Siyasi, askeri ve ekonomik faktörlerden etkilenen uçak motoru teknolojisinin gelişimi, gaz türbinlerine göre daha hızlıdır. Gaz türbinleri ve uçak motorları çok çeşitli teknik ortak özelliklere sahiptir ve tasarım sistemleri, üretim sistemleri, yetenek sistemleri ve test sistemlerinde paylaşılabilir. Bu nedenle, gaz türbinlerinin büyük pazar talebi ve bariz uygulama avantajlarına dayanarak, yüksek performanslı, olgun uçak motorlarına ve ileri endüstriyel teknolojilere ve tasarım yöntemlerine dayalı gaz türbinlerinin geliştirilmesi endüstride bir fikir birliğine varmıştır. Şekil 1'de gösterildiği gibi, uçak motoru teknolojisini gaz türbinlerine aktarmanın iki yolu vardır: bunlardan biri, olgun uçak motorlarını doğrudan aero-türevi gaz türbinleri oluşturacak şekilde değiştirmek ve türetmektir; diğeri ise uçak motoru teknolojisini ağır hizmet gaz türbinlerine aktarmak ve yeni nesil ağır hizmet gaz türbinlerini araştırıp geliştirmek.
Aero-türevli Gaz Türbinlerinin Gelişim Tarihi
Havacılık motoru teknolojisinin gelişmesi ve ileri çevrim teknolojisinin uygulanmasıyla birlikte, aero-türevli gaz türbinlerinin teknik geliştirme süreci, aero-türevin gelişimini gerçekleştirerek teknoloji arama aşaması, teknoloji geliştirme aşaması ve ileri çevrim uygulama aşamasından geçmiştir. basit modifikasyondan yüksek performanslı çekirdek motor optimizasyon tasarımına, basit çevrimden karmaşık çevrim uygulamasına, havacılık motorlarının olgun tasarım sistemi ve malzeme sisteminin devralınmasından yeni bileşenlerin tasarımına ve yeni malzemelerin uygulanmasına kadar gaz türbinleri. tasarım seviyesi, Aero-türevli gaz türbinlerinin performansını, güvenilirliğini ve ömrünü önemli ölçüde geliştirmek için.
Teknoloji keşif aşaması
1943 yılında dünyanın ilk aero-türevli gaz türbini başarıyla geliştirildi. Bundan sonra Rolls-Royce, GE ve Pratt & Whitney, endüstriyel Avon, endüstriyel Olympus, Spey gaz türbinleri, LM1500 ve FT4 dahil olmak üzere olgun uçak motoru modifikasyonlarını temel alan ilk aero-türev gaz türbinleri grubunu tasarladı. Bu aşamada aero-türevli gaz türbinlerinin teknolojisi henüz keşif aşamasındaydı. Yapı doğrudan uçak motorunun çekirdeğini devraldı ve çıkış gücü, uygun bir güç türbininin donatılmasıyla elde edildi; makinenin genel performansı yüksek değildi ve çevrim verimliliği genellikle %30'un altındaydı; türbin öncesi başlangıç sıcaklığı 1000 dereceden azdı ve basınç oranı 4'e 10'du; kompresör genellikle ses altıydı; türbin kanatlarında basit hava soğutma teknolojisi kullanıldı; kullanılan malzeme başlangıçtaki yüksek sıcaklık alaşımıydı; kontrol sistemi genellikle mekanik bir hidrolik veya analog elektronik ayarlama sistemi kullanıyordu.
Teknoloji Geliştirme Aşaması
Aeromotorların olgunlaşmış uygulamalarıyla birlikte, aeroderivatif gaz türbinlerinin hızlı gelişimi için yüksek performanslı, yüksek güvenilirliğe sahip ana makineler ve ileri tasarım teknolojileri sağlanmıştır. Aynı zamanda, Birleşik Krallık, Amerika Birleşik Devletleri ve diğer ülkelerin donanmalarının gelişmiş aeroderivatif gaz türbinlerine olan talebi de geniş bir uygulama aşaması sunmuş ve bu da aeroderivatif gaz türbinlerinin hızla gelişmesine ve performanslarının önemli ölçüde artmasına olanak sağlamıştır. İyi performansa ve yüksek güvenilirliğe sahip bir dizi aeroderivatif gaz türbini piyasaya sürüldü. . LM2500 serisi, endüstriyel Trent, FT4000 ve MT30 vb. gemi gücü, enerji üretimi ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.
