การพัฒนาเทคโนโลยีกังหันก๊าซอนุพันธ์ทางอากาศ

ได้รับผลกระทบจากปัจจัยทางการเมือง การทหาร และเศรษฐกิจ การพัฒนาเทคโนโลยีเครื่องยนต์อากาศยานจึงเร็วกว่ากังหันก๊าซ กังหันก๊าซและเครื่องยนต์ของเครื่องบินมีความเหมือนกันทางเทคนิคที่หลากหลาย และสามารถนำมาใช้ร่วมกันในระบบการออกแบบ ระบบการผลิต ระบบความสามารถพิเศษ และระบบทดสอบ ดังนั้น ตามความต้องการของตลาดขนาดใหญ่และข้อได้เปรียบในการใช้งานที่ชัดเจนของกังหันก๊าซ จึงกลายเป็นความเห็นพ้องต้องกันของอุตสาหกรรมในการพัฒนากังหันก๊าซโดยใช้เครื่องยนต์อากาศยานสมรรถนะสูงที่เติบโตเต็มที่ ตลอดจนเทคโนโลยีทางอุตสาหกรรมขั้นสูงและวิธีการออกแบบ มีสองวิธีในการถ่ายโอนเทคโนโลยีเครื่องยนต์อากาศยานไปยังกังหันก๊าซ ดังแสดงในรูปที่ 1: วิธีแรกคือการดัดแปลงโดยตรงและสร้างเครื่องยนต์อากาศยานที่เติบโตเต็มที่เพื่อสร้างกังหันก๊าซอนุพันธ์ทางอากาศ อีกประการหนึ่งคือการปลูกถ่ายเทคโนโลยีเครื่องยนต์อากาศยานให้กับกังหันก๊าซสำหรับงานหนัก และการวิจัยและพัฒนากังหันก๊าซสำหรับงานหนักรุ่นใหม่

ประวัติการพัฒนากังหันก๊าซอนุพันธ์ทางอากาศ

นอกเหนือจากการพัฒนาเทคโนโลยีเครื่องยนต์การบินและการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีวงจรขั้นสูงแล้ว กระบวนการพัฒนาทางเทคนิคของกังหันก๊าซอนุพันธ์ทางอากาศได้ผ่านขั้นตอนการสำรวจเทคโนโลยี ขั้นตอนการพัฒนาเทคโนโลยี และขั้นตอนการประยุกต์ใช้วงจรขั้นสูง ทำให้ตระหนักถึงการพัฒนาอนุพันธ์ทางอากาศ กังหันก๊าซตั้งแต่การดัดแปลงอย่างง่ายไปจนถึงการออกแบบเครื่องยนต์แกนสมรรถนะสูงให้เหมาะสม ตั้งแต่วงจรธรรมดาไปจนถึงการใช้งานรอบที่ซับซ้อน จากการสืบทอดระบบการออกแบบที่เป็นผู้ใหญ่และระบบวัสดุของเครื่องยนต์การบิน ไปจนถึงการออกแบบส่วนประกอบใหม่และการใช้วัสดุใหม่ ซึ่งได้เปิดใช้งาน ระดับการออกแบบ ประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือและอายุการใช้งานของกังหันก๊าซอนุพันธ์ทางอากาศเพื่อให้เกิดการพัฒนาอย่างมาก

ขั้นตอนการสำรวจเทคโนโลยี

ในปี 1943 กังหันก๊าซอนุพันธ์ทางอากาศเครื่องแรกของโลกได้รับการพัฒนาอย่างประสบความสำเร็จ หลังจากนั้น โรลส์-รอยซ์ จีอี และแพรตต์ แอนด์ วิทนีย์ได้ออกแบบกังหันก๊าซอนุพันธ์ทางอากาศชุดแรก โดยอาศัยการดัดแปลงเครื่องยนต์ของเครื่องบินจนครบกำหนด ซึ่งรวมถึงเอวอนเชิงอุตสาหกรรม โอลิมปัสเชิงอุตสาหกรรม กังหันก๊าซสเปย์ LM1500 และ FT4 ในขั้นตอนนี้ เทคโนโลยีกังหันก๊าซอนุพันธ์ทางอากาศยังอยู่ในช่วงสำรวจ โครงสร้างนี้สืบทอดแกนกลางของเครื่องยนต์เครื่องบินโดยตรง และกำลังขับก็ทำได้โดยการติดตั้งกังหันกำลังที่เหมาะสม ประสิทธิภาพโดยรวมของเครื่องไม่สูงและประสิทธิภาพของวงจรโดยทั่วไปน้อยกว่า 30% อุณหภูมิเริ่มต้นก่อนที่กังหันจะน้อยกว่า 1,000 องศา และอัตราส่วนความดันอยู่ที่ 4 ต่อ 10 คอมเพรสเซอร์โดยทั่วไปเป็นแบบเปรี้ยงปร้าง ใบพัดกังหันใช้เทคโนโลยีระบายความร้อนด้วยอากาศอย่างง่าย วัสดุที่ใช้คือโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงเริ่มต้น โดยทั่วไประบบควบคุมจะใช้ระบบปรับอิเล็กทรอนิกส์แบบไฮดรอลิกเชิงกลหรือแอนะล็อก

