متأثرة بالعوامل السياسية والعسكرية والاقتصادية، فإن تطوير تكنولوجيا محركات الطائرات أسرع من توربينات الغاز. تتمتع توربينات الغاز ومحركات الطائرات بمجموعة واسعة من القواسم المشتركة التقنية، ويمكن مشاركتها في أنظمة التصميم وأنظمة التصنيع وأنظمة المواهب وأنظمة الاختبار. لذلك، بناءً على الطلب الكبير في السوق ومزايا التطبيق الواضحة لتوربينات الغاز، فقد أصبح هناك إجماع في الصناعة لتطوير توربينات الغاز بناءً على محركات الطائرات الناضجة عالية الأداء والتقنيات الصناعية المتقدمة وطرق التصميم. هناك طريقتان لنقل تكنولوجيا محركات الطائرات إلى توربينات الغاز، كما هو موضح في الشكل 1: الأولى هي تعديل واشتقاق محركات الطائرات الناضجة بشكل مباشر لتشكيل توربينات غازية مشتقة من الهواء؛ والآخر هو زرع تكنولوجيا محركات الطائرات في توربينات الغاز الثقيلة والبحث وتطوير جيل جديد من توربينات الغاز الثقيلة.
تاريخ تطور توربينات الغاز المشتقة من الهواء
جنبا إلى جنب مع تطوير تكنولوجيا محركات الطيران وتطبيق تكنولوجيا الدورة المتقدمة، مرت عملية التطوير الفني لتوربينات الغاز المشتقة من الهواء بمرحلة استكشاف التكنولوجيا، ومرحلة تطوير التكنولوجيا ومرحلة تطبيق الدورة المتقدمة، لتحقيق تطوير المشتقات الهوائية توربينات الغاز من التعديل البسيط إلى التصميم الأمثل للمحرك الأساسي عالي الأداء، ومن الدورة البسيطة إلى تطبيق الدورة المعقدة، ومن وراثة نظام التصميم الناضج ونظام المواد لمحركات الطيران إلى تصميم مكونات جديدة وتطبيق مواد جديدة، والتي مكن مستوى التصميم والأداء والموثوقية وعمر توربينات الغاز المشتقة من الهواء من تحقيق تطور كبير.
مرحلة استكشاف التكنولوجيا
في عام 1943، تم تطوير أول توربين غازي مشتق هوائيًا في العالم بنجاح. بعد ذلك، صممت رولز رويس وجنرال إلكتريك وبرات آند ويتني الدفعة الأولى من توربينات الغاز المشتقة من الهواء استنادًا إلى تعديلات محركات الطائرات الناضجة، بما في ذلك توربينات أفون الصناعية وأوليمبوس الصناعية وتوربينات غاز سبي وLM1500 وFT4. في هذه المرحلة، كانت تكنولوجيا توربينات الغاز المشتقة من الهواء في الفترة الاستكشافية. ورث الهيكل مباشرة جوهر محرك الطائرة، وتم تحقيق الطاقة الناتجة عن طريق تجهيز توربينات الطاقة المناسبة؛ لم يكن الأداء العام للآلة مرتفعًا، وكانت كفاءة الدورة بشكل عام أقل من 30%؛ كانت درجة الحرارة الأولية قبل التوربين أقل من 1000 درجة، وكانت نسبة الضغط 4 إلى 10؛ كان الضاغط دون سرعة الصوت بشكل عام. تستخدم شفرات التوربينات تقنية تبريد الهواء البسيطة؛ وكانت المادة المستخدمة هي السبائك الأولية ذات درجة الحرارة العالية؛ يستخدم نظام التحكم بشكل عام نظام تعديل إلكتروني هيدروليكي أو تناظري ميكانيكي.
مرحلة التطور التكنولوجي
مع التطبيق الناضج لمحركات الطائرات، تم توفير الآلات الأم عالية الأداء والموثوقية العالية وتقنيات التصميم المتقدمة للتطوير السريع لتوربينات الغاز الهوائية. وفي الوقت نفسه، فإن الطلب على توربينات الغاز المشتقة من الهواء المتقدمة من قبل القوات البحرية في المملكة المتحدة والولايات المتحدة ودول أخرى قد وفر أيضًا مرحلة تطبيق واسعة، مما مكن توربينات الغاز المشتقة من الهواء من التطور بسرعة وتحسين أدائها بشكل كبير. تم إطلاق سلسلة من توربينات الغاز الهوائية ذات الأداء الجيد والموثوقية العالية. . مثل سلسلة LM2500، Trent الصناعية، FT4000 وMT30، وما إلى ذلك، تستخدم على نطاق واسع في طاقة السفن، وتوليد الطاقة وغيرها من المجالات.
