Influenzato da fattori politici, militari ed economici, lo sviluppo della tecnologia dei motori aeronautici è più rapido di quello delle turbine a gas. Le turbine a gas e i motori aeronautici presentano un’ampia gamma di punti in comune tecnici e possono essere condivisi in sistemi di progettazione, sistemi di produzione, sistemi di talento e sistemi di test. Pertanto, sulla base dell’enorme domanda del mercato e degli evidenti vantaggi applicativi delle turbine a gas, è diventato un consenso del settore lo sviluppo di turbine a gas basate su motori aeronautici maturi e ad alte prestazioni e tecnologie industriali e metodi di progettazione avanzati. Esistono due modi per trasferire la tecnologia dei motori aeronautici alle turbine a gas, come mostrato nella Figura 1: uno è modificare direttamente e ricavare motori aeronautici maturi per formare turbine a gas di derivazione aeronautica; l'altro è trapiantare la tecnologia dei motori aeronautici nelle turbine a gas per carichi pesanti e ricercare e sviluppare una nuova generazione di turbine a gas per carichi pesanti.
Storia dello sviluppo delle turbine a gas di derivazione aeronautica
Insieme allo sviluppo della tecnologia dei motori aeronautici e all'applicazione della tecnologia del ciclo avanzato, il processo di sviluppo tecnico delle turbine a gas aeroderivate è passato attraverso la fase di esplorazione tecnologica, la fase di sviluppo tecnologico e la fase di applicazione del ciclo avanzato, realizzando lo sviluppo di motori aeronautici turbine a gas, dalla semplice modifica alla progettazione di ottimizzazione del motore principale ad alte prestazioni, dal ciclo semplice all'applicazione a ciclo complesso, dall'ereditarietà del sistema di progettazione maturo e del sistema di materiali dei motori aeronautici alla progettazione di nuovi componenti e all'applicazione di nuovi materiali, che ha consentito il livello di progettazione, prestazioni, affidabilità e la durata delle turbine a gas di derivazione aeronautica per raggiungere un notevole sviluppo.
Fase di esplorazione tecnologica
Nel 1943 fu sviluppata con successo la prima turbina a gas di derivazione aeronautica al mondo. Successivamente, Rolls-Royce, GE e Pratt & Whitney hanno progettato il primo lotto di turbine a gas di derivazione aeronautica basate su modifiche mature dei motori aeronautici, tra cui Avon industriale, Olympus industriale, turbine a gas Spey, LM1500 e FT4. In questa fase, la tecnologia delle turbine a gas di derivazione aeronautica era in fase esplorativa. La struttura ereditava direttamente il nucleo del motore dell'aereo e la potenza in uscita veniva ottenuta dotando un'apposita turbina di potenza; le prestazioni complessive della macchina non erano elevate e l'efficienza del ciclo era generalmente inferiore al 30%; la temperatura iniziale prima della turbina era inferiore a 1000 gradi e il rapporto di pressione era compreso tra 4 e 10; il compressore era generalmente subsonico; le pale della turbina utilizzavano una semplice tecnologia di raffreddamento ad aria; il materiale utilizzato era la lega iniziale ad alta temperatura; il sistema di controllo utilizzava generalmente un sistema di regolazione meccanico idraulico o elettronico analogico.
Fase di sviluppo tecnologico
Con l'applicazione matura dei motori aeronautici, sono state fornite macchine madri ad alte prestazioni ed elevata affidabilità e tecnologie di progettazione avanzate per il rapido sviluppo di turbine a gas di derivazione aeronautica. Allo stesso tempo, la richiesta di turbine a gas avanzate di derivazione aeronautica da parte delle marine del Regno Unito, degli Stati Uniti e di altri paesi ha anche fornito un’ampia fase di applicazione, che ha consentito alle turbine a gas di derivazione aeronautica di svilupparsi rapidamente e migliorare significativamente le loro prestazioni. È stata lanciata una serie di turbine a gas di derivazione aeronautica con buone prestazioni ed elevata affidabilità. . Come la serie LM2500, Trent industriale, FT4000 e MT30, ecc., sono ampiamente utilizzati nell'energia navale, nella produzione di energia e in altri campi.