ขั้นตอนการพัฒนาเทคโนโลยี

ด้วยการประยุกต์ใช้เครื่องยนต์อากาศยานอย่างเต็มที่ เครื่องจักรหลักที่มีสมรรถนะสูงและความน่าเชื่อถือสูง และเทคโนโลยีการออกแบบขั้นสูงได้ถูกจัดเตรียมไว้เพื่อการพัฒนาอย่างรวดเร็วของกังหันก๊าซแบบแอโรเดริเวทีฟ ในเวลาเดียวกัน ความต้องการกังหันก๊าซแบบแอโรเดริเวทีฟขั้นสูงโดยกองทัพเรือของสหราชอาณาจักร สหรัฐอเมริกา และประเทศอื่นๆ ทำให้เกิดขั้นตอนการใช้งานที่กว้างขวาง ซึ่งช่วยให้กังหันก๊าซแบบแอโรเดริเวทีฟสามารถพัฒนาได้อย่างรวดเร็วและปรับปรุงประสิทธิภาพอย่างมีนัยสำคัญ มีการเปิดตัวซีรีส์กังหันก๊าซแบบแอโรเดริเวทีฟที่มีประสิทธิภาพดีและมีความน่าเชื่อถือสูง - เช่น ซีรีส์ LM2500, เทรนต์อุตสาหกรรม, FT4000 และ MT30 ฯลฯ มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการผลิตไฟฟ้าจากเรือ การผลิตไฟฟ้า และสาขาอื่นๆ

ส่วนประกอบปลายร้อนของกังหันก๊าซอนุพันธ์ทางอากาศในขั้นตอนการพัฒนาเทคโนโลยีโดยทั่วไปจะใช้ซูเปอร์อัลลอยด์และการเคลือบป้องกันเพื่อปรับปรุงความต้านทานต่ออุณหภูมิ และใช้เทคโนโลยีระบายความร้อนด้วยอากาศขั้นสูงและเทคโนโลยีการเผาไหม้ที่มีมลพิษต่ำ อุณหภูมิเริ่มต้นก่อนที่กังหันจะสูงถึง 1,400 องศา กำลังไฟฟ้าสามารถเข้าถึง 40-50MW ประสิทธิภาพเชิงความร้อนของหน่วยเดียวเกิน 40% และประสิทธิภาพของวงจรรวมสามารถเข้าถึง 60% ใช้ระบบควบคุมอิเล็กทรอนิกส์แบบดิจิทัล และความแม่นยำในการควบคุมและประสิทธิภาพการควบคุมได้รับการปรับปรุงอย่างมาก

ใช้วงจรขั้นสูง

เนื่องจากข้อกำหนดสำหรับกังหันก๊าซที่มีสมรรถนะสูงแบบแอโรเดริเวทีฟ โดยเฉพาะอย่างยิ่งปริมาณการใช้เชื้อเพลิง กำลังไฟฟ้าเอาท์พุต และตัวชี้วัดอื่นๆ เพิ่มขึ้น กังหันก๊าซแบบแอโรเดริเวทีฟขั้นสูงจึงได้รับการปฏิบัติทางวิศวกรรมอย่างกว้างขวาง การเพิ่มวงจรการนำความร้อนกลับคืนแบบอินเตอร์คูลลิ่งหรือแบบอินเตอร์คูลบนพื้นฐานของวงจรความร้อนของกังหันก๊าซสามารถปรับปรุงกำลังขับและประสิทธิภาพการทำงานในสภาวะการทำงานที่ต่ำของกังหันก๊าซแบบแอโรเดริเวทีฟได้อย่างมาก ตัวอย่างเช่น ระดับพลังงานของกังหันก๊าซอินเตอร์คูล LMS100 สูงถึง 100MW และประสิทธิภาพสูงถึง 46% ประสิทธิภาพเชิงความร้อนของกังหันก๊าซแบบหมุนเวียนความเย็นระหว่าง WR21 ที่สภาวะการทำงานต่ำนั้นสูงกว่าประสิทธิภาพเชิงความร้อนของกังหันก๊าซแบบวงจรธรรมดามาก ในฐานะที่เป็นพลังของเรือ มันช่วยปรับปรุงความประหยัดของเรือและรัศมีการรบได้อย่างมาก