تستخدم المكونات الساخنة لتوربينات الغاز المشتقة هوائيًا في مرحلة التطور التكنولوجي بشكل عام السبائك الفائقة والطلاءات الواقية لتحسين مقاومة درجات الحرارة، وتطبيق تكنولوجيا تبريد الهواء المتقدمة وتكنولوجيا الاحتراق منخفضة التلوث؛ درجة الحرارة الأولية قبل أن تصل التوربينة إلى 1400 درجة، يمكن أن تصل الطاقة إلى 40-50 ميجاوات، وتتجاوز الكفاءة الحرارية للوحدة الواحدة 40%، ويمكن أن تصل كفاءة الدورة المركبة إلى 60%؛ يتم استخدام نظام التحكم الإلكتروني الرقمي، ويتم تحسين دقة التحكم وأداء التحكم بشكل كبير.
تطبيق دورات متقدمة
مع زيادة متطلبات الأداء العالي لتوربينات الغاز الهوائية، وخاصة استهلاك الوقود والطاقة الناتجة والمؤشرات الأخرى، اكتسبت توربينات الغاز ذات الدورة المتقدمة ممارسة هندسية واسعة النطاق. إن إضافة دورة التبريد الداخلي أو دورة استرداد الحرارة المبردة داخليًا على أساس الدورة الحرارية لتوربينات الغاز يمكن أن يؤدي إلى تحسين كبير في طاقة الخرج وأداء ظروف التشغيل المنخفضة لتوربينات الغاز الهوائية. على سبيل المثال، مستوى الطاقة لتوربين الغاز المبرد داخليًا LMS100 يصل إلى 100MW والكفاءة تصل إلى 46%. تعد الكفاءة الحرارية لتوربينات الغاز الاسترداد ذات التبريد الداخلي WR21 في ظروف التشغيل المنخفضة أعلى بكثير من توربينات الغاز ذات الدورة البسيطة. باعتبارها قوة سفينة، فإنها تحسن بشكل كبير اقتصاد السفينة ونصف قطرها القتالي.
تمت زيادة الطاقة الناتجة لتوربينات الغاز الهوائية ذات الدورة المتقدمة التي تستخدم التبريد البيني أو دورات استعادة الحرارة المبردة بشكل كبير، كما تم تحسين الكفاءة الحرارية في جميع ظروف التشغيل. على سبيل المثال، مستوى الطاقة يمكن أن يصل إلى 100MW، والكفاءة الحرارية عند نقطة التصميم تصل إلى 46%؛ تم تحسين أداء حالة التشغيل المنخفضة بشكل كبير، ويمكن أن تصل الكفاءة الحرارية إلى 40% تحت حمل 50%؛ يقلل التبريد الداخلي من الطاقة المحددة للضاغط عالي الضغط، ويمكن أن تصل نسبة الضغط التصميمي للجهاز بأكمله إلى أكثر من 40.
نموذج التطور التكنولوجي
بالنظر إلى تاريخ التطوير، فإن توربينات الغاز المشتقة من الهواء لديها نماذج تطوير تقنية مثل تطوير النسب، والتطوير التسلسلي، واعتماد تكنولوجيا الدورة المتقدمة وتطبيق وضع الدورة المركبة.
تطور الأنساب
التطور الأنساب هو تطوير توربينات الغاز بأنواع ومستويات طاقة مختلفة تعتمد على نفس محرك الطائرة، مما يعكس بشكل كامل خصائص توربينات الغاز المشتقة من الطيران: "آلة واحدة كأساس، تلبي الاستخدامات المتعددة، دورات توفير، تقليل التكاليف، اشتقاق أنواع متعددة، وتشكيل الطيف."
بأخذ محرك الطائرة CF6-80C2 كمثال، يستخدم توربين الغاز LM6000 مباشرة المحرك الأساسي لـ CF6-80C2 ويحافظ على أقصى قدر من التنوع للتوربين منخفض الضغط؛ يرث LMS100 تقنية المحرك الأساسية لـ CF6-80C2، ويجمع بين تقنية توربينات الغاز الثقيلة من الفئة F وتقنية التبريد الداخلي، ويتمتع بقدرة 100 ميجاوات؛ يعتمد MS9001G/H بشكل كامل التكنولوجيا الناضجة لمحرك الطائرات CF6-80C2، ومن خلال الدمج مع تقنية توربينات الغاز للخدمة الشاقة، يتم زيادة درجة الحرارة قبل التوربين من 1287 درجة من الفئة F إلى 1430 درجة، وتصل الطاقة إلى 282 ميجاوات. إن التطوير الناجح للأنواع الثلاثة من توربينات الغاز قد مكّن التطوير القائم على الطيران لمحرك الطائرات CF6-80C2 من تحقيق "آلة واحدة بأنواع متعددة، وتطوير توربينات غازية بأنواع وقدرات مختلفة".
