{"id":5047,"date":"2024-12-11T13:47:40","date_gmt":"2024-12-11T05:47:40","guid":{"rendered":"https:\/\/turbineblade.net\/?p=5047"},"modified":"2024-12-11T13:47:41","modified_gmt":"2024-12-11T05:47:41","slug":"rozwoj-technologii-turbin-gazowych-opartych-na-silnikach-lotniczych","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/turbineblade.net\/pl\/development-of-aero-derivative-gas-turbines-technology\/","title":{"rendered":"Rozw\u00f3j technologii turbin gazowych opartych na silnikach lotniczych"},"content":{"rendered":"

Pod wp\u0142ywem czynnik\u00f3w politycznych, wojskowych i gospodarczych rozw\u00f3j technologii silnik\u00f3w lotniczych przebiega szybciej ni\u017c w przypadku turbiny gazowe<\/a>. Turbiny gazowe i silniki lotnicze charakteryzuj\u0105 si\u0119 wieloma wsp\u00f3lnymi cechami technicznymi, co pozwala na wsp\u00f3lne wykorzystanie system\u00f3w projektowych, produkcyjnych, kadrowych i testowych. W zwi\u0105zku z tym, bior\u0105c pod uwag\u0119 ogromny popyt rynkowy i oczywiste zalety zastosowa\u0144 turbin gazowych, w bran\u017cy panuje powszechna zgoda co do tego, \u017ce nale\u017cy opracowywa\u0107 turbiny gazowe w oparciu o wysokowydajne, sprawdzone silniki lotnicze oraz zaawansowane technologie przemys\u0142owe i metody projektowania. Istniej\u0105 dwa sposoby przeniesienia technologii silnik\u00f3w lotniczych do turbin gazowych, jak pokazano na rysunku 1: jednym z nich jest bezpo\u015brednia modyfikacja i adaptacja sprawdzonych silnik\u00f3w lotniczych w celu stworzenia turbin gazowych pochodzenia lotniczego; drugim jest przeniesienie technologii silnik\u00f3w lotniczych do turbin gazowych o du\u017cej mocy oraz prowadzenie bada\u0144 i prac rozwojowych nad now\u0105 generacj\u0105 turbin gazowych o du\u017cej mocy.<\/p>\n\n\n\n

\"\u015acie\u017cka<\/figure>\n\n\n\n

Historia rozwoju turbin gazowych typu aero-derywatywnego<\/strong><\/h2>\n\n\n\n

Wraz z rozwojem technologii silnik\u00f3w lotniczych oraz wdra\u017caniem zaawansowanych technologii cykli, proces rozwoju technicznego turbin gazowych pochodnych silnik\u00f3w lotniczych przeszed\u0142 przez etap bada\u0144 technologicznych, etap rozwoju technologicznego oraz etap wdra\u017cania zaawansowanych cykli, co pozwoli\u0142o na przej\u015bcie w rozwoju turbin gazowych pochodzenia lotniczego od prostych modyfikacji do optymalizacji konstrukcji silnik\u00f3w g\u0142\u00f3wnych o wysokiej wydajno\u015bci, od prostych cykli do zastosowa\u0144 cykli z\u0142o\u017conych, od przejmowania sprawdzonych system\u00f3w konstrukcyjnych i materia\u0142owych silnik\u00f3w lotniczych do projektowania nowych podzespo\u0142\u00f3w i stosowania nowych materia\u0142\u00f3w. Dzi\u0119ki temu poziom projektowania, wydajno\u015bci, niezawodno\u015bci i \u017cywotno\u015bci turbin gazowych pochodzenia lotniczego osi\u0105gn\u0119\u0142y znaczny post\u0119p.<\/p>\n\n\n\n

