מושפע מגורמים פוליטיים, צבאיים וכלכליים, התפתחות טכנולוגיית מנועי המטוסים מהירה יותר מזו של טורבינות גז. לטורבינות גז ולמנועי מטוסים יש מגוון רחב של מאפיינים טכניים, וניתן לחלוק אותם במערכות תכנון, מערכות ייצור, מערכות טאלנט ומערכות בדיקה. לכן, בהתבסס על הביקוש העצום בשוק ויתרונות היישום הברורים של טורבינות גז, זה הפך לקונצנזוס בתעשייה לפתח טורבינות גז המבוססות על מנועי מטוסים בוגרים בעלי ביצועים גבוהים וטכנולוגיות ושיטות תכנון תעשייתיות מתקדמות. ישנן שתי דרכים להעביר טכנולוגיית מנועי מטוסים לטורבינות גז, כפי שמוצג באיור 1: האחת היא לשנות ולהפיק מנועי מטוסים בוגרים ליצירת טורבינות גז נגזרות אוויריות; השני הוא השתלת טכנולוגיית מנועי מטוסים לטורבינות גז כבדות ומחקר ופיתוח דור חדש של טורבינות גז כבדות.
היסטוריית פיתוח של טורבינות גז נגזרות אוויריות
יחד עם התפתחות טכנולוגיית מנועי התעופה ויישום טכנולוגיית מחזור מתקדמת, תהליך הפיתוח הטכני של טורבינות גז נגזרות אוויריות עבר את שלב חקר הטכנולוגיה, שלב הפיתוח הטכנולוגי ושלב היישום המחזורי המתקדם, תוך מימוש הפיתוח של נגזרת אווירית. טורבינות גז משינוי פשוט לתכנון אופטימיזציית מנוע ליבה בעל ביצועים גבוהים, ממחזור פשוט ליישום מחזור מורכב, מהורשה של מערכת התכנון הבשלה ומערכת החומרים של התעופה מנועים לתכנון של רכיבים חדשים ויישום חומרים חדשים, מה שאיפשר לרמת התכנון, הביצועים, האמינות והחיים של טורבינות גז נגזרות אוויריות להגיע להתפתחות ניכרת.
שלב חקר הטכנולוגיה
בשנת 1943 פותחה בהצלחה טורבינת הגז הנגזרת האווירית הראשונה בעולם. לאחר מכן, רולס-רויס, GE ו-Pratt & Whitney תכננו את המנה הראשונה של טורבינות גז נגזרות אוויריות המבוססות על שינויים בוגרים במנועי מטוסים, כולל Avon תעשייתי, אולימפוס תעשייתי, טורבינות גז Spey, LM1500 ו-FT4. בשלב זה, הטכנולוגיה של טורבינות גז נגזרות אוויריות הייתה בתקופת החקר. המבנה ירש ישירות את הליבה של מנוע המטוס, והספק התפוקה הושג על ידי הצטיידות בטורבינת כוח מתאימה; הביצועים הכוללים של המכונה לא היו גבוהים, ויעילות המחזור הייתה בדרך כלל פחות מ-30%; הטמפרטורה הראשונית לפני הטורבינה הייתה פחות מ-1000 מעלות, ויחס הלחץ היה 4 עד 10; המדחס היה בדרך כלל תת קולי; להבי הטורבינה השתמשו בטכנולוגיית קירור אוויר פשוטה; החומר בו נעשה שימוש היה הסגסוגת הראשונית בטמפרטורה גבוהה; מערכת הבקרה השתמשה בדרך כלל במערכת כוונון הידראולית או אנלוגית אלקטרונית מכנית.
שלב הפיתוח הטכנולוגי
עם היישום הבוגר של מנועי אוויר, סופקו מכונות אב בעלות ביצועים גבוהים ואמינות גבוהה וטכנולוגיות עיצוב מתקדמות לפיתוח מהיר של טורבינות גז נגזרות אוויריות. במקביל, הדרישה לטורבינות גז נגזרות אוויריות מתקדמות על ידי חיל הים של הממלכה המאוחדת, ארצות הברית ומדינות נוספות סיפקה גם שלב יישום רחב, שאיפשר לטורבינות גז נגזרות אוויריות להתפתח במהירות ולשפר משמעותית את ביצועיהן. הושקה סדרה של טורבינות גז נגזרות אוויריות בעלות ביצועים טובים ואמינות גבוהה. . כמו סדרת LM2500, טרנט תעשייתי, FT4000 ו-MT30 וכו', נמצאים בשימוש נרחב בכוח אוניות, ייצור חשמל ותחומים אחרים.