تطوير السلسلة
التطوير التسلسلي هو الترقية والتحسين المستمر وتحسين الأداء وتقليل الانبعاثات على أساس توربينات غازية ناجحة، وذلك لتحقيق التطوير التسلسلي لتوربينات الغاز المشتقة من الهواء، ومن بينها سلسلة LM2500 هي الأكثر نموذجية، كما هو موضح في الشكل 2. يستخدم توربين الغاز LM2500 المحرك الأساسي للمحرك الأصلي TF39/CF6-6، ويقوم بتغيير توربين الضغط المنخفض للمحرك الأصلي إلى قوة التوربينات. يضيف توربين الغاز LM2500+ مرحلة واحدة أمام ضاغط توربين الغاز LM2500، وذلك لتحسين تدفق كتلة الهواء وإنتاج الطاقة؛ يعمل LM2500+G4 على زيادة معدل تدفق هواء توربين الغاز عن طريق تحسين شكل شفرة الضاغط وزيادة مساحة حنجرة التوربين على أساس LM2500+، وذلك لتحقيق غرض التحسين المستمر للإخراج قوة. من خلال التطوير التسلسلي لـ LM2500، تتم ترقية المنتج وتحسينه باستمرار، مع نطاق طاقة يتراوح من 20 إلى 35 ميجاوات، ويتجاوز عدد المعدات في جميع أنحاء العالم 1,000 وحدة، مما يجعله النموذج الأكثر استخدامًا على نطاق واسع حتى الآن .
نظرًا لصعوبة التطوير والإنتاج، يعد التطوير التسلسلي المعتمد على توربينات الغاز الناجحة نموذجًا مهمًا للتطوير الفني لتوربينات الغاز المشتقة من الهواء، وهو التطوير والتحسين المستمر وتحسين الأداء وتقليل الانبعاثات. يشبه التطوير التسلسلي لتوربينات الغاز المشتقة من الهواء تطوير النسب، والذي لا يمكنه تقصير دورة التطوير فحسب، بل يضمن أيضًا موثوقية وتقدمًا أفضل، ويقلل بشكل كبير من تكاليف التصميم والتطوير والاختبار والتصنيع.
كفاءة
الهدف من تحسين الكفاءة هو التحسين المستمر لأداء الآلة بأكملها، وخاصة الطاقة الناتجة للآلة بأكملها والكفاءة الحرارية في جميع ظروف التشغيل. الطرق الرئيسية هي كما يلي.
الأول هو تطبيق الدورات المتقدمة. يمكن أن يؤدي تطبيق الدورات المتقدمة إلى تحسين أداء توربينات الغاز الهوائية بشكل مستمر، مثل دورة إعادة التسخين، ودورة إعادة حقن البخار، ودورة الاسترداد الكيميائي، ودورة الهواء الرطب، ودورة توربينات الهواء الرطب المتقدمة المتسلسلة ودورة كالينا، وما إلى ذلك. بعد تطبيق الدورة المتقدمة، لن يتم تحسين أداء وحدة توربينات الغاز الهوائية فحسب، بل سيتم أيضًا تحسين كفاءة الطاقة والكفاءة الحرارية للوحدة بأكملها بشكل كبير، وسيتم تقليل انبعاثات أكسيد النيتروجين بشكل كبير.
والثاني هو تصميم المكونات عالية الكفاءة. يركز تصميم المكونات عالية الكفاءة على تصميم الضاغط عالي الكفاءة وتصميم التوربينات عالي الكفاءة. سيستمر تصميم الضاغط عالي الكفاءة في التغلب على الصعوبات التقنية المتمثلة في السرعة العالية والكفاءة العالية والسرعة المنخفضة وحدود التدفق العالي التي تواجهها الضواغط. كما هو موضح في الشكل 3، سيستمر تصميم التوربينات في التطور في اتجاه الكفاءة العالية ومقاومة درجات الحرارة العالية والعمر الطويل.
