Dipengaruhi oleh faktor politik, militer dan ekonomi, perkembangan teknologi mesin pesawat terbang lebih cepat dibandingkan dengan turbin gas. Turbin gas dan mesin pesawat terbang memiliki berbagai kesamaan teknis, dan dapat digunakan bersama dalam sistem desain, sistem manufaktur, sistem bakat, dan sistem pengujian. Oleh karena itu, berdasarkan permintaan pasar yang besar dan keunggulan penerapan turbin gas yang jelas, telah menjadi konsensus industri untuk mengembangkan turbin gas berdasarkan mesin pesawat terbang berkinerja tinggi dan matang serta teknologi industri dan metode desain yang maju. Ada dua cara untuk mentransfer teknologi mesin pesawat ke turbin gas, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1: pertama adalah dengan secara langsung memodifikasi dan menurunkan mesin pesawat yang sudah matang untuk membentuk turbin gas turunan aero; upaya lainnya adalah dengan mentransplantasikan teknologi mesin pesawat terbang ke turbin gas tugas berat dan meneliti serta mengembangkan turbin gas tugas berat generasi baru.
Sejarah Perkembangan Turbin Gas Turunan Aero
Seiring dengan perkembangan teknologi mesin penerbangan dan penerapan teknologi advanced cycle, maka proses pengembangan teknis turbin gas aero-derivatif telah melalui tahap eksplorasi teknologi, tahap pengembangan teknologi dan tahap penerapan advanced cycle, sehingga mewujudkan pengembangan aero-derivatif. turbin gas dari modifikasi sederhana hingga desain optimasi mesin inti berkinerja tinggi, dari siklus sederhana hingga penerapan siklus kompleks, dari mewarisi sistem desain yang matang dan sistem material mesin penerbangan hingga desain komponen baru dan penerapan material baru, yang telah memungkinkan tingkat desain, kinerja, keandalan dan kehidupan turbin gas aero-derivatif untuk mencapai pengembangan yang cukup besar.
Tahap eksplorasi teknologi
Pada tahun 1943, turbin gas turunan aero pertama di dunia berhasil dikembangkan. Setelah itu, Rolls-Royce, GE dan Pratt & Whitney merancang batch pertama turbin gas aero-derivatif berdasarkan modifikasi mesin pesawat yang matang, termasuk industri Avon, industri Olympus, turbin gas Spey, LM1500 dan FT4. Pada tahap ini, teknologi turbin gas aero-derivatif sedang dalam masa eksplorasi. Strukturnya secara langsung mewarisi inti mesin pesawat, dan daya keluaran dicapai dengan melengkapi turbin tenaga yang sesuai; kinerja mesin secara keseluruhan tidak tinggi, dan efisiensi siklus umumnya kurang dari 30%; suhu awal sebelum turbin kurang dari 1000 derajat, dan rasio tekanan adalah 4 banding 10; kompresor umumnya subsonik; bilah turbin menggunakan teknologi pendingin udara sederhana; bahan yang digunakan adalah paduan awal suhu tinggi; sistem kendali umumnya menggunakan sistem penyetelan mekanis hidrolik atau elektronik analog.
Tahap Perkembangan Teknologi
Dengan penerapan mesin aero yang matang, mesin induk berperforma tinggi, keandalan tinggi, dan teknologi desain canggih telah disediakan untuk pengembangan pesat turbin gas aeroderivatif. Pada saat yang sama, permintaan turbin gas aeroderivatif canggih oleh angkatan laut Inggris, Amerika Serikat, dan negara lain juga telah memberikan tahap penerapan yang luas, yang memungkinkan turbin gas aeroderivatif berkembang pesat dan meningkatkan kinerjanya secara signifikan. Serangkaian turbin gas aeroderivatif dengan kinerja baik dan keandalan tinggi telah diluncurkan. . Seperti seri LM2500, Trent industri, FT4000 dan MT30, dll., banyak digunakan dalam tenaga kapal, pembangkit listrik dan bidang lainnya.
Komponen ujung panas turbin gas turunan aero dalam tahap pengembangan teknologi umumnya menggunakan paduan super dan lapisan pelindung untuk meningkatkan ketahanan suhu, serta menerapkan teknologi pendingin udara canggih dan teknologi pembakaran rendah polusi; suhu awal sebelum turbin mencapai 1400 derajat, daya dapat mencapai 40-50MW, efisiensi termal satu unit melebihi 40%, dan efisiensi siklus gabungan dapat mencapai 60%; sistem kontrol elektronik digital digunakan, dan akurasi kontrol serta kinerja kontrol meningkat secara signifikan.
Terapkan siklus lanjutan
Seiring dengan meningkatnya persyaratan untuk turbin gas aeroderivatif berkinerja tinggi, terutama konsumsi bahan bakar, daya keluaran, dan indikator lainnya, turbin gas aeroderivatif siklus lanjutan telah memperoleh praktik teknik yang luas. Menambahkan siklus pemulihan panas intercooling atau intercooler berdasarkan siklus termal turbin gas dapat secara signifikan meningkatkan daya keluaran dan kinerja kondisi operasi rendah dari turbin gas aeroderivatif. Misalnya, tingkat daya turbin gas intercooler LMS100 mencapai 100MW dan efisiensinya mencapai 46%. Efisiensi termal turbin gas pemulihan antar-pendinginan WR21 pada kondisi pengoperasian rendah jauh lebih tinggi dibandingkan turbin gas siklus sederhana. Sebagai kekuatan kapal, ini sangat meningkatkan perekonomian kapal dan radius tempur.