Teknolojik geliştirme aşamasındaki aero-türevli gaz türbinlerinin sıcak uç bileşenleri genellikle sıcaklık direncini artırmak için süper alaşımlar ve koruyucu kaplamalar kullanır ve gelişmiş hava soğutma teknolojisi ve düşük kirlilikli yanma teknolojisini uygular; türbin 1400 dereceye ulaşmadan önceki başlangıç sıcaklığı, güç 40-50MW'a ulaşabilir, tek bir ünitenin termal verimliliği %40'ı aşar ve kombine çevrim verimliliği %60'a ulaşabilir; dijital elektronik kontrol sistemi kullanılır ve kontrol doğruluğu ve kontrol performansı önemli ölçüde iyileştirilir.
Gelişmiş döngüleri uygulayın
Aeroderivatif gaz türbinlerinin yüksek performansına yönelik gereksinimler, özellikle de yakıt tüketimi, çıkış gücü ve diğer göstergeler arttıkça, ileri çevrimli aeroderivatif gaz türbinleri yaygın mühendislik uygulamaları kazanmıştır. Gaz türbini termal çevrimi temelinde bir ara soğutma veya ara soğutmalı ısı geri kazanım döngüsünün eklenmesi, aeroderivatif gaz türbininin çıkış gücünü ve düşük çalışma koşulu performansını önemli ölçüde artırabilir. Örneğin LMS100 ara soğutmalı gaz türbininin güç seviyesi 100MW'a ulaşıyor ve verimliliği %46'ya kadar çıkıyor. WR21 ara soğutmalı geri kazanım gaz türbininin düşük çalışma koşullarındaki termal verimliliği, basit çevrimli gaz türbinininkinden çok daha yüksektir. Bir gemi gücü olarak geminin ekonomisini ve savaş yarıçapını büyük ölçüde artırır.
Ara soğutmalı veya ara soğutmalı ısı geri kazanım çevrimlerini kullanan gelişmiş çevrimli aeroderivatif gaz türbinlerinin çıkış gücü büyük ölçüde artırıldı ve tüm çalışma koşullarında termal verimlilik iyileştirildi. Örneğin güç seviyesi 100 MW'a ulaşabilir ve tasarım noktasındaki ısıl verim %46'ya kadar çıkabilir; düşük çalışma koşulu performansı önemli ölçüde iyileştirildi, termal verimlilik %50 yük altında %40'a ulaşabilir; ara soğutma, yüksek basınçlı kompresörün özgül gücünü azaltır ve tüm makinenin tasarım basınç oranı 40'ın üzerine çıkabilir.
Teknoloji geliştirme modeli
Gelişim geçmişine bakıldığında aero-türevli gaz türbinlerinin soyağacı geliştirme, seri geliştirme, ileri çevrim teknolojisinin benimsenmesi ve kombine çevrim modunun uygulanması gibi teknik geliştirme modelleri bulunmaktadır.
Şecere gelişimi
Şecere geliştirme, havacılık türevi gaz türbinlerinin özelliklerini tam olarak yansıtan, aynı uçak motoruna dayalı farklı tip ve güç seviyelerinde gaz türbinlerinin geliştirilmesidir: "temel olarak tek bir makine, birden fazla kullanımı karşılayan, çevrim tasarrufu sağlayan, maliyetleri azaltan, birden fazla türün türetilmesi ve bir spektrum oluşturulması."
CF6-80C2 uçak motorunu örnek alırsak, LM6000 gaz türbini doğrudan CF6-80C2'nin çekirdek motorunu kullanır ve düşük basınçlı türbinin maksimum çok yönlülüğünü korur; LMS100, CF6-80C2'nin temel motor teknolojisini devralır, F sınıfı ağır hizmet gaz türbini teknolojisi ile ara soğutma teknolojisini birleştirir ve 100 MW'lık bir güce sahiptir; MS9001G/H, CF6-80C2 uçak motorunun olgun teknolojisini tamamen benimser ve ağır hizmet tipi gaz türbini teknolojisiyle birleşimi sayesinde türbin öncesi sıcaklık, F sınıfının 1287 dereceden 1287 dereceye yükseltilir. 1430 derece ve güç 282MW'a ulaşıyor. Üç tip gaz türbininin başarılı bir şekilde geliştirilmesi, CF6-80C2 uçak motorunun havacılık temelli geliştirilmesiyle "farklı tiplerde ve güçlerde gaz türbinleri geliştiren, birden fazla tipte tek bir makine" elde edilmesini sağladı.
