Afectado por factores políticos, militares e económicos, o desenvolvimento da tecnologia de motores de aeronaves é mais rápido do que o das turbinas a gás. Turbinas a gás e motores de aeronaves têm uma ampla gama de semelhanças técnicas e podem ser compartilhados em sistemas de projeto, sistemas de fabricação, sistemas de talentos e sistemas de teste. Portanto, com base na enorme demanda do mercado e nas óbvias vantagens de aplicação das turbinas a gás, tornou-se um consenso da indústria desenvolver turbinas a gás baseadas em motores de aeronaves maduros e de alto desempenho e em tecnologias industriais avançadas e métodos de projeto. Existem duas maneiras de transferir tecnologia de motores de aeronaves para turbinas a gás, conforme mostrado na Figura 1: uma é modificar e derivar diretamente motores de aeronaves maduros para formar turbinas a gás aeroderivadas; a outra é transplantar a tecnologia de motores de aeronaves para turbinas a gás pesadas e pesquisar e desenvolver uma nova geração de turbinas a gás pesadas.
História do Desenvolvimento de Turbinas a Gás Aeroderivadas
Juntamente com o desenvolvimento da tecnologia de motores de aviação e a aplicação de tecnologia de ciclo avançado, o processo de desenvolvimento técnico de turbinas a gás aeroderivadas passou pela fase de exploração tecnológica, fase de desenvolvimento tecnológico e fase de aplicação de ciclo avançado, realizando o desenvolvimento de aeroderivados turbinas a gás, desde a simples modificação até o projeto de otimização do motor central de alto desempenho, do ciclo simples à aplicação de ciclo complexo, desde a herança do sistema de projeto maduro e do sistema de materiais dos motores de aviação até o projeto de novos componentes e a aplicação de novos materiais, o que permitiu o nível de design, desempenho, confiabilidade e vida útil das turbinas a gás aeroderivadas para alcançar um desenvolvimento considerável.
Estágio de exploração tecnológica
Em 1943, a primeira turbina a gás aeroderivada do mundo foi desenvolvida com sucesso. Depois disso, Rolls-Royce, GE e Pratt & Whitney projetaram o primeiro lote de turbinas a gás aeroderivadas baseadas em modificações de motores de aeronaves maduras, incluindo Avon industrial, Olympus industrial, turbinas a gás Spey, LM1500 e FT4. Nesta fase, a tecnologia de turbinas a gás aeroderivadas estava em período exploratório. A estrutura herdou diretamente o núcleo do motor da aeronave, e a potência de saída foi alcançada equipando uma turbina de potência adequada; o desempenho geral da máquina não era alto e a eficiência do ciclo era geralmente inferior a 30%; a temperatura inicial antes da turbina era inferior a 1000 graus e a relação de pressão era de 4 para 10; o compressor era geralmente subsônico; as pás da turbina usavam tecnologia simples de resfriamento de ar; o material utilizado foi a liga inicial de alta temperatura; o sistema de controle geralmente usava um sistema de ajuste mecânico, hidráulico ou eletrônico analógico.
Estágio de Desenvolvimento Tecnológico
Com a aplicação madura de motores aeronáuticos, máquinas-mãe de alto desempenho e alta confiabilidade e tecnologias de projeto avançadas foram fornecidas para o rápido desenvolvimento de turbinas a gás aeroderivadas. Ao mesmo tempo, a procura de turbinas a gás aeroderivadas avançadas pelas marinhas do Reino Unido, dos Estados Unidos e de outros países também proporcionou uma ampla fase de aplicação, o que permitiu que as turbinas a gás aeroderivadas se desenvolvessem rapidamente e melhorassem significativamente o seu desempenho. Foi lançada uma série de turbinas a gás aeroderivadas com bom desempenho e alta confiabilidade. . Como a série LM2500, Trent industrial, FT4000 e MT30, etc., são amplamente utilizados em energia naval, geração de energia e outros campos.
Os componentes quentes das turbinas a gás aeroderivadas em estágio de desenvolvimento tecnológico geralmente usam superligas e revestimentos protetores para melhorar a resistência à temperatura e aplicam tecnologia avançada de resfriamento de ar e tecnologia de combustão de baixa poluição; a temperatura inicial antes da turbina atingir 1.400 graus, a potência pode atingir 40-50 MW, a eficiência térmica de uma única unidade ultrapassa 40% e a eficiência do ciclo combinado pode chegar a 60%; um sistema de controle eletrônico digital é usado e a precisão e o desempenho do controle são significativamente melhorados.
Aplicar ciclos avançados
À medida que aumentam os requisitos para o alto desempenho das turbinas a gás aeroderivadas, especialmente o consumo de combustível, a potência de saída e outros indicadores, as turbinas a gás aeroderivadas de ciclo avançado ganharam prática de engenharia generalizada. A adição de um ciclo de resfriamento intermediário ou de recuperação de calor interresfriado com base no ciclo térmico da turbina a gás pode melhorar significativamente a potência de saída e o baixo desempenho das condições operacionais da turbina a gás aeroderivada. Por exemplo, o nível de potência da turbina a gás intercooler LMS100 atinge 100 MW e a eficiência chega a 46%. A eficiência térmica da turbina a gás de recuperação e resfriamento intermediário WR21 em baixas condições de operação é muito maior do que a de uma turbina a gás de ciclo simples. Como potência de navio, melhora muito a economia e o raio de combate do navio.
