Rozwój technologii turbin gazowych opartych na silnikach lotniczych

Pod wpływem czynników politycznych, wojskowych i gospodarczych rozwój technologii silników lotniczych przebiega szybciej niż w przypadku turbiny gazowe. Turbiny gazowe i silniki lotnicze charakteryzują się wieloma wspólnymi cechami technicznymi, co pozwala na wspólne wykorzystanie systemów projektowych, produkcyjnych, kadrowych i testowych. W związku z tym, biorąc pod uwagę ogromny popyt rynkowy i oczywiste zalety zastosowań turbin gazowych, w branży panuje powszechna zgoda co do tego, że należy opracowywać turbiny gazowe w oparciu o wysokowydajne, sprawdzone silniki lotnicze oraz zaawansowane technologie przemysłowe i metody projektowania. Istnieją dwa sposoby przeniesienia technologii silników lotniczych do turbin gazowych, jak pokazano na rysunku 1: jednym z nich jest bezpośrednia modyfikacja i adaptacja sprawdzonych silników lotniczych w celu stworzenia turbin gazowych pochodzenia lotniczego; drugim jest przeniesienie technologii silników lotniczych do turbin gazowych o dużej mocy oraz prowadzenie badań i prac rozwojowych nad nową generacją turbin gazowych o dużej mocy.

Historia rozwoju turbin gazowych typu aero-derywatywnego

Wraz z rozwojem technologii silników lotniczych oraz wdrażaniem zaawansowanych technologii cykli, proces rozwoju technicznego turbin gazowych pochodnych silników lotniczych przeszedł przez etap badań technologicznych, etap rozwoju technologicznego oraz etap wdrażania zaawansowanych cykli, co pozwoliło na przejście w rozwoju turbin gazowych pochodzenia lotniczego od prostych modyfikacji do optymalizacji konstrukcji silników głównych o wysokiej wydajności, od prostych cykli do zastosowań cykli złożonych, od przejmowania sprawdzonych systemów konstrukcyjnych i materiałowych silników lotniczych do projektowania nowych podzespołów i stosowania nowych materiałów. Dzięki temu poziom projektowania, wydajności, niezawodności i żywotności turbin gazowych pochodzenia lotniczego osiągnęły znaczny postęp.

Etap badań technologicznych

W 1943 roku udało się opracować pierwszą na świecie turbinę gazową wywodzącą się z silników lotniczych. Następnie firmy Rolls-Royce, GE i Pratt & Whitney zaprojektowały pierwszą serię turbin gazowych pochodzenia lotniczego w oparciu o sprawdzone modyfikacje silników lotniczych, w tym przemysłowe turbiny gazowe Avon, przemysłowe Olympus, Spey, LM1500 i FT4. Na tym etapie technologia turbin gazowych pochodzenia lotniczego znajdowała się w fazie badań pionierskich. Konstrukcja bezpośrednio czerpała z rdzenia silnika lotniczego, a moc wyjściową uzyskiwano poprzez wyposażenie w odpowiednią turbinę mocy; ogólna wydajność maszyny nie była wysoka, a sprawność cyklu wynosiła zazwyczaj poniżej 30%; temperatura początkowa przed turbiną wynosiła poniżej 1000 ℃, a stosunek ciśnień wynosił od 4 do 10; sprężarka była zazwyczaj poddźwiękowa; łopatki turbiny wykorzystywano prostą technologię chłodzenia powietrzem; jako materiał stosowano początkowo stopy wysokotemperaturowe; w układzie sterowania zazwyczaj stosowano mechaniczny, hydrauliczny lub analogowy układ regulacji elektronicznej.

Etap rozwoju technologii

Dzięki dojrzałym rozwiązaniom w zakresie silników lotniczych udało się zapewnić wysokowydajne i niezawodne maszyny bazowe oraz zaawansowane technologie projektowe, które umożliwiły szybki rozwój turbin gazowych typu aeroderivative. Jednocześnie popyt na zaawansowane turbiny gazowe typu aeroderivative ze strony marynarek wojennych Wielkiej Brytanii, Stanów Zjednoczonych i innych krajów zapewnił im szerokie pole zastosowań, co umożliwiło szybki rozwój tych turbin i znaczną poprawę ich wydajności. Wprowadzono na rynek serię turbin gazowych pochodzenia lotniczego o dobrych parametrach i wysokiej niezawodności. Seria LM2500, przemysłowa seria Trent, FT4000 i MT30 itp. znajdują szerokie zastosowanie w napędach okrętowych, energetyce i innych dziedzinach.

W elementach gorzącej części turbin gazowych typu aero-derywatywnego, znajdujących się na etapie rozwoju technologicznego, zazwyczaj stosuje się superstopy i powłoki ochronne w celu zwiększenia odporności termicznej, a także wykorzystuje się zaawansowaną technologię chłodzenia powietrzem oraz technologię spalania o niskim poziomie emisji zanieczyszczeń; temperatura początkowa przed turbiną wynosi 1400°C, moc może osiągnąć 40–50 MW, sprawność cieplna pojedynczego agregatu przekracza 40%, a sprawność cyklu kombinowanego może osiągnąć 60%; zastosowano cyfrowy elektroniczny system sterowania, co znacznie poprawiło dokładność i wydajność sterowania.