Seri geliştirme
Seri geliştirme, gösterildiği gibi LM2500 serisinin en tipik olduğu aero-türevi gaz türbinlerinin seri gelişimini sağlamak için başarılı bir gaz türbini temelinde sürekli olarak yükseltme ve iyileştirme, performansı iyileştirme ve emisyonları azaltmayı amaçlamaktadır. Şekil 2'de. LM2500 gaz türbini, ana motor TF39/CF6-6'nin çekirdek motorunu kullanır ve ana motorun düşük basınçlı türbinini bir güç türbinine dönüştürür; LM2500+ gaz türbini, hava kütle akışını ve çıkış gücünü iyileştirmek amacıyla LM2500 gaz türbininin kompresörünün önüne bir aşama ekler; LM2500+G4, çıkışı sürekli iyileştirme amacına ulaşmak için kompresör kanat profilini iyileştirerek ve LM2500+ temelinde türbin boğaz alanını artırarak gaz türbini hava akış hızını artırır. güç. LM2500'ün seri olarak geliştirilmesiyle birlikte ürün, 20 ila 35 MW'lık bir güç aralığıyla sürekli olarak yükseltilmekte ve geliştirilmektedir ve dünya çapındaki ekipman sayısı 1000 birimi aşmaktadır; bu da onu bugüne kadarki en yaygın kullanılan model haline getirmektedir. .
Geliştirme ve üretimin zorluğu nedeniyle, başarılı gaz türbinini temel alan seri geliştirme, aero-türevli gaz türbinleri için sürekli olarak yükseltme ve iyileştirme, performansı iyileştirme ve emisyonları azaltmayı amaçlayan önemli bir teknik geliştirme modelidir. Aero-türevli gaz türbinlerinin seri gelişimi, yalnızca geliştirme döngüsünü kısaltmakla kalmayıp aynı zamanda daha iyi güvenilirlik ve ilerlemeyi garantileyen ve tasarım, geliştirme, test ve üretim maliyetlerini önemli ölçüde azaltan soyağacı gelişimine benzer.
Yeterlik
Verimliliği iyileştirmenin amacı, tüm makinenin performansını, özellikle tüm makinenin çıkış gücünü ve tüm çalışma koşullarında termal verimliliği sürekli olarak iyileştirmektir. Ana yollar aşağıdaki gibidir.
Bunlardan biri gelişmiş döngülerin uygulanmasıdır. Gelişmiş çevrimlerin uygulanması, yeniden ısıtma çevrimi, buhar yeniden enjeksiyon çevrimi, kimyasal geri kazanım çevrimi, ıslak hava çevrimi, seri ıslak hava gelişmiş türbin çevrimi ve Kalina çevrimi vb. gibi aeroderivatif gaz türbinlerinin performansını sürekli olarak geliştirebilir. Gelişmiş çevrimi uyguladıktan sonra, Yalnızca aeroderivatif gaz türbini ünitesinin performansı iyileştirilmeyecek, aynı zamanda tüm ünitenin gücü ve termal verimliliği de önemli ölçüde artırılacak ve nitrojen oksit emisyonları önemli ölçüde azaltılacak.
İkincisi, yüksek verimli bileşen tasarımıdır. Yüksek verimli bileşen tasarımı, yüksek verimli kompresör tasarımına ve yüksek verimli türbin tasarımına odaklanır. Yüksek verimli kompresör tasarımı, kompresörlerin karşılaştığı yüksek hız ve yüksek verimlilik ile düşük hız ve yüksek dalgalanma sınırından kaynaklanan teknik zorlukların üstesinden gelmeye devam edecektir. Şekil 3'te görüldüğü gibi türbinlerin tasarımı, yüksek verim, yüksek sıcaklık dayanımı ve uzun ömür yönünde gelişmeye devam edecektir.