A potência de saída das turbinas a gás aeroderivadas de ciclo avançado usando ciclos de intercooler ou de recuperação de calor intercooler foi bastante aumentada, e a eficiência térmica em todas as condições operacionais foi melhorada. Por exemplo, o nível de potência pode atingir 100 MW e a eficiência térmica no ponto de projeto chega a 46%; o desempenho da baixa condição operacional foi significativamente melhorado. A eficiência térmica pode atingir 40% sob carga de 50%; o resfriamento intermediário reduz a potência específica do compressor de alta pressão e a taxa de pressão projetada de toda a máquina pode chegar a mais de 40.
Modelo de desenvolvimento tecnológico
Olhando para a história do desenvolvimento, as turbinas a gás aeroderivadas possuem modelos de desenvolvimento técnico, como desenvolvimento de pedigree, desenvolvimento em série, adoção de tecnologia de ciclo avançado e aplicação de modo de ciclo combinado.
Desenvolvimento genealógico
O desenvolvimento genealógico é o desenvolvimento de turbinas a gás de diferentes tipos e níveis de potência baseadas no mesmo motor de aeronave, que reflete plenamente as características das turbinas a gás derivadas da aviação: "uma máquina como base, atendendo a múltiplos usos, economizando ciclos, reduzindo custos, derivando vários tipos e formando um espectro."
Tomando o motor da aeronave CF6-80C2 como exemplo, a turbina a gás LM6000 usa diretamente o motor central do CF6-80C2 e mantém a versatilidade máxima da turbina de baixa pressão; o LMS100 herda a tecnologia de motor central do CF6-80C2, combina a tecnologia de turbina a gás de serviço pesado classe F e a tecnologia de intercooler e tem uma potência de 100 MW; o MS9001G/H adota totalmente a tecnologia madura do motor de aeronave CF6-80C2 e, por meio da combinação com a tecnologia de turbina a gás de serviço pesado, a temperatura antes da turbina é aumentada de 1.287 graus da classe F para 1430 graus, e a potência chega a 282 MW. O desenvolvimento bem-sucedido dos três tipos de turbinas a gás permitiu que o desenvolvimento do motor de aeronave CF6-80C2 baseado na aviação alcançasse "uma máquina com vários tipos, desenvolvendo turbinas a gás de diferentes tipos e potências".
Desenvolvimento de série
O desenvolvimento em série visa atualizar e melhorar continuamente, melhorar o desempenho e reduzir as emissões com base em uma turbina a gás bem-sucedida, de modo a alcançar o desenvolvimento em série de turbinas a gás aeroderivadas, entre as quais a série LM2500 é a mais típica, como mostrado na Figura 2. A turbina a gás LM2500 usa o motor principal do motor pai TF39/CF6-6 e transforma a turbina de baixa pressão do motor pai em uma turbina de potência; a turbina a gás LM2500+ adiciona um estágio na frente do compressor da turbina a gás LM2500, de modo a melhorar o fluxo de massa de ar e a potência de saída; o LM2500+G4 aumenta a vazão de ar da turbina a gás, melhorando o perfil da pá do compressor e aumentando a área da garganta da turbina com base no LM2500+, de modo a atingir o objetivo de melhorar continuamente a produção poder. Com o desenvolvimento em série do LM2500, o produto é continuamente atualizado e melhorado, com uma faixa de potência de 20 a 35 MW, e o número de equipamentos em todo o mundo excede 1,000 unidades, tornando-o o modelo mais utilizado até o momento. .
Devido à dificuldade de desenvolvimento e produção, o desenvolvimento em série baseado na turbina a gás de sucesso é um importante modelo de desenvolvimento técnico para turbinas a gás aeroderivadas, que visa atualizar e melhorar continuamente, melhorar o desempenho e reduzir as emissões. O desenvolvimento em série de turbinas a gás aeroderivadas é semelhante ao desenvolvimento de pedigree, que pode não apenas encurtar o ciclo de desenvolvimento, mas também garantir melhor confiabilidade e avanço, e reduzir significativamente os custos de projeto, desenvolvimento, testes e fabricação.
Eficiência
O objetivo da melhoria da eficiência é melhorar continuamente o desempenho de toda a máquina, especialmente a potência de saída de toda a máquina e a eficiência térmica em todas as condições operacionais. As principais formas são as seguintes.
Uma delas é a aplicação de ciclos avançados. A aplicação de ciclos avançados pode melhorar continuamente o desempenho de turbinas a gás aeroderivadas, como ciclo de reaquecimento, ciclo de reinjeção de vapor, ciclo de recuperação química, ciclo de ar úmido, ciclo avançado de turbina de ar úmido em série e ciclo Kalina, etc. não apenas o desempenho da unidade de turbina a gás aeroderivada será melhorado, mas a eficiência energética e térmica de toda a unidade também será significativamente melhorada e as emissões de óxido de nitrogênio serão significativamente reduzidas.
O segundo é o design de componentes de alta eficiência. O projeto de componentes de alta eficiência concentra-se no projeto de compressor de alta eficiência e no projeto de turbina de alta eficiência. O projeto do compressor de alta eficiência continuará a superar as dificuldades técnicas de alta velocidade e alta eficiência e baixa velocidade e alto limite de oscilação enfrentados pelos compressores. Conforme mostrado na Figura 3, o projeto das turbinas continuará a se desenvolver na direção de alta eficiência, resistência a altas temperaturas e longa vida útil.