กำลังเอาท์พุตของกังหันก๊าซแบบแอโรเดริเวทีฟขั้นสูงที่ใช้อินเตอร์คูลลิ่งหรือวงจรการนำความร้อนกลับคืนมาแบบอินเตอร์คูลเพิ่มขึ้นอย่างมาก และปรับปรุงประสิทธิภาพเชิงความร้อนในทุกสภาวะการทำงาน ตัวอย่างเช่น ระดับพลังงานสามารถเข้าถึง 100MW และประสิทธิภาพเชิงความร้อนที่จุดออกแบบสูงถึง 46% ประสิทธิภาพของสภาพการทำงานต่ำได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ ประสิทธิภาพเชิงความร้อนสามารถเข้าถึง 40% ภายใต้โหลด 50% อินเตอร์คูลลิ่งช่วยลดกำลังเฉพาะของคอมเพรสเซอร์แรงดันสูง และอัตราส่วนแรงดันการออกแบบของเครื่องทั้งหมดสามารถเข้าถึงได้มากกว่า 40

รูปแบบการพัฒนาเทคโนโลยี

เมื่อดูประวัติการพัฒนาแล้ว กังหันก๊าซที่มีอนุพันธ์ของอากาศจะมีโมเดลการพัฒนาทางเทคนิค เช่น การพัฒนาแบบ Pedigree การพัฒนาแบบอนุกรม การใช้เทคโนโลยีวงจรขั้นสูง และการประยุกต์ใช้โหมดวงจรรวม

การพัฒนาทางพันธุกรรม

การพัฒนาลำดับวงศ์ตระกูลคือการพัฒนากังหันก๊าซประเภทต่างๆ และระดับกำลังโดยใช้เครื่องยนต์ของเครื่องบินแบบเดียวกัน ซึ่งสะท้อนถึงคุณลักษณะของกังหันก๊าซที่มาจากการบินได้อย่างสมบูรณ์: "เครื่องจักรหนึ่งเครื่องเป็นพื้นฐาน ใช้งานได้หลากหลาย ประหยัดวงจร ลดต้นทุน ได้มาหลายประเภทและก่อตัวเป็นสเปกตรัม"

ยกตัวอย่างเครื่องยนต์อากาศยาน CF6-80C2 กังหันก๊าซ LM6000 ใช้เครื่องยนต์หลักของ CF6-80C2 โดยตรง และรักษาความสามารถรอบด้านสูงสุดของกังหันแรงดันต่ำ LMS100 สืบทอดเทคโนโลยีเครื่องยนต์หลักของ CF6-80C2 ผสมผสานเทคโนโลยีกังหันก๊าซสำหรับงานหนักคลาส F และเทคโนโลยีอินเตอร์คูลลิ่ง และมีกำลัง 100MW MS9001G/H นำเทคโนโลยีที่สมบูรณ์ของเครื่องยนต์อากาศยาน CF6-80C2 มาใช้อย่างเต็มที่ และเมื่อใช้ร่วมกับเทคโนโลยีกังหันก๊าซสำหรับงานหนัก อุณหภูมิก่อนกังหันจะเพิ่มขึ้นจาก 1287 องศาของคลาส F เป็น 1430 องศา และกำลังถึง 282MW การพัฒนาที่ประสบความสำเร็จของกังหันก๊าซทั้งสามประเภททำให้สามารถพัฒนาเครื่องยนต์เครื่องบิน CF6-80C2 บนพื้นฐานการบินได้ เพื่อให้บรรลุ "เครื่องจักรหนึ่งเครื่องที่มีหลายประเภท การพัฒนากังหันก๊าซประเภทและกำลังที่แตกต่างกัน"