Daya keluaran turbin gas aeroderivatif siklus lanjutan yang menggunakan siklus pemulihan panas intercooling atau intercooler telah meningkat pesat, dan efisiensi termal di semua kondisi pengoperasian telah ditingkatkan. Misalnya, tingkat daya dapat mencapai 100MW, dan efisiensi termal pada titik desain mencapai 46%; kinerja kondisi pengoperasian yang rendah telah ditingkatkan secara signifikan, Efisiensi termal dapat mencapai 40% di bawah beban 50%; intercooling mengurangi daya spesifik kompresor bertekanan tinggi, dan rasio tekanan desain seluruh alat berat dapat mencapai lebih dari 40.
Model pengembangan teknologi
Melihat sejarah perkembangannya, turbin gas aero-derivatif memiliki model pengembangan teknis seperti pengembangan silsilah, pengembangan serial, adopsi teknologi siklus lanjutan dan penerapan mode siklus gabungan.
Perkembangan silsilah
Pengembangan silsilah adalah pengembangan turbin gas dari berbagai jenis dan tingkat daya berdasarkan mesin pesawat yang sama, yang sepenuhnya mencerminkan karakteristik turbin gas turunan penerbangan: "satu mesin sebagai basis, memenuhi berbagai kegunaan, menghemat siklus, mengurangi biaya, menurunkan beberapa jenis, dan membentuk spektrum."
Dengan mengambil contoh mesin pesawat CF6-80C2, turbin gas LM6000 secara langsung menggunakan mesin inti CF6-80C2 dan mempertahankan keserbagunaan maksimum turbin tekanan rendah; LMS100 mewarisi teknologi mesin inti CF6-80C2, menggabungkan teknologi turbin gas tugas berat kelas F dan teknologi intercooler, serta memiliki daya sebesar 100MW; MS9001G/H sepenuhnya mengadopsi teknologi canggih dari mesin pesawat CF6-80C2, dan melalui kombinasi dengan teknologi turbin gas tugas berat, suhu sebelum turbin ditingkatkan dari 1287 derajat kelas F menjadi 1430 derajat, dan daya mencapai 282MW. Keberhasilan pengembangan ketiga jenis turbin gas telah memungkinkan pengembangan mesin pesawat CF6-80C2 berbasis penerbangan mencapai "satu mesin dengan beberapa jenis, mengembangkan turbin gas dengan jenis dan kekuatan berbeda".
Pengembangan seri
Pengembangan serial ini adalah untuk terus meningkatkan dan menyempurnakan, meningkatkan kinerja, dan mengurangi emisi berdasarkan turbin gas yang sukses, sehingga mencapai pengembangan serial turbin gas aero-derivatif, di antaranya seri LM2500 adalah yang paling umum, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Turbin gas LM2500 menggunakan mesin inti dari mesin induk TF39/CF6-6, dan mengubah turbin tekanan rendah dari mesin induk menjadi turbin tenaga; turbin gas LM2500+ menambahkan satu tahap di depan kompresor turbin gas LM2500, sehingga meningkatkan aliran massa udara dan daya keluaran; LM2500+G4 meningkatkan laju aliran udara turbin gas dengan meningkatkan profil bilah kompresor dan meningkatkan area tenggorokan turbin berdasarkan LM2500+, sehingga mencapai tujuan untuk terus meningkatkan keluaran kekuatan. Dengan pengembangan serial LM2500, produk ini terus ditingkatkan dan ditingkatkan, dengan rentang daya 20 hingga 35MW, dan jumlah peralatan di seluruh dunia melebihi 1,000 unit, menjadikannya model yang paling banyak digunakan hingga saat ini .
Karena sulitnya pengembangan dan produksi, pengembangan serial berdasarkan turbin gas yang berhasil merupakan model pengembangan teknis yang penting untuk turbin gas aero-derivatif, yaitu untuk terus meningkatkan dan meningkatkan, meningkatkan kinerja, dan mengurangi emisi. Pengembangan serial turbin gas aero-derivatif serupa dengan pengembangan silsilah, yang tidak hanya dapat memperpendek siklus pengembangan, tetapi juga memastikan keandalan dan kemajuan yang lebih baik, dan secara signifikan mengurangi biaya desain, pengembangan, pengujian, dan produksi.
Efisiensi
Tujuan peningkatan efisiensi adalah untuk terus meningkatkan kinerja seluruh mesin, terutama daya keluaran seluruh mesin dan efisiensi termal pada semua kondisi pengoperasian. Cara utamanya adalah sebagai berikut.
Salah satunya adalah penerapan siklus lanjutan. Penerapan siklus lanjutan dapat terus meningkatkan kinerja turbin gas aeroderivatif, seperti siklus pemanasan ulang, siklus reinjeksi uap, siklus pemulihan bahan kimia, siklus udara basah, siklus turbin lanjutan udara basah seri dan siklus Kalina, dll. Setelah menerapkan siklus lanjutan, tidak hanya kinerja unit turbin gas aeroderivatif yang akan ditingkatkan, namun efisiensi daya dan termal seluruh unit juga akan meningkat secara signifikan, dan emisi nitrogen oksida akan berkurang secara signifikan.
Yang kedua adalah desain komponen efisiensi tinggi. Desain komponen efisiensi tinggi berfokus pada desain kompresor efisiensi tinggi dan desain turbin efisiensi tinggi. Desain kompresor efisiensi tinggi akan terus mengatasi kesulitan teknis kecepatan tinggi dan efisiensi tinggi serta batas kecepatan dan lonjakan tinggi yang dihadapi oleh kompresor. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, desain turbin akan terus berkembang ke arah efisiensi tinggi, ketahanan suhu tinggi, dan umur panjang.
