lotniczej turbiny gazowej w niskich warunkach pracy. Przykładowo, poziom mocy turbiny gazowej chłodzonej międzystopniowo LMS100 sięga 100 MW, a sprawność sięga aż 46%. Sprawność cieplna turbiny gazowej z rekuperacją międzychłodzącą WR21 w niskich warunkach pracy jest znacznie wyższa niż w przypadku turbiny gazowej o prostym cyklu. Jako moc statku znacznie poprawia ekonomię statku i promień bojowy.
Moc wyjściowa lotniczych turbin gazowych o zaawansowanym cyklu, wykorzystujących cykle chłodzenia międzystopniowego lub odzysku ciepła z chłodzeniem międzystopniowym, została znacznie zwiększona, a sprawność cieplna została poprawiona we wszystkich warunkach pracy. Przykładowo poziom mocy może sięgać 100 MW, a sprawność cieplna w punkcie projektowym sięga aż 46%; wydajność w niskich warunkach pracy została znacznie poprawiona. Sprawność cieplna może osiągnąć 40% przy 50% obciążeniu; chłodzenie międzystopniowe zmniejsza moc właściwą sprężarki wysokociśnieniowej, a projektowy stosunek ciśnień całej maszyny może osiągnąć ponad 40.
Model rozwoju technologii
Patrząc na historię rozwoju, turbiny gazowe pochodzenia lotniczego mają modele rozwoju technicznego, takie jak rozwój rodowodowy, rozwój seryjny, przyjęcie zaawansowanej technologii cyklu i zastosowanie trybu cyklu kombinowanego.
Rozwój genealogiczny
Rozwój genealogiczny to rozwój turbin gazowych różnych typów i poziomów mocy opartych na tym samym silniku lotniczym, co w pełni odzwierciedla cechy turbin gazowych pochodzenia lotniczego: „jedna maszyna jako podstawa, spełniająca wiele zastosowań, oszczędzająca cykle, redukująca koszty, wyprowadzając wiele typów i tworząc widmo.”
Biorąc za przykład silnik lotniczy CF6-80C2, turbina gazowa LM6000 bezpośrednio wykorzystuje rdzeń silnika CF6-80C2 i utrzymuje maksymalną wszechstronność turbiny niskociśnieniowej; LMS100 dziedziczy podstawową technologię silnika CF6-80C2, łączy w sobie technologię wysokowydajnej turbiny gazowej klasy F z technologią chłodzenia międzystopniowego i ma moc 100 MW; MS9001G/H w pełni wykorzystuje dojrzałą technologię silnika lotniczego CF6-80C2, a dzięki połączeniu z technologią wysokowydajnej turbiny gazowej temperatura przed turbiną wzrasta z 1287 stopni klasy F do 1430 stopni, a moc sięga 282 MW. Pomyślny rozwój trzech typów turbin gazowych umożliwił w lotnictwie rozwój silnika lotniczego CF6-80C2 w celu uzyskania „jednej maszyny wielu typów, rozwijającej turbiny gazowe różnych typów i mocy”.
Rozwój serii
Rozwój seryjny polega na ciągłym ulepszaniu i ulepszaniu, ulepszaniu wydajności i zmniejszaniu emisji w oparciu o udaną turbinę gazową, tak aby osiągnąć seryjny rozwój lotniczych turbin gazowych, wśród których seria LM2500 jest najbardziej typowa, jak pokazano na rysunku 2. Turbina gazowa LM2500 wykorzystuje rdzeń silnika macierzystego TF39/CF6-6 i zmienia turbinę niskociśnieniową silnika macierzystego w turbinę napędową; turbina gazowa LM2500+ dodaje jeden stopień przed sprężarką turbiny gazowej LM2500, aby poprawić przepływ masowy powietrza i moc wyjściową; LM2500+G4 zwiększa natężenie przepływu powietrza w turbinie gazowej poprzez poprawę profilu łopatek sprężarki i zwiększenie powierzchni gardzieli turbiny w oparciu o LM2500+, aby osiągnąć cel polegający na ciągłej poprawie wydajności moc. Wraz z seryjnym rozwojem LM2500, produkt jest stale unowocześniany i ulepszany, w zakresie mocy od 20 do 35 MW, a liczba urządzeń na całym świecie przekracza 1,000 jednostek, co czyni go obecnie najczęściej używanym modelem .
Ze względu na trudności w rozwoju i produkcji, seryjny rozwój oparty na udanej turbinie gazowej jest ważnym modelem rozwoju technicznego turbin gazowych pochodzenia lotniczego, który polega na ciągłym ulepszaniu i ulepszaniu, poprawie wydajności i redukcji emisji. Szeregowy rozwój aeropochodnych turbin gazowych jest podobny do rozwoju rodowodowego, co może nie tylko skrócić cykl rozwoju, ale także zapewnić lepszą niezawodność i zaawansowanie oraz znacznie obniżyć koszty projektowania, rozwoju, testowania i produkcji.
Efektywność
Celem poprawy wydajności jest ciągła poprawa wydajności całej maszyny, zwłaszcza mocy wyjściowej całej maszyny i sprawności cieplnej we wszystkich warunkach pracy. Główne sposoby są następujące.
Jednym z nich jest zastosowanie zaawansowanych cykli. Zastosowanie zaawansowanych cykli może w sposób ciągły poprawiać wydajność aeropochodnych turbin gazowych, np. cykl ponownego nagrzewania, cykl ponownego wtrysku pary, cykl odzyskiwania chemicznego, cykl mokrego powietrza, szeregowy cykl zaawansowanej turbiny mokrego powietrza i cykl Kaliny itp. Po zastosowaniu zaawansowanego cyklu, poprawiona zostanie nie tylko wydajność aeropochodnego zespołu turbiny gazowej, ale także znacząco poprawiona zostanie moc i sprawność cieplna całego bloku oraz znacząco zmniejszona zostanie emisja tlenków azotu.
Drugi to konstrukcja komponentów o wysokiej wydajności. Projektowanie komponentów o wysokiej wydajności koncentruje się na konstrukcji sprężarki o wysokiej wydajności i konstrukcji turbiny o wysokiej wydajności. Konstrukcja sprężarek o wysokiej wydajności będzie w dalszym ciągu pozwalała przezwyciężyć trudności techniczne związane z dużą prędkością i wysoką wydajnością oraz niską prędkością i wysokimi wartościami udarowymi, z jakimi borykają się sprężarki. Jak pokazano na rysunku 3, konstrukcja turbin będzie się nadal rozwijać w kierunku wysokiej sprawności, odporności na wysoką temperaturę i długiej żywotności.