רכיבי הקצה החם של טורבינות גז נגזרות אוויריות בשלב הפיתוח הטכנולוגי משתמשים בדרך כלל בסגסוגות-על ובציפויים מגנים כדי לשפר את עמידות הטמפרטורה, ומיישמים טכנולוגיית קירור אוויר מתקדמת וטכנולוגיית בעירה בזיהום נמוך; הטמפרטורה ההתחלתית לפני שהטורבינה מגיעה ל-1400 מעלות, ההספק יכול להגיע ל-40-50MW, היעילות התרמית של יחידה בודדת עולה על 40%, ויעילות המחזור המשולב יכולה להגיע ל-60%; נעשה שימוש במערכת בקרה אלקטרונית דיגיטלית, ודיוק הבקרה וביצועי הבקרה משופרים משמעותית.
החל מחזורים מתקדמים
ככל שהדרישות לביצועים גבוהים של טורבינות גז נגזרות אוויריות, במיוחד צריכת דלק, כוח תפוקה ואינדיקטורים אחרים, עולות, טורבינות גז נגזרות אוויריות במחזור מתקדם זכו לתרגול הנדסי נרחב. הוספת מחזור התאוששות חום בין קירור או קירור ביניים על בסיס המחזור התרמי של טורבינת הגז יכולה לשפר משמעותית את הספק התפוקה ואת ביצועי תנאי ההפעלה הנמוכים של טורבינת הגז הנגזרת האווירית. לדוגמה, רמת ההספק של טורבינת הגז הבין-קירור LMS100 מגיעה ל-100MW והיעילות היא עד 46%. היעילות התרמית של טורבינת גז החלמה בין-קירור WR21 בתנאי הפעלה נמוכים גבוהה בהרבה מזו של טורבינת גז מחזורית פשוטה. כמעצמת ספינה, היא משפרת מאוד את כלכלת הספינה ואת רדיוס הלחימה.
הספק התפוקה של טורבינות גז נגזרות אוויריות במחזור מתקדם המשתמשות במחזורי שחזור חום בין-קירור או בקירור ביניים גדל מאוד, והיעילות התרמית בכל תנאי ההפעלה שופרה. לדוגמה, רמת ההספק יכולה להגיע ל-100MW, והיעילות התרמית בנקודת התכנון היא עד 46%; ביצועי תנאי ההפעלה הנמוכים שופרו משמעותית, היעילות התרמית יכולה להגיע ל-40% תחת עומס של 50%; קירור ביניים מפחית את ההספק הספציפי של המדחס בלחץ גבוה, ויחס הלחץ העיצובי של המכונה כולה יכול להגיע ליותר מ-40.
מודל פיתוח טכנולוגי
בהסתכלות על היסטוריית הפיתוח, לטורבינות גז נגזרות אוויריות יש מודלים של פיתוח טכניים כגון פיתוח אילן יוחסין, פיתוח סדרתי, אימוץ טכנולוגיית מחזור מתקדמת ויישום מצב מחזור משולב.
התפתחות גנאלוגית
פיתוח גנאלוגי הוא פיתוח של טורבינות גז מסוגים ורמות הספק שונות המבוססות על אותו מנוע מטוס, המשקף במלואו את המאפיינים של טורבינות גז נגזרות תעופה: "מכונה אחת כבסיס, עמידה במספר שימושים, חיסכון במחזורים, הפחתת עלויות, גזירת סוגים מרובים ויצירת ספקטרום."
אם לוקחים את מנוע המטוס CF6-80C2 כדוגמה, טורבינת הגז LM6000 משתמשת ישירות במנוע הליבה של ה-CF6-80C2 ושומרת על הרבגוניות המקסימלית של טורבינת הלחץ הנמוך; ה-LMS100 יורש את טכנולוגיית הליבה של מנוע ה-CF6-80C2, משלב את טכנולוגיית טורבינת הגז הכבדה מסוג F וטכנולוגיית קירור ביניים, ובעל הספק של 100MW; ה-MS9001G/H מאמצת במלואה את הטכנולוגיה הבוגרת של מנוע המטוס CF6-80C2, ובאמצעות השילוב עם טכנולוגיית טורבינת הגז הכבדה, הטמפרטורה לפני הטורבינה מוגברת מ-1287 מעלות של דרגת F ל-F 1430 מעלות, וההספק מגיע ל-282MW. הפיתוח המוצלח של שלושת סוגי טורבינות הגז איפשר לפיתוח מבוסס-תעופה של מנוע המטוסים CF6-80C2 להשיג "מכונה אחת עם מספר סוגים, לפיתוח טורבינות גז מסוגים והספקים שונים".