Zastosuj zaawansowane cykle

Wraz ze wzrostem wymagań dotyczących wysokiej wydajności turbin gazowych typu aeroderivative – zwłaszcza w zakresie zużycia paliwa, mocy wyjściowej i innych wskaźników – turbiny gazowe typu aeroderivative z zaawansowanym cyklem znalazły szerokie zastosowanie w praktyce inżynierskiej. Dodanie chłodzenia międzystopniowego lub cyklu odzysku ciepła z chłodzeniem międzystopniowym w oparciu o cykl termiczny turbiny gazowej może znacznie poprawić moc wyjściową i wydajność turbiny gazowej typu aeroderivative w warunkach pracy przy niskich obrotach. Na przykład poziom mocy turbiny gazowej LMS100 z chłodzeniem międzystopniowym sięga 100 MW, a sprawność wynosi aż 461 TP3T. Sprawność cieplna turbiny gazowej WR21 z chłodzeniem międzystopniowym i rekuperacją w warunkach pracy przy niskich obciążeniach jest znacznie wyższa niż w przypadku turbiny gazowej o prostym cyklu. W zastosowaniu jako napęd okrętowy znacznie poprawia to ekonomię eksploatacji statku oraz jego zasięg bojowy.

Moc wyjściowa zaawansowanych turbin gazowych typu aeroderivative, wykorzystujących chłodzenie międzystopniowe lub cykle odzysku ciepła z chłodzeniem międzystopniowym, została znacznie zwiększona, a sprawność cieplna we wszystkich warunkach pracy uległa poprawie. Na przykład poziom mocy może osiągnąć 100 MW, a sprawność cieplna w punkcie projektowym wynosi aż 46%; znacznie poprawiono wydajność przy niskich obciążeniach; sprawność cieplna może osiągnąć 401 TP3T przy obciążeniu 501 TP3T; chłodzenie międzystopniowe zmniejsza moc właściwą sprężarki wysokociśnieniowej, a projektowy stosunek ciśnień całej maszyny może przekroczyć 40.

Model rozwoju technologii

Analizując historię rozwoju, można zauważyć, że turbiny gazowe pochodzenia lotniczego charakteryzują się następującymi modelami rozwoju technicznego: rozwój oparty na rodowodzie, rozwój seryjny, wdrażanie zaawansowanych technologii cyklu oraz stosowanie trybu cyklu kombinowanego.

Rozwój genealogii

Rozwój genealogiczny to proces tworzenia turbin gazowych różnych typów i o różnej mocy w oparciu o ten sam silnik lotniczy, co w pełni odzwierciedla cechy charakterystyczne turbin gazowych wywodzących się z lotnictwa: “jedna maszyna jako podstawa, spełniająca wiele zastosowań, oszczędzająca cykle, obniżająca koszty, dająca początek wielu typom i tworząca szerokie spektrum”.”

Biorąc za przykład silnik lotniczy CF6-80C2, turbina gazowa LM6000 wykorzystuje bezpośrednio rdzeń silnika CF6-80C2 i zachowuje maksymalną wszechstronność turbiny niskiego ciśnienia; model LMS100 wykorzystuje technologię rdzenia silnika CF6-80C2, łączy ją z technologią turbin gazowych klasy F przeznaczonych do pracy w trudnych warunkach oraz technologią chłodzenia międzystopniowego, a jego moc wynosi 100 MW; model MS9001G/H w pełni wykorzystuje sprawdzoną technologię silnika lotniczego CF6-80C2, a dzięki połączeniu z technologią turbin gazowych o dużej wytrzymałości temperatura przed turbiną została zwiększona z 1287 ℃ charakterystycznej dla klasy F do 1430 ℃, a moc osiąga 282 MW. Pomyślne opracowanie tych trzech typów turbin gazowych umożliwiło rozwój silnika lotniczego CF6-80C2 w oparciu o rozwiązania lotnicze, pozwalając osiągnąć cel “jedna maszyna o wielu typach, umożliwiająca opracowywanie turbin gazowych o różnych typach i mocach”.

Opracowanie serii

Celem rozwoju seryjnego jest ciągłe unowocześnianie i udoskonalanie, zwiększanie wydajności oraz ograniczanie emisji w oparciu o sprawdzoną turbinę gazową, tak aby osiągnąć seryjną produkcję turbin gazowych pochodnych z silników lotniczych, wśród których najbardziej reprezentatywna jest seria LM2500, jak pokazano na rysunku 2. Turbina gazowa LM2500 wykorzystuje rdzeń silnika macierzystego TF39/CF6-6, a turbinę niskociśnieniową silnika macierzystego zastępuje turbiną mocy; w turbinie gazowej LM2500+ dodano jeden stopień przed sprężarką turbiny gazowej LM2500, aby zwiększyć masowy przepływ powietrza i moc wyjściową; model LM2500+G4 zwiększa natężenie przepływu powietrza w turbinie gazowej poprzez poprawę profilu łopatek sprężarki oraz zwiększenie powierzchni gardzieli turbiny w oparciu o model LM2500+, co ma na celu ciągłe zwiększanie mocy wyjściowej. Wraz z seryjnym rozwojem modelu LM2500 produkt jest nieustannie ulepszany i udoskonalany; jego zakres mocy wynosi od 20 do 35 MW, a liczba zainstalowanych egzemplarzy na całym świecie przekracza 1 000 sztuk, co czyni go najczęściej stosowanym modelem do tej pory.