Etap bada\u0144 technologicznych<\/strong><\/h2>\n\n\n\n

W 1943 roku uda\u0142o si\u0119 opracowa\u0107 pierwsz\u0105 na \u015bwiecie turbin\u0119 gazow\u0105 wywodz\u0105c\u0105 si\u0119 z silnik\u00f3w lotniczych. Nast\u0119pnie firmy Rolls-Royce, GE i Pratt & Whitney zaprojektowa\u0142y pierwsz\u0105 seri\u0119 turbin gazowych pochodzenia lotniczego w oparciu o sprawdzone modyfikacje silnik\u00f3w lotniczych, w tym przemys\u0142owe turbiny gazowe Avon, przemys\u0142owe Olympus, Spey, LM1500 i FT4. Na tym etapie technologia turbin gazowych pochodzenia lotniczego znajdowa\u0142a si\u0119 w fazie bada\u0144 pionierskich. Konstrukcja bezpo\u015brednio czerpa\u0142a z rdzenia silnika lotniczego, a moc wyj\u015bciow\u0105 uzyskiwano poprzez wyposa\u017cenie w odpowiedni\u0105 turbin\u0119 mocy; og\u00f3lna wydajno\u015b\u0107 maszyny nie by\u0142a wysoka, a sprawno\u015b\u0107 cyklu wynosi\u0142a zazwyczaj poni\u017cej 30%; temperatura pocz\u0105tkowa przed turbin\u0105 wynosi\u0142a poni\u017cej 1000 \u2103, a stosunek ci\u015bnie\u0144 wynosi\u0142 od 4 do 10; spr\u0119\u017carka by\u0142a zazwyczaj podd\u017awi\u0119kowa; \u0142opatki turbiny<\/a> wykorzystywano prost\u0105 technologi\u0119 ch\u0142odzenia powietrzem; jako materia\u0142 stosowano pocz\u0105tkowo stopy wysokotemperaturowe; w uk\u0142adzie sterowania zazwyczaj stosowano mechaniczny, hydrauliczny lub analogowy uk\u0142ad regulacji elektronicznej.<\/p>\n\n\n\n

Etap rozwoju technologii<\/strong><\/h2>\n\n\n\n

Dzi\u0119ki dojrza\u0142ym rozwi\u0105zaniom w zakresie silnik\u00f3w lotniczych uda\u0142o si\u0119 zapewni\u0107 wysokowydajne i niezawodne maszyny bazowe oraz zaawansowane technologie projektowe, kt\u00f3re umo\u017cliwi\u0142y szybki rozw\u00f3j turbin gazowych typu aeroderivative. Jednocze\u015bnie popyt na zaawansowane turbiny gazowe typu aeroderivative ze strony marynarek wojennych Wielkiej Brytanii, Stan\u00f3w Zjednoczonych i innych kraj\u00f3w zapewni\u0142 im szerokie pole zastosowa\u0144, co umo\u017cliwi\u0142o szybki rozw\u00f3j tych turbin i znaczn\u0105 popraw\u0119 ich wydajno\u015bci. Wprowadzono na rynek seri\u0119 turbin gazowych pochodzenia lotniczego o dobrych parametrach i wysokiej niezawodno\u015bci. Seria LM2500, przemys\u0142owa seria Trent, FT4000 i MT30 itp. znajduj\u0105 szerokie zastosowanie w nap\u0119dach okr\u0119towych, energetyce i innych dziedzinach.<\/p>\n\n\n\n

W elementach gorz\u0105cej cz\u0119\u015bci turbin gazowych typu aero-derywatywnego, znajduj\u0105cych si\u0119 na etapie rozwoju technologicznego, zazwyczaj stosuje si\u0119 superstopy i pow\u0142oki ochronne w celu zwi\u0119kszenia odporno\u015bci termicznej, a tak\u017ce wykorzystuje si\u0119 zaawansowan\u0105 technologi\u0119 ch\u0142odzenia powietrzem oraz technologi\u0119 spalania o niskim poziomie emisji zanieczyszcze\u0144; temperatura pocz\u0105tkowa przed turbin\u0105 wynosi 1400\u00b0C, moc mo\u017ce osi\u0105gn\u0105\u0107 40\u201350 MW, sprawno\u015b\u0107 cieplna pojedynczego agregatu przekracza 40%, a sprawno\u015b\u0107 cyklu kombinowanego mo\u017ce osi\u0105gn\u0105\u0107 60%; zastosowano cyfrowy elektroniczny system sterowania, co znacznie poprawi\u0142o dok\u0142adno\u015b\u0107 i wydajno\u015b\u0107 sterowania.<\/p>\n\n\n\n