פיתוח סדרות
הפיתוח הסדרתי נועד לשדרג ולשפר באופן מתמיד, לשפר ביצועים ולהפחית פליטות על בסיס טורבינת גז מוצלחת, כדי להשיג פיתוח סדרתי של טורבינות גז נגזרות אוויריות, שביניהם סדרת LM2500 היא האופיינית ביותר, כפי שמוצג. באיור 2. טורבינת הגז LM2500 משתמשת במנוע הליבה של מנוע האב TF39/CF6-6, ומשנה את הטורבינה בלחץ נמוך של מנוע האב לטורבינת כוח; טורבינת הגז LM2500+ מוסיפה שלב אחד לפני המדחס של טורבינת הגז LM2500, כדי לשפר את זרימת מסת האוויר והספק הפלט; ה-LM2500+G4 מגדיל את קצב זרימת האוויר של טורבינת הגז על ידי שיפור פרופיל להב המדחס והגדלת שטח גרון הטורבינה על בסיס ה-LM2500+, כדי להשיג את המטרה של שיפור מתמיד של התפוקה כּוֹחַ. עם הפיתוח הסדרתי של ה-LM2500, המוצר משודרג ומשתפר ללא הרף, עם טווח הספק של 20 עד 35MW, ומספר הציוד ברחבי העולם עולה על 1,000 יחידות, מה שהופך אותו לדגם הנפוץ ביותר עד כה. .
בשל קושי הפיתוח והייצור, הפיתוח הסדרתי המבוסס על טורבינת הגז המצליחה מהווה מודל פיתוח טכני חשוב לטורבינות גז נגזרות אוויריות, שנועד לשדרג ושיפור מתמיד, לשפר ביצועים ולהפחית פליטות. הפיתוח הסדרתי של טורבינות גז נגזרות אוויריות דומה לפיתוח אילן היוחסין, שיכול לא רק לקצר את מחזור הפיתוח, אלא גם להבטיח אמינות וקידמה טובים יותר, ולהפחית משמעותית את עלויות התכנון, הפיתוח, הבדיקות והייצור.
יְעִילוּת
המטרה של שיפור היעילות היא לשפר באופן מתמיד את הביצועים של המכונה כולה, במיוחד את הספק המוצא של המכונה כולה ואת היעילות התרמית בכל תנאי ההפעלה. הדרכים העיקריות הן כדלקמן.
האחד הוא היישום של מחזורים מתקדמים. היישום של מחזורים מתקדמים יכול לשפר ללא הרף את הביצועים של טורבינות גז נגזרות אוויריות, כגון מחזור חימום חוזר, מחזור הזרקת קיטור, מחזור התאוששות כימי, מחזור אוויר רטוב, מחזור טורבינות אוויר רטוב מתקדם ומחזור Kalina וכו'. לאחר יישום המחזור המתקדם, לא רק הביצועים של יחידת טורבינת הגז הנגזרת האווירית ישתפרו, אלא גם הכוח והיעילות התרמית של היחידה כולה ישתפרו. שיפור משמעותי, ופליטת תחמוצת חנקן תפחת משמעותית.
השני הוא עיצוב רכיבים ביעילות גבוהה. תכנון רכיבים ביעילות גבוהה מתמקד בתכנון מדחס ביעילות גבוהה ובתכנון טורבינות ביעילות גבוהה. תכנון מדחס ביעילות גבוהה ימשיך להתגבר על הקשיים הטכניים של מהירות גבוהה ויעילות גבוהה ומהירות נמוכה וגבול נחשול גבוה העומדים בפני מדחסים. כפי שמוצג באיור 3, תכנון הטורבינות ימשיך להתפתח בכיוון של יעילות גבוהה, עמידות בטמפרטורה גבוהה וחיים ארוכים.
