Επηρεασμένη από πολιτικούς, στρατιωτικούς και οικονομικούς παράγοντες, η ανάπτυξη της τεχνολογίας των κινητήρων αεροσκαφών είναι ταχύτερη από αυτή των αεριοστροβίλων. Οι αεριοστρόβιλοι και οι κινητήρες αεροσκαφών έχουν ένα ευρύ φάσμα τεχνικών κοινών σημείων και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συστήματα σχεδιασμού, συστήματα κατασκευής, συστήματα ταλέντων και συστήματα δοκιμών. Επομένως, με βάση την τεράστια ζήτηση της αγοράς και τα προφανή πλεονεκτήματα εφαρμογής των αεριοστροβίλων, έχει γίνει συναίνεση της βιομηχανίας η ανάπτυξη αεριοστροβίλων βασισμένων σε υψηλής απόδοσης, ώριμους κινητήρες αεροσκαφών και προηγμένες βιομηχανικές τεχνολογίες και μεθόδους σχεδιασμού. Υπάρχουν δύο τρόποι για να μεταφερθεί η τεχνολογία των κινητήρων αεροσκαφών σε αεριοστρόβιλους, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1: ο ένας είναι η άμεση τροποποίηση και η παραγωγή ώριμων κινητήρων αεροσκαφών για να σχηματιστούν αεριοστρόβιλοι παραγώγων αεροσκαφών. Το άλλο είναι η μεταμόσχευση τεχνολογίας κινητήρων αεροσκαφών σε αεριοστρόβιλους βαρέως τύπου και η έρευνα και η ανάπτυξη νέας γενιάς αεριοστροβίλων βαρέως τύπου.
Ιστορικό Ανάπτυξης Αεριοστρόβιλων Αεριοπαραγώγων
Μαζί με την ανάπτυξη της τεχνολογίας αεροπορικών κινητήρων και την εφαρμογή προηγμένης τεχνολογίας κύκλου, η διαδικασία τεχνικής ανάπτυξης των αεριοστροβίλων αεριοπαραγωγών έχει περάσει από το στάδιο εξερεύνησης τεχνολογίας, το στάδιο ανάπτυξης τεχνολογίας και το στάδιο εφαρμογής προηγμένου κύκλου, πραγματοποιώντας την ανάπτυξη αεροπαραγώγων αεριοστρόβιλοι από την απλή τροποποίηση έως τη σχεδίαση βελτιστοποίησης του πυρήνα του κινητήρα υψηλής απόδοσης, από την εφαρμογή απλού κύκλου σε σύνθετους κύκλους, από την κληρονομιά του ώριμου συστήματος σχεδίασης και του συστήματος υλικών κινητήρες αεροπορίας για το σχεδιασμό νέων εξαρτημάτων και την εφαρμογή νέων υλικών, γεγονός που επέτρεψε το επίπεδο σχεδιασμού, την απόδοση, την αξιοπιστία και τη διάρκεια ζωής των αεριοστροβίλων παραγώγων αεροσκαφών να επιτύχει σημαντική ανάπτυξη.
Στάδιο εξερεύνησης τεχνολογίας
Το 1943, αναπτύχθηκε με επιτυχία ο πρώτος αεριοστρόβιλος παραγώγων στον κόσμο. Στη συνέχεια, η Rolls-Royce, η GE και η Pratt & Whitney σχεδίασαν την πρώτη παρτίδα αεριοστροβίλων παραγώγων αεροσκαφών βασισμένων σε ώριμες τροποποιήσεις κινητήρων αεροσκαφών, συμπεριλαμβανομένων των βιομηχανικών Avon, βιομηχανικών Olympus, αεριοστροβίλων Spey, LM1500 και FT4. Σε αυτό το στάδιο, η τεχνολογία των αεριοστροβίλων παραγώγων αερίου βρισκόταν στην εξερευνητική περίοδο. Η δομή κληρονόμησε άμεσα τον πυρήνα του κινητήρα του αεροσκάφους και η ισχύς εξόδου επιτυγχανόταν με τον εξοπλισμό μιας κατάλληλης τουρμπίνας ισχύος. η συνολική απόδοση του μηχανήματος δεν ήταν υψηλή και η απόδοση του κύκλου ήταν γενικά μικρότερη από 30%. η αρχική θερμοκρασία πριν από τον στρόβιλο ήταν μικρότερη από 1000 βαθμούς και η αναλογία πίεσης ήταν 4 προς 10. ο συμπιεστής ήταν γενικά υποηχητικός? τα πτερύγια του στροβίλου χρησιμοποιούσαν απλή τεχνολογία ψύξης αέρα. Το υλικό που χρησιμοποιήθηκε ήταν το αρχικό κράμα υψηλής θερμοκρασίας. το σύστημα ελέγχου χρησιμοποιούσε γενικά ένα μηχανικό υδραυλικό ή αναλογικό ηλεκτρονικό σύστημα ρύθμισης.