Zastosuj zaawansowane cykle<\/strong><\/h2>\n\n\n\n

Wraz ze wzrostem wymaga\u0144 dotycz\u0105cych wysokiej wydajno\u015bci turbin gazowych typu aeroderivative \u2013 zw\u0142aszcza w zakresie zu\u017cycia paliwa, mocy wyj\u015bciowej i innych wska\u017anik\u00f3w \u2013 turbiny gazowe typu aeroderivative z zaawansowanym cyklem znalaz\u0142y szerokie zastosowanie w praktyce in\u017cynierskiej. Dodanie ch\u0142odzenia mi\u0119dzystopniowego lub cyklu odzysku ciep\u0142a z ch\u0142odzeniem mi\u0119dzystopniowym w oparciu o cykl termiczny turbiny gazowej mo\u017ce znacznie poprawi\u0107 moc wyj\u015bciow\u0105 i wydajno\u015b\u0107 turbiny gazowej typu aeroderivative w warunkach pracy przy niskich obrotach. Na przyk\u0142ad poziom mocy turbiny gazowej LMS100 z ch\u0142odzeniem mi\u0119dzystopniowym si\u0119ga 100 MW, a sprawno\u015b\u0107 wynosi a\u017c 461 TP3T. Sprawno\u015b\u0107 cieplna turbiny gazowej WR21 z ch\u0142odzeniem mi\u0119dzystopniowym i rekuperacj\u0105 w warunkach pracy przy niskich obci\u0105\u017ceniach jest znacznie wy\u017csza ni\u017c w przypadku turbiny gazowej o prostym cyklu. W zastosowaniu jako nap\u0119d okr\u0119towy znacznie poprawia to ekonomi\u0119 eksploatacji statku oraz jego zasi\u0119g bojowy.<\/p>\n\n\n\n

Moc wyj\u015bciowa zaawansowanych turbin gazowych typu aeroderivative, wykorzystuj\u0105cych ch\u0142odzenie mi\u0119dzystopniowe lub cykle odzysku ciep\u0142a z ch\u0142odzeniem mi\u0119dzystopniowym, zosta\u0142a znacznie zwi\u0119kszona, a sprawno\u015b\u0107 cieplna we wszystkich warunkach pracy uleg\u0142a poprawie. Na przyk\u0142ad poziom mocy mo\u017ce osi\u0105gn\u0105\u0107 100 MW, a sprawno\u015b\u0107 cieplna w punkcie projektowym wynosi a\u017c 46%; znacznie poprawiono wydajno\u015b\u0107 przy niskich obci\u0105\u017ceniach; sprawno\u015b\u0107 cieplna mo\u017ce osi\u0105gn\u0105\u0107 401 TP3T przy obci\u0105\u017ceniu 501 TP3T; ch\u0142odzenie mi\u0119dzystopniowe zmniejsza moc w\u0142a\u015bciw\u0105 spr\u0119\u017carki wysokoci\u015bnieniowej, a projektowy stosunek ci\u015bnie\u0144 ca\u0142ej maszyny mo\u017ce przekroczy\u0107 40.<\/p>\n\n\n\n

Model rozwoju technologii<\/strong><\/h2>\n\n\n\n

Analizuj\u0105c histori\u0119 rozwoju, mo\u017cna zauwa\u017cy\u0107, \u017ce turbiny gazowe pochodzenia lotniczego charakteryzuj\u0105 si\u0119 nast\u0119puj\u0105cymi modelami rozwoju technicznego: rozw\u00f3j oparty na rodowodzie, rozw\u00f3j seryjny, wdra\u017canie zaawansowanych technologii cyklu oraz stosowanie trybu cyklu kombinowanego.<\/p>\n\n\n\n

