Affecté par des facteurs politiques, militaires et économiques, le développement de la technologie des moteurs d’avion est plus rapide que celui des turbines à gaz. Les turbines à gaz et les moteurs d'avion présentent un large éventail de points communs techniques et peuvent être partagés dans les systèmes de conception, les systèmes de fabrication, les systèmes de talents et les systèmes de test. Par conséquent, sur la base de l’énorme demande du marché et des avantages d’application évidents des turbines à gaz, il est devenu un consensus industriel pour développer des turbines à gaz basées sur des moteurs d’avion matures et performants et sur des technologies industrielles et des méthodes de conception avancées. Il existe deux manières de transférer la technologie des moteurs d'avion vers les turbines à gaz, comme le montre la figure 1 : l'une consiste à modifier et à dériver directement des moteurs d'avion matures pour former des turbines à gaz aéro-dérivées ; l’autre consiste à transplanter la technologie des moteurs d’avion vers des turbines à gaz lourdes et à rechercher et développer une nouvelle génération de turbines à gaz lourdes.
Historique du développement des turbines à gaz aéro-dérivées
Parallèlement au développement de la technologie des moteurs d'aviation et à l'application de la technologie de cycle avancée, le processus de développement technique des turbines à gaz aéro-dérivées est passé par la phase d'exploration technologique, la phase de développement technologique et la phase d'application de cycle avancé, réalisant le développement de turbines à gaz aéro-dérivées. turbines à gaz, de la simple modification à la conception d'optimisation du moteur de base haute performance, du cycle simple à l'application à cycle complexe, de l'héritage du système de conception mature et du système de matériaux des moteurs d'aviation à la conception de nouveaux composants et à l'application de nouveaux matériaux, ce qui a permis le niveau de conception, performances, fiabilité et durée de vie des turbines à gaz aéro-dérivées pour parvenir à un développement considérable.
Étape d'exploration technologique
En 1943, la première turbine à gaz aéronautique au monde a été développée avec succès. Après cela, Rolls-Royce, GE et Pratt & Whitney ont conçu le premier lot de turbines à gaz aéro-dérivées basées sur des modifications matures de moteurs d'avion, notamment les turbines industrielles Avon, Olympus industrielles, Spey, LM1500 et FT4. À ce stade, la technologie des turbines à gaz aéro-dérivées était en période exploratoire. La structure a directement hérité du cœur du moteur de l'avion, et la puissance de sortie a été obtenue en équipant une turbine de puissance appropriée ; les performances globales de la machine n'étaient pas élevées et l'efficacité du cycle était généralement inférieure à 30 % ; la température initiale avant la turbine était inférieure à 1 000 degrés et le rapport de pression était de 4 à 10 ; le compresseur était généralement subsonique ; les aubes de turbine utilisaient une technologie simple de refroidissement par air ; le matériau utilisé était l’alliage haute température initial ; le système de contrôle utilisait généralement un système de réglage mécanique, hydraulique ou électronique analogique.
Étape de développement technologique
Avec l'application mature des moteurs d'avion, des machines mères hautes performances et haute fiabilité et des technologies de conception avancées ont été fournies pour le développement rapide des turbines à gaz aérodérivées. Dans le même temps, la demande de turbines à gaz aérodérivées avancées par les marines du Royaume-Uni, des États-Unis et d'autres pays a également fourni une large étape d'application, qui a permis aux turbines à gaz aérodérivées de se développer rapidement et d'améliorer considérablement leurs performances. Une série de turbines à gaz aérodérivées offrant de bonnes performances et une grande fiabilité ont été lancées. . Tels que les séries LM2500, Trent industriel, FT4000 et MT30, etc., sont largement utilisés dans l'alimentation électrique des navires, la production d'électricité et d'autres domaines.
Les composants chauds des turbines à gaz aéronautiques en phase de développement technologique utilisent généralement des superalliages et des revêtements protecteurs pour améliorer la résistance à la température, et appliquent une technologie avancée de refroidissement par air et une technologie de combustion à faible pollution ; la température initiale avant que la turbine n'atteigne 1 400 degrés, la puissance peut atteindre 40-50MW, l'efficacité thermique d'une seule unité dépasse 40 % et l'efficacité du cycle combiné peut atteindre 60 % ; un système de commande électronique numérique est utilisé, et la précision et les performances de commande sont considérablement améliorées.
Appliquer des cycles avancés
À mesure que les exigences en matière de hautes performances des turbines à gaz aérodérivées, en particulier la consommation de carburant, la puissance de sortie et d'autres indicateurs, augmentent, les turbines à gaz aérodérivées à cycle avancé ont acquis une pratique d'ingénierie généralisée. L'ajout d'un cycle de refroidissement intermédiaire ou de récupération de chaleur à refroidissement intermédiaire sur la base du cycle thermique de la turbine à gaz peut améliorer considérablement la puissance de sortie et les performances dans de faibles conditions de fonctionnement de la turbine à gaz aérodérivée. Par exemple, le niveau de puissance de la turbine à gaz à refroidissement intermédiaire LMS100 atteint 100 MW et le rendement atteint 46 %. L'efficacité thermique de la turbine à gaz de récupération à refroidissement intermédiaire WR21 dans de faibles conditions de fonctionnement est bien supérieure à celle d'une turbine à gaz à cycle simple. En tant que puissance de navire, elle améliore considérablement l'économie et le rayon de combat du navire.