Στάδιο Ανάπτυξης Τεχνολογίας
Με την ώριμη εφαρμογή αεροκινητήρων, υψηλών επιδόσεων, υψηλής αξιοπιστίας μητρικά μηχανήματα και προηγμένες τεχνολογίες σχεδιασμού έχουν παρασχεθεί για την ταχεία ανάπτυξη αεριοστροβίλων αεροπαραγώγων. Ταυτόχρονα, η ζήτηση για προηγμένους αεριοστρόβιλους αεροπαραγώγων από τα ναυτικά του Ηνωμένου Βασιλείου, των Ηνωμένων Πολιτειών και άλλων χωρών παρείχε επίσης ένα ευρύ στάδιο εφαρμογής, το οποίο επέτρεψε στους αεριοστρόβιλους αεριοπαράγωγων να αναπτυχθούν γρήγορα και να βελτιώσουν σημαντικά την απόδοσή τους. Έχει δρομολογηθεί μια σειρά αεριοστροβίλων αεριοπαράγωγων με καλή απόδοση και υψηλή αξιοπιστία. . Όπως η σειρά LM2500, η βιομηχανική Trent, η FT4000 και η MT30, κ.λπ., χρησιμοποιούνται ευρέως στην ενέργεια των πλοίων, την παραγωγή ενέργειας και άλλους τομείς.
Τα θερμά εξαρτήματα των αεριοστροβίλων παραγώγων αερίου στο στάδιο της τεχνολογικής ανάπτυξης γενικά χρησιμοποιούν υπερκράματα και προστατευτικές επιστρώσεις για τη βελτίωση της αντοχής στη θερμοκρασία και εφαρμόζουν προηγμένη τεχνολογία ψύξης αέρα και τεχνολογία καύσης χαμηλής ρύπανσης. η αρχική θερμοκρασία πριν ο στρόβιλος φτάσει τους 1400 βαθμούς, η ισχύς μπορεί να φτάσει τα 40-50MW, η θερμική απόδοση μιας μονάδας υπερβαίνει το 40% και η απόδοση συνδυασμένου κύκλου μπορεί να φτάσει το 60%. χρησιμοποιείται ψηφιακό ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου και η ακρίβεια ελέγχου και η απόδοση ελέγχου βελτιώνονται σημαντικά.
Εφαρμόστε προχωρημένους κύκλους
Καθώς αυξάνονται οι απαιτήσεις για υψηλή απόδοση αεριοστροβίλων αεριοπαραγώγων, ιδιαίτερα η κατανάλωση καυσίμου, η ισχύς εξόδου και άλλοι δείκτες, οι αεριοστρόβιλοι αεριοπαραγώγων προηγμένου κύκλου έχουν αποκτήσει ευρεία πρακτική μηχανικής. Η προσθήκη ενός κύκλου ενδοψύξης ή ανάκτησης θερμότητας με ενδιάμεση ψύξη με βάση τον θερμικό κύκλο του αεριοστροβίλου μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την ισχύ εξόδου και την απόδοση χαμηλής κατάστασης λειτουργίας του αεριοστρόβιλου αεριοπαράγωγου. Για παράδειγμα, το επίπεδο ισχύος του αεριοστρόβιλου ενδοψυκτικού LMS100 φτάνει τα 100 MW και η απόδοση φτάνει το 46%. Η θερμική απόδοση του αεριοστρόβιλου ανάκτησης ενδιάμεσης ψύξης WR21 σε χαμηλές συνθήκες λειτουργίας είναι πολύ υψηλότερη από αυτή ενός αεριοστρόβιλου απλού κύκλου. Ως δύναμη πλοίου, βελτιώνει σημαντικά την οικονομία και την ακτίνα μάχης του πλοίου.