Rozw\u00f3j genealogii<\/strong><\/h2>\n\n\n\n

Rozw\u00f3j genealogiczny to proces tworzenia turbin gazowych r\u00f3\u017cnych typ\u00f3w i o r\u00f3\u017cnej mocy w oparciu o ten sam silnik lotniczy, co w pe\u0142ni odzwierciedla cechy charakterystyczne turbin gazowych wywodz\u0105cych si\u0119 z lotnictwa: \u201cjedna maszyna jako podstawa, spe\u0142niaj\u0105ca wiele zastosowa\u0144, oszcz\u0119dzaj\u0105ca cykle, obni\u017caj\u0105ca koszty, daj\u0105ca pocz\u0105tek wielu typom i tworz\u0105ca szerokie spektrum\u201d.\u201d<\/p>\n\n\n\n

Bior\u0105c za przyk\u0142ad silnik lotniczy CF6-80C2, turbina gazowa LM6000 wykorzystuje bezpo\u015brednio rdze\u0144 silnika CF6-80C2 i zachowuje maksymaln\u0105 wszechstronno\u015b\u0107 turbiny niskiego ci\u015bnienia; model LMS100 wykorzystuje technologi\u0119 rdzenia silnika CF6-80C2, \u0142\u0105czy j\u0105 z technologi\u0105 turbin gazowych klasy F przeznaczonych do pracy w trudnych warunkach oraz technologi\u0105 ch\u0142odzenia mi\u0119dzystopniowego, a jego moc wynosi 100 MW; model MS9001G\/H w pe\u0142ni wykorzystuje sprawdzon\u0105 technologi\u0119 silnika lotniczego CF6-80C2, a dzi\u0119ki po\u0142\u0105czeniu z technologi\u0105 turbin gazowych o du\u017cej wytrzyma\u0142o\u015bci temperatura przed turbin\u0105 zosta\u0142a zwi\u0119kszona z 1287 \u2103 charakterystycznej dla klasy F do 1430 \u2103, a moc osi\u0105ga 282 MW. Pomy\u015blne opracowanie tych trzech typ\u00f3w turbin gazowych umo\u017cliwi\u0142o rozw\u00f3j silnika lotniczego CF6-80C2 w oparciu o rozwi\u0105zania lotnicze, pozwalaj\u0105c osi\u0105gn\u0105\u0107 cel \u201cjedna maszyna o wielu typach, umo\u017cliwiaj\u0105ca opracowywanie turbin gazowych o r\u00f3\u017cnych typach i mocach\u201d.<\/p>\n\n\n\n

Opracowanie serii<\/strong><\/h2>\n\n\n\n

Celem rozwoju seryjnego jest ci\u0105g\u0142e unowocze\u015bnianie i udoskonalanie, zwi\u0119kszanie wydajno\u015bci oraz ograniczanie emisji w oparciu o sprawdzon\u0105 turbin\u0119 gazow\u0105, tak aby osi\u0105gn\u0105\u0107 seryjn\u0105 produkcj\u0119 turbin gazowych pochodnych z silnik\u00f3w lotniczych, w\u015br\u00f3d kt\u00f3rych najbardziej reprezentatywna jest seria LM2500, jak pokazano na rysunku 2. Turbina gazowa LM2500 wykorzystuje rdze\u0144 silnika macierzystego TF39\/CF6-6, a turbin\u0119 niskoci\u015bnieniow\u0105 silnika macierzystego zast\u0119puje turbin\u0105 mocy; w turbinie gazowej LM2500+ dodano jeden stopie\u0144 przed spr\u0119\u017cark\u0105 turbiny gazowej LM2500, aby zwi\u0119kszy\u0107 masowy przep\u0142yw powietrza i moc wyj\u015bciow\u0105; model LM2500+G4 zwi\u0119ksza nat\u0119\u017cenie przep\u0142ywu powietrza w turbinie gazowej poprzez popraw\u0119 profilu \u0142opatek spr\u0119\u017carki oraz zwi\u0119kszenie powierzchni gardzieli turbiny w oparciu o model LM2500+, co ma na celu ci\u0105g\u0142e zwi\u0119kszanie mocy wyj\u015bciowej. 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 ca\u0142ym \u015bwiecie przekracza 1 000 sztuk, co czyni go najcz\u0119\u015bciej stosowanym modelem do tej pory.<\/p>\n\n\n\n

\"Opracowanie