I componenti hot end delle turbine a gas aeroderivate in fase di sviluppo tecnologico utilizzano generalmente superleghe e rivestimenti protettivi per migliorare la resistenza alla temperatura e applicano tecnologie avanzate di raffreddamento dell'aria e tecnologie di combustione a basso inquinamento; la temperatura iniziale prima che la turbina raggiunga i 1400 gradi, la potenza può raggiungere 40-50MW, l'efficienza termica di una singola unità supera il 40% e l'efficienza del ciclo combinato può raggiungere il 60%; viene utilizzato un sistema di controllo elettronico digitale e la precisione del controllo e le prestazioni di controllo sono notevolmente migliorate.
Applicare cicli avanzati
Con l'aumento dei requisiti per le elevate prestazioni delle turbine a gas aeroderivate, in particolare il consumo di carburante, la potenza di uscita e altri indicatori, le turbine a gas aeroderivate a ciclo avanzato hanno acquisito una pratica ingegneristica diffusa. L'aggiunta di un ciclo di intercooling o di recupero del calore intercooler sulla base del ciclo termico della turbina a gas può migliorare significativamente la potenza di uscita e le prestazioni in condizioni operative basse della turbina a gas di derivazione aeronautica. Ad esempio, il livello di potenza della turbina a gas intercooler LMS100 raggiunge i 100 MW e l'efficienza raggiunge il 46%. L'efficienza termica della turbina a gas con recupero di interraffreddamento WR21 in condizioni operative basse è molto superiore a quella di una turbina a gas a ciclo semplice. Come potere della nave, migliora notevolmente l'economia della nave e il raggio di combattimento.
La potenza di uscita delle turbine a gas di derivazione aeronautica a ciclo avanzato che utilizzano cicli di intercooling o di recupero del calore con intercooler è stata notevolmente aumentata e l'efficienza termica in tutte le condizioni operative è stata migliorata. Ad esempio, il livello di potenza può raggiungere i 100 MW e l'efficienza termica in fase di progettazione arriva fino al 46%; le prestazioni in condizioni operative basse sono state notevolmente migliorate. L'efficienza termica può raggiungere il 40% con un carico del 50%; l'intercooler riduce la potenza specifica del compressore ad alta pressione e il rapporto di pressione di progetto dell'intera macchina può raggiungere più di 40.
Modello di sviluppo tecnologico
Guardando alla storia dello sviluppo, le turbine a gas di derivazione aeronautica hanno modelli di sviluppo tecnico come lo sviluppo di pedigree, lo sviluppo in serie, l’adozione di tecnologie di ciclo avanzate e l’applicazione della modalità di ciclo combinato.
Sviluppo genealogico
Lo sviluppo genealogico è lo sviluppo di turbine a gas di diverso tipo e livello di potenza basate sullo stesso motore aeronautico, che rispecchia pienamente le caratteristiche delle turbine a gas di derivazione aeronautica: "una macchina come base, che soddisfa molteplici usi, risparmiando cicli, riducendo i costi, derivando più tipi e formando uno spettro."
Prendendo come esempio il motore aeronautico CF6-80C2, la turbina a gas LM6000 utilizza direttamente il motore principale del CF6-80C2 e mantiene la massima versatilità della turbina a bassa pressione; l'LMS100 eredita la tecnologia del motore principale del CF6-80C2, combina la tecnologia delle turbine a gas per carichi pesanti di classe F e la tecnologia di intercooling e ha una potenza di 100 MW; l'MS9001G/H adotta completamente la tecnologia matura del motore aeronautico CF6-80C2 e, attraverso la combinazione con la tecnologia della turbina a gas per carichi pesanti, la temperatura prima della turbina viene aumentata da 1287 gradi della classe F a 1430 gradi e la potenza raggiunge i 282 MW. Il successo dello sviluppo dei tre tipi di turbine a gas ha consentito allo sviluppo basato sull'aviazione del motore aeronautico CF6-80C2 di ottenere "una macchina con più tipi, sviluppando turbine a gas di diversi tipi e potenze".