Η ισχύς εξόδου των αεριοστροβίλων αεριοπαραγώγων προηγμένου κύκλου που χρησιμοποιούν ενδοψύξη ή κύκλους ανάκτησης θερμότητας με ενδιάμεση ψύξη έχει αυξηθεί σημαντικά και η θερμική απόδοση σε όλες τις συνθήκες λειτουργίας έχει βελτιωθεί. Για παράδειγμα, το επίπεδο ισχύος μπορεί να φτάσει τα 100 MW και η θερμική απόδοση στο σημείο σχεδιασμού είναι τόσο υψηλή όσο 46%. η απόδοση χαμηλής κατάστασης λειτουργίας έχει βελτιωθεί σημαντικά, η θερμική απόδοση μπορεί να φτάσει το 40% υπό φορτίο 50%. Η ενδοψύξη μειώνει την ειδική ισχύ του συμπιεστή υψηλής πίεσης και ο λόγος πίεσης σχεδιασμού ολόκληρου του μηχανήματος μπορεί να φτάσει περισσότερο από 40.
Μοντέλο ανάπτυξης τεχνολογίας
Εξετάζοντας την ιστορία της ανάπτυξης, οι αεριοστρόβιλοι παραγώγων αεροναυπηγικής διαθέτουν μοντέλα τεχνικής ανάπτυξης, όπως ανάπτυξη γενεαλογίας, σειριακή ανάπτυξη, υιοθέτηση προηγμένης τεχνολογίας κύκλου και εφαρμογή συνδυασμένου κύκλου.
Γενεαλογική εξέλιξη
Η γενεαλογική ανάπτυξη είναι η ανάπτυξη αεριοστροβίλων διαφορετικών τύπων και επιπέδων ισχύος που βασίζονται στον ίδιο κινητήρα αεροσκάφους, ο οποίος αντικατοπτρίζει πλήρως τα χαρακτηριστικά των αεριοστροβίλων παραγώγων αεροσκαφών: «ένα μηχάνημα ως βάση, ικανοποίηση πολλαπλών χρήσεων, εξοικονόμηση κύκλων, μείωση κόστους, αντλώντας πολλαπλούς τύπους και σχηματίζοντας ένα φάσμα».
Λαμβάνοντας ως παράδειγμα τον κινητήρα αεροσκάφους CF6-80C2, ο αεριοστρόβιλος LM6000 χρησιμοποιεί απευθείας τον κινητήρα πυρήνα του CF6-80C2 και διατηρεί τη μέγιστη ευελιξία του στροβίλου χαμηλής πίεσης. το LMS100 κληρονομεί την τεχνολογία πυρήνα του κινητήρα του CF6-80C2, συνδυάζει την τεχνολογία αεριοστροβίλου βαρέως τύπου F-class και την τεχνολογία intercooling και έχει ισχύ 100 MW. το MS9001G/H υιοθετεί πλήρως την ώριμη τεχνολογία του κινητήρα αεροσκάφους CF6-80C2 και μέσω του συνδυασμού με την τεχνολογία αεριοστροβίλου βαρέως τύπου, η θερμοκρασία πριν από τον στρόβιλο αυξάνεται από 1287 βαθμούς της κατηγορίας F σε 1430 μοίρες και η ισχύς φτάνει τα 282 MW. Η επιτυχημένη ανάπτυξη των τριών τύπων αεριοστροβίλων επέτρεψε την ανάπτυξη του κινητήρα αεροσκαφών CF6-80C2 με βάση τις αερομεταφορές, ώστε να επιτευχθεί "μία μηχανή με πολλούς τύπους, που αναπτύσσει αεριοστρόβιλους διαφορετικών τύπων και ισχύος".