Ze względu na trudności związane z projektowaniem i produkcją, rozwój seryjny oparty na sprawdzonej turbinie gazowej stanowi ważny model rozwoju technicznego turbin gazowych pochodzenia lotniczego, polegający na ciągłym unowocześnianiu i ulepszaniu, zwiększaniu wydajności oraz ograniczaniu emisji. Seryjny rozwój turbin gazowych pochodzenia lotniczego przypomina rozwój oparty na sprawdzonej konstrukcji, co pozwala nie tylko skrócić cykl rozwoju, ale także zapewnić większą niezawodność i zaawansowanie oraz znacznie obniżyć koszty projektowania, rozwoju, testowania i produkcji.

Wydajność

Celem poprawy sprawności jest ciągłe zwiększanie wydajności całej maszyny, a zwłaszcza jej mocy wyjściowej oraz sprawności cieplnej we wszystkich warunkach pracy. Główne sposoby osiągnięcia tego celu są następujące.

Jednym z nich jest zastosowanie zaawansowanych cykli. Zastosowanie zaawansowanych cykli pozwala na ciągłą poprawę wydajności turbin gazowych typu aeroderivative, takich jak cykl z ponownym podgrzewaniem, cykl z ponownym wtryskiem pary, cykl z odzyskiem chemicznym, cykl z mokrym powietrzem, zaawansowany cykl z mokrym powietrzem i turbiną szeregową oraz cykl Kaliny itp. Po zastosowaniu zaawansowanego cyklu nie tylko poprawi się wydajność zespołu turbiny gazowej typu aeroderivative, ale również znacznie wzrośnie moc i sprawność cieplna całego zespołu, a emisja tlenków azotu ulegnie znacznemu zmniejszeniu.

Drugim czynnikiem jest projektowanie komponentów o wysokiej sprawności. Projektowanie komponentów o wysokiej sprawności koncentruje się na projektowaniu sprężarek o wysokiej sprawności oraz turbin o wysokiej sprawności. Projektowanie sprężarek o wysokiej sprawności będzie nadal miało na celu pokonywanie trudności technicznych związanych z wysoką prędkością obrotową i wysoką sprawnością oraz niską prędkością obrotową i wysokim ryzykiem wystąpienia zjawiska pulsacji, z którymi borykają się sprężarki. Jak pokazano na rysunku 3, projektowanie turbin będzie nadal zmierzać w kierunku wysokiej sprawności, odporności na wysokie temperatury i długiej żywotności.

Trzecim obszarem jest projektowanie wydajnych układów wentylacyjnych. Kierunki rozwoju technicznego wydajnych systemów wentylacyjnych obejmują opracowywanie technologii uszczelnień o niskiej szczelności, odpornych na zużycie i wydajnych, takich jak uszczelnienia o strukturze plastra miodu, uszczelnienia cienkościenne, uszczelnienia szczotkowe i uszczelnienia kombinowane; wydajne technologie projektowania zmniejszające opór powietrzny w celu poprawy parametrów przepływu powietrza, takie jak projektowanie zmniejszające opór poprzez eliminację zawirowań oraz projektowanie z regulacją przepływu zapewniające wydajność; zaawansowane technologie projektowania wstępnego wirowania w celu dalszej poprawy wydajności tego procesu, takie jak aerodynamiczne projektowanie otworów wstępnego wirowania oraz kaskadowe projektowanie otworów wstępnego wirowania; metody analizy kwantyfikacji niepewności, które mogą poprawić odporność i niezawodność układów wentylacyjnych itp.

Wnioski

Turbiny gazowe pochodzenia lotniczego znajdują szerokie zastosowanie w napędach okrętowych, energetyce, przekładniach mechanicznych, morskich platformach wiertniczych, zasilaniu cystern oraz systemach energii rozproszonej ze względu na szeroki zakres mocy, wysoką sprawność cieplną, dobrą manewrowość, długą żywotność i wysoką niezawodność. Wraz z szybkim rozwojem technologii silników lotniczych oraz ciągłym wdrażaniem nowych projektów i technologii turbiny gazowe pochodzenia lotniczego będą się dynamicznie rozwijać w kierunku wysokiej sprawności, niskiej emisji dwutlenku węgla, nowej jakości oraz cyfrowego inteligentnego sterowania. Technologia projektowania i produkcji turbin gazowych pochodzenia lotniczego również poczyni znaczne postępy, stopniowo poprawiając się pod względem ekonomiczności, niskiej emisji zanieczyszczeń, niezawodności i łatwości konserwacji, a perspektywy ich zastosowań nieuchronnie się poszerzą.