Sviluppo in serie
Lo sviluppo in serie consiste nel potenziare e migliorare continuamente, migliorare le prestazioni e ridurre le emissioni sulla base di una turbina a gas di successo, in modo da raggiungere lo sviluppo in serie di turbine a gas di derivazione aeronautica, tra le quali la serie LM2500 è la più tipica, come mostrato nella Figura 2. La turbina a gas LM2500 utilizza il motore principale del motore principale TF39/CF6-6 e trasforma la turbina a bassa pressione del motore principale in una turbina di potenza; la turbina a gas LM2500+ aggiunge uno stadio davanti al compressore della turbina a gas LM2500, in modo da migliorare il flusso di massa d'aria e la potenza in uscita; l'LM2500+G4 aumenta la portata d'aria della turbina a gas migliorando il profilo delle pale del compressore e aumentando l'area della gola della turbina sulla base dell'LM2500+, in modo da raggiungere lo scopo di migliorare continuamente la potenza energia. Con lo sviluppo in serie dell'LM2500, il prodotto viene continuamente aggiornato e migliorato, con una gamma di potenza compresa tra 20 e 35 MW e il numero di apparecchiature in tutto il mondo supera 1,000 unità, rendendolo il modello più utilizzato fino ad oggi .
A causa della difficoltà di sviluppo e produzione, lo sviluppo in serie basato sulla turbina a gas di successo è un importante modello di sviluppo tecnico per le turbine a gas di derivazione aeronautica, che consiste nel costante aggiornamento e miglioramento, nel miglioramento delle prestazioni e nella riduzione delle emissioni. Lo sviluppo in serie di turbine a gas di derivazione aeronautica è simile allo sviluppo di razza, che non solo può abbreviare il ciclo di sviluppo, ma anche garantire migliore affidabilità e avanzamento e ridurre significativamente i costi di progettazione, sviluppo, test e produzione.
Efficienza
L'obiettivo del miglioramento dell'efficienza è migliorare continuamente le prestazioni dell'intera macchina, in particolare la potenza di uscita dell'intera macchina e l'efficienza termica in tutte le condizioni operative. Le modalità principali sono le seguenti.
Uno è l'applicazione di cicli avanzati. L'applicazione di cicli avanzati può migliorare continuamente le prestazioni delle turbine a gas di derivazione aeronautica, come il ciclo di riscaldamento, il ciclo di reiniezione del vapore, il ciclo di recupero chimico, il ciclo dell'aria umida, il ciclo avanzato della turbina ad aria umida in serie e il ciclo Kalina, ecc. Dopo aver applicato il ciclo avanzato, non solo verranno migliorate le prestazioni dell'unità turbina a gas di derivazione aeronautica, ma verranno migliorate significativamente anche la potenza e l'efficienza termica dell'intera unità e le emissioni di ossido di azoto saranno notevolmente ridotte.
Il secondo è la progettazione dei componenti ad alta efficienza. La progettazione dei componenti ad alta efficienza si concentra sulla progettazione del compressore ad alta efficienza e sulla progettazione della turbina ad alta efficienza. La progettazione dei compressori ad alta efficienza continuerà a superare le difficoltà tecniche legate all'alta velocità, all'alta efficienza e ai limiti di bassa velocità e picchi elevati affrontati dai compressori. Come mostrato nella Figura 3, la progettazione delle turbine continuerà a svilupparsi nella direzione di alta efficienza, resistenza alle alte temperature e lunga durata.