Ανάπτυξη σειράς
Η σειριακή ανάπτυξη είναι η συνεχής αναβάθμιση και βελτίωση, βελτίωση της απόδοσης και μείωση των εκπομπών με βάση έναν επιτυχημένο αεριοστρόβιλο, έτσι ώστε να επιτευχθεί η σειριακή ανάπτυξη αεριοστρόβιλων παραγώγων αεροσκαφών, μεταξύ των οποίων η σειρά LM2500 είναι η πιο χαρακτηριστική, όπως φαίνεται στο σχήμα 2. Ο αεριοστρόβιλος LM2500 χρησιμοποιεί τον κινητήρα πυρήνα του μητρικού κινητήρα TF39/CF6-6 και αλλάζει την στρόβιλος χαμηλής πίεσης του μητρικού κινητήρα σε τουρμπίνα ισχύος· ο αεριοστρόβιλος LM2500+ προσθέτει ένα στάδιο μπροστά από τον συμπιεστή του αεριοστρόβιλου LM2500, έτσι ώστε να βελτιωθεί η ροή μάζας αέρα και η ισχύς εξόδου. το LM2500+G4 αυξάνει τον ρυθμό ροής αέρα του αεριοστροβίλου βελτιώνοντας το προφίλ πτερυγίων του συμπιεστή και αυξάνοντας την περιοχή του λαιμού του στροβίλου με βάση το LM2500+, έτσι ώστε να επιτευχθεί ο σκοπός της συνεχούς βελτίωσης της απόδοσης εξουσία. Με τη σειριακή ανάπτυξη του LM2500, το προϊόν αναβαθμίζεται και βελτιώνεται συνεχώς, με εύρος ισχύος από 20 έως 35 MW και ο αριθμός του εξοπλισμού παγκοσμίως υπερβαίνει τις 1,000 μονάδες, καθιστώντας το το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο μοντέλο μέχρι σήμερα .
Λόγω της δυσκολίας ανάπτυξης και παραγωγής, η σειριακή ανάπτυξη που βασίζεται στον επιτυχημένο αεριοστρόβιλο είναι ένα σημαντικό μοντέλο τεχνικής ανάπτυξης για αεριοστρόβιλους παραγώγων αεροσκαφών, που συνίσταται στη συνεχή αναβάθμιση και βελτίωση, βελτίωση της απόδοσης και μείωση των εκπομπών. Η σειριακή ανάπτυξη αεριοστροβίλων αεροπαραγώγων είναι παρόμοια με την γενεαλογική ανάπτυξη, η οποία όχι μόνο μπορεί να συντομεύσει τον κύκλο ανάπτυξης, αλλά και να εξασφαλίσει καλύτερη αξιοπιστία και πρόοδο και να μειώσει σημαντικά το κόστος σχεδιασμού, ανάπτυξης, δοκιμής και κατασκευής.
Αποδοτικότητα
Ο στόχος της βελτίωσης της απόδοσης είναι η συνεχής βελτίωση της απόδοσης ολόκληρου του μηχανήματος, ειδικά της ισχύος εξόδου ολόκληρου του μηχανήματος και της θερμικής απόδοσης υπό όλες τις συνθήκες λειτουργίας. Οι κύριοι τρόποι είναι οι εξής.
Το ένα είναι η εφαρμογή προηγμένων κύκλων. Η εφαρμογή προηγμένων κύκλων μπορεί να βελτιώνει συνεχώς την απόδοση αεριοστροβίλων αεριοπαράγωγων, όπως κύκλος αναθέρμανσης, κύκλος επανέγχυσης ατμού, κύκλος χημικής ανάκτησης, κύκλος υγρού αέρα, κύκλος προηγμένου κύκλου υγρού αέρα σειράς και κύκλος Kalina κ.λπ. Μετά την εφαρμογή του προηγμένου κύκλου, όχι μόνο θα βελτιωθεί η απόδοση της μονάδας αεριοστροβίλου αεριοπαραγωγών, αλλά η ισχύς και η θερμική Η απόδοση ολόκληρης της μονάδας θα βελτιωθεί επίσης σημαντικά και οι εκπομπές οξειδίων του αζώτου θα μειωθούν σημαντικά.
Το δεύτερο είναι ο σχεδιασμός εξαρτημάτων υψηλής απόδοσης. Ο σχεδιασμός εξαρτημάτων υψηλής απόδοσης εστιάζει στον σχεδιασμό συμπιεστή υψηλής απόδοσης και στον σχεδιασμό τουρμπίνας υψηλής απόδοσης. Ο σχεδιασμός συμπιεστή υψηλής απόδοσης θα συνεχίσει να ξεπερνά τις τεχνικές δυσκολίες της υψηλής ταχύτητας και της υψηλής απόδοσης και των ορίων χαμηλής ταχύτητας και υψηλής υπέρτασης που αντιμετωπίζουν οι συμπιεστές. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 3, ο σχεδιασμός των στροβίλων θα συνεχίσει να αναπτύσσεται προς την κατεύθυνση της υψηλής απόδοσης, της αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες και της μεγάλης διάρκειας ζωής.