การพัฒนาซีรีส์

การพัฒนาแบบอนุกรมคือการอัปเกรดและปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง ปรับปรุงประสิทธิภาพ และลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกบนพื้นฐานของกังหันก๊าซที่ประสบความสำเร็จ เพื่อให้บรรลุการพัฒนาแบบอนุกรมของกังหันก๊าซแบบแอโรเดริเวทีฟ ซึ่งในซีรีส์ LM2500 นั้นเป็นแบบอย่างทั่วไปมากที่สุด ดังที่แสดง ในรูปที่ 2 กังหันก๊าซ LM2500 ใช้เครื่องยนต์หลักของเครื่องยนต์หลัก TF39/CF6-6 และเปลี่ยนกังหันแรงดันต่ำของเครื่องยนต์หลักเป็นกังหันกำลัง กังหันก๊าซ LM2500+ เพิ่มหนึ่งขั้นที่ด้านหน้าคอมเพรสเซอร์ของกังหันก๊าซ LM2500 เพื่อปรับปรุงการไหลของมวลอากาศและกำลังส่งออก LM2500+G4 จะเพิ่มอัตราการไหลของอากาศกังหันแก๊สโดยการปรับปรุงโปรไฟล์เบลดของคอมเพรสเซอร์ และเพิ่มพื้นที่คอกังหันบนพื้นฐานของ LM2500+ เพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ในการปรับปรุงเอาท์พุตอย่างต่อเนื่อง พลัง. ด้วยการพัฒนาแบบอนุกรมของ LM2500 ผลิตภัณฑ์ได้รับการอัปเกรดและปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง โดยมีช่วงกำลัง 20 ถึง 35MW และจำนวนอุปกรณ์ทั่วโลกเกิน 1,000 หน่วย ทำให้เป็นรุ่นที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดจนถึงปัจจุบัน .

เนื่องจากความยากลำบากในการพัฒนาและการผลิต การพัฒนาแบบต่อเนื่องโดยอิงจากกังหันก๊าซที่ประสบความสำเร็จจึงเป็นแบบจำลองการพัฒนาทางเทคนิคที่สำคัญสำหรับกังหันก๊าซอนุพันธ์ทางอากาศ ซึ่งก็คือการอัพเกรดและปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง ปรับปรุงประสิทธิภาพ และลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก การพัฒนากังหันก๊าซอนุพันธ์ทางอากาศอย่างต่อเนื่องนั้นคล้ายคลึงกับการพัฒนาแบบ Pedigree ซึ่งไม่เพียงแต่ทำให้วงจรการพัฒนาสั้นลงเท่านั้น แต่ยังรับประกันความน่าเชื่อถือและความก้าวหน้าที่ดีขึ้น ทั้งยังลดต้นทุนการออกแบบ การพัฒนา การทดสอบ และการผลิตลงอย่างมาก

ประสิทธิภาพ

เป้าหมายของการปรับปรุงประสิทธิภาพคือการปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องจักรทั้งหมดอย่างต่อเนื่อง โดยเฉพาะกำลังขับของเครื่องจักรทั้งหมดและประสิทธิภาพเชิงความร้อนภายใต้สภาวะการทำงานทั้งหมด วิธีการหลักมีดังนี้

หนึ่งคือการประยุกต์ใช้วงจรขั้นสูง การใช้วงจรขั้นสูงสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของกังหันก๊าซแบบแอโรเดริเวทีฟได้อย่างต่อเนื่อง เช่น วงจรการอุ่น วงจรการปฏิเสธไอน้ำ วงจรการพักฟื้นทางเคมี วงจรอากาศเปียก วงจรกังหันขั้นสูงแบบอากาศเปียกแบบอนุกรม และวงจร Kalina เป็นต้น หลังจากใช้วงจรขั้นสูงแล้ว ไม่เพียงแต่ประสิทธิภาพของหน่วยกังหันก๊าซแบบแอโรเดริเวทีฟจะได้รับการปรับปรุงเท่านั้น แต่ประสิทธิภาพด้านพลังงานและความร้อนของทั้งหน่วยก็จะได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญด้วย และการปล่อยก๊าซไนโตรเจนออกไซด์จะลดลงอย่างมาก

ประการที่สองคือการออกแบบส่วนประกอบที่มีประสิทธิภาพสูง การออกแบบส่วนประกอบที่มีประสิทธิภาพสูงมุ่งเน้นไปที่การออกแบบคอมเพรสเซอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงและการออกแบบกังหันที่มีประสิทธิภาพสูง การออกแบบคอมเพรสเซอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงจะยังคงเอาชนะปัญหาทางเทคนิคของความเร็วสูงและประสิทธิภาพสูง ความเร็วต่ำและขอบเขตคลื่นสูงที่คอมเพรสเซอร์ต้องเผชิญ ดังแสดงในรูปที่ 3 การออกแบบกังหันจะยังคงพัฒนาไปในทิศทางที่มีประสิทธิภาพสูง ทนต่ออุณหภูมิสูง และอายุการใช้งานยาวนาน