La puissance de sortie des turbines à gaz aérodérivées à cycle avancé utilisant des cycles de refroidissement intermédiaire ou de récupération de chaleur à refroidissement intermédiaire a été considérablement augmentée et l'efficacité thermique dans toutes les conditions de fonctionnement a été améliorée. Par exemple, le niveau de puissance peut atteindre 100 MW et l'efficacité thermique au point de conception peut atteindre 46 % ; les performances dans de faibles conditions de fonctionnement ont été considérablement améliorées. L'efficacité thermique peut atteindre 40 % sous une charge de 50 % ; le refroidissement intermédiaire réduit la puissance spécifique du compresseur haute pression et le rapport de pression de conception de l'ensemble de la machine peut atteindre plus de 40.
Modèle de développement technologique
En regardant l'historique du développement, les turbines à gaz aéro-dérivées ont des modèles de développement technique tels que le développement généalogique, le développement en série, l'adoption d'une technologie de cycle avancée et l'application du mode cycle combiné.
Développement généalogique
Le développement généalogique est le développement de turbines à gaz de différents types et niveaux de puissance basées sur le même moteur d'avion, qui reflète pleinement les caractéristiques des turbines à gaz dérivées de l'aviation : « une machine comme base, répondant à de multiples usages, économisant des cycles, réduisant les coûts, dériver plusieurs types et former un spectre.
En prenant le moteur d'avion CF6-80C2 comme exemple, la turbine à gaz LM6000 utilise directement le moteur principal du CF6-80C2 et maintient la polyvalence maximale de la turbine basse pression ; le LMS100 hérite de la technologie de moteur de base du CF6-80C2, combine la technologie de turbine à gaz robuste de classe F et la technologie de refroidissement intermédiaire, et a une puissance de 100 MW ; le MS9001G/H adopte pleinement la technologie mature du moteur d'avion CF6-80C2, et grâce à la combinaison avec la technologie de turbine à gaz robuste, la température avant la turbine passe de 1 287 degrés de la classe F à 1430 degrés et la puissance atteint 282 MW. Le développement réussi des trois types de turbines à gaz a permis au développement aéronautique du moteur d'avion CF6-80C2 d'obtenir « une machine avec plusieurs types, développant des turbines à gaz de différents types et puissances ».
Développement de séries
Le développement en série consiste à mettre à niveau et à améliorer continuellement, à améliorer les performances et à réduire les émissions sur la base d'une turbine à gaz réussie, de manière à réaliser le développement en série de turbines à gaz aéronautiques, parmi lesquelles la série LM2500 est la plus typique, comme indiqué. sur la figure 2. La turbine à gaz LM2500 utilise le moteur principal du moteur parent TF39/CF6-6 et transforme la turbine basse pression du moteur parent en une turbine de puissance ; la turbine à gaz LM2500+ ajoute un étage devant le compresseur de la turbine à gaz LM2500, de manière à améliorer le débit massique d'air et la puissance de sortie ; le LM2500+G4 augmente le débit d'air de la turbine à gaz en améliorant le profil des aubes du compresseur et en augmentant la surface du col de la turbine sur la base du LM2500+, de manière à atteindre l'objectif d'amélioration continue du rendement pouvoir. Avec le développement en série du LM2500, le produit est continuellement mis à niveau et amélioré, avec une plage de puissance de 20 à 35 MW, et le nombre d'équipements dans le monde dépasse 1,000 unités, ce qui en fait le modèle le plus largement utilisé à ce jour. .
En raison de la difficulté de développement et de production, le développement en série basé sur la turbine à gaz réussie constitue un modèle de développement technique important pour les turbines à gaz aéro-dérivées, qui consiste à mettre à niveau et à améliorer continuellement, à améliorer les performances et à réduire les émissions. Le développement en série de turbines à gaz aéro-dérivées est similaire au développement pedigree, qui peut non seulement raccourcir le cycle de développement, mais également garantir une meilleure fiabilité et un meilleur avancement, et réduire considérablement les coûts de conception, de développement, de test et de fabrication.
Efficacité
L'objectif de l'amélioration de l'efficacité est d'améliorer continuellement les performances de l'ensemble de la machine, en particulier la puissance de sortie de l'ensemble de la machine et l'efficacité thermique dans toutes les conditions de fonctionnement. Les principales méthodes sont les suivantes.
L’une est l’application de cycles avancés. L'application de cycles avancés peut améliorer continuellement les performances des turbines à gaz aérodérivées, telles que le cycle de réchauffage, le cycle de réinjection de vapeur, le cycle de récupération chimique, le cycle d'air humide, le cycle de turbine avancé à air humide en série et le cycle Kalina, etc. Après avoir appliqué le cycle avancé, non seulement les performances de l'unité de turbine à gaz aérodérivée seront améliorées, mais la puissance et l'efficacité thermique de l'ensemble de l'unité seront également considérablement améliorées, et les émissions d'oxydes d'azote seront considérablement réduites.
Le deuxième concerne la conception de composants à haut rendement. La conception des composants à haut rendement se concentre sur la conception de compresseurs à haut rendement et la conception de turbines à haut rendement. La conception des compresseurs à haut rendement continuera de surmonter les difficultés techniques liées aux vitesses élevées et au rendement élevé, ainsi qu'aux limites de faible vitesse et de surtension élevées auxquelles sont confrontés les compresseurs. Comme le montre la figure 3, la conception des turbines continuera à évoluer dans le sens d'un rendement élevé, d'une résistance aux températures élevées et d'une longue durée de vie.
