Микротурбина
Микротурбина (МТ) — это небольшая газовая турбина с циклами и компонентами, аналогичными тяжелой газовой турбине. Соотношение мощности и веса МТ лучше, чем у тяжелой газовой турбины, поскольку уменьшение диаметров турбины приводит к увеличению скорости вращения вала. Тяжелые газотурбинные генераторы слишком велики и слишком дороги для приложений с распределенной энергией, поэтому МТ разрабатываются для малой энергетики, например, для производства электроэнергии отдельно или в качестве комбинированных систем охлаждения, отопления и электроснабжения (CCHP). [1] MT — это газовые турбины мощностью от 25 до 500 кВт (от 34 до 671 л.с. ), созданные на основе турбокомпрессоров поршневых двигателей , авиационных вспомогательных силовых установок (ВСУ) или небольших реактивных двигателей размером с холодильник . [2] Ранние турбины мощностью 30–70 кВт (40–94 л.с.) выросли до 200–250 кВт (270–340 л.с.). [3]
Дизайн
[ редактировать ]
Они состоят из компрессора , камеры сгорания , рабочего колеса / турбины и электрогенератора на одном или двух валах.Они могут иметь рекуператор, улавливающий отходящее тепло для повышения эффективности компрессора, промежуточный охладитель и систему повторного нагрева .Они вращаются со скоростью более 40 000 об/мин , а обычная одновальная микротурбина обычно вращается со скоростью от 90 000 до 120 000 об/мин. [2] Они часто имеют одноступенчатый радиальный компрессор и одноступенчатую радиальную турбину .Рекуператоры сложны в проектировании и производстве, поскольку они работают в условиях высоких перепадов давления и температуры.
Достижения в области электроники позволяют работать без присмотра, а технология электронного переключения мощности устраняет необходимость синхронизации генератора с электросетью, позволяя интегрировать его с валом турбины и использовать в качестве стартера.Газовые турбины используют большинство коммерческих видов топлива, таких как бензин , природный газ , пропан , дизельное топливо и керосин , а также возобновляемые виды топлива, такие как E85 , биодизель и биогаз .Для запуска на керосине или дизельном топливе может потребоваться более летучий продукт, например, пропан.Микротурбины могут использовать микросгорание .
В полноразмерных газовых турбинах часто используются шарикоподшипники.Температура 1000 ° C (1270 K; 1830 ° F) и высокие скорости микротурбин делают масляную смазку и шарикоподшипники непрактичными; для них требуются воздушные подшипники или, возможно, магнитные подшипники . [4] Они могут быть оснащены подшипниками из фольги и воздушным охлаждением, работающими без смазочного масла, охлаждающих жидкостей или других опасных материалов. [5]
частичной нагрузки Чтобы максимизировать эффективность , несколько турбин могут запускаться или останавливаться по мере необходимости в интегрированной системе . [3] Поршневые двигатели могут быстро реагировать на изменения потребляемой мощности, в то время как микротурбины теряют большую эффективность при низких уровнях мощности.Они могут иметь более высокую удельную мощность , чем поршневые двигатели, низкий уровень выбросов и небольшое количество или только одну движущуюся часть.Поршневые двигатели могут быть более эффективными, в целом дешевле и обычно используют простые подшипники скольжения, смазываемые моторным маслом .
Микротурбины могут использоваться для когенерации и распределенной генерации в качестве турбогенераторов или турбогенераторов, а также для питания гибридных электромобилей . Большая часть отработанного тепла содержится в выхлопных газах с относительно высокой температурой, что упрощает их улавливание, в то время как отработанное тепло поршневых двигателей распределяется между выхлопными газами и системой охлаждения. [6] Выхлопное тепло можно использовать для нагрева воды, отопления помещений, процессов сушки или абсорбционных охладителей , которые создают холод для кондиционирования воздуха за счет тепловой энергии, а не электрической энергии.
Эффективность
[ редактировать ]Микротурбины имеют КПД около 15% без рекуператора, от 20 до 30% с одним рекуператором и могут достигать 85% совокупного термоэлектрического КПД при когенерации. [2] Niigata Power Systems RGT3R мощностью 300 кВт (400 л.с.) Тепловой КПД достигает 32,5%, а у RGT3C без рекуперации мощностью 360 кВт (480 л.с.) — 16,3%. [7] Capstone Turbine 33% . заявляет, что электрический КПД модели C200S мощностью 200 кВт (270 л.с.) составляет [8]
В 1988 году NEDO начала проект керамической газовой турбины в рамках японского проекта New Sunshine : в 1999 году рекуперированная двухвальная двигатель Kawasaki Heavy Industries CGT302 мощностью 311,6 кВт (417,9 л.с.) достигла КПД 42,1% и температуры 1350 °C (1620 K; 2460). °F) в турбину на входе температура . [9] [10] наградило компанию Capstone В октябре 2010 года Министерство энергетики США проектом двухступенчатой микротурбины с промежуточным охлаждением, созданной на основе ее нынешних двигателей мощностью 200 кВт (270 л.с.) и 65 кВт (87 л.с.) для турбины мощностью 370 кВт (500 л.с.). электрический КПД 42%. [11] Исследователи из Технологического университета Лаппеенранты разработали двухвальную микротурбину с промежуточным охлаждением и рекуперацией мощностью 500 кВт (670 л.с.), стремясь к КПД 45%. [12]
Рынок
[ редактировать ]Forecast International прогнозирует, что доля Capstone Turbine на рынке по объему производства в период с 2008 по 2032 год составит 51,4%, за ней следуют Bladon Jets с 19,4%, MTT с 13,6%, FlexEnergy с 10,9% и Ansaldo Energia с 4,5%. [13]
Ультра микро
[ редактировать ]MIT начал проект турбинного двигателя размером в миллиметр в середине 1990-х годов, когда профессор аэронавтики и астронавтики Алан Х. Эпштейн рассмотрел возможность создания персональной турбины, которая сможет удовлетворить все требования электрических потребностей современного человека, точно так же, как большая турбина может удовлетворить потребности в электроэнергии небольшого города. В этих новых микротурбинах возникли проблемы с отводом тепла и высокоскоростными подшипниками. При этом их ожидаемая эффективность составляет очень низкую 5-6%. По словам профессора Эпштейна, современные коммерческие литий-ионные аккумуляторные батареи обеспечивают мощность около 120–150 Втч/кг (200–240 кДж/фунт). Турбина MIT размером в миллиметр будет производить 500–700 Втч/кг (820–1140 кДж/фунт) в ближайшем будущем, а в долгосрочной перспективе увеличится до 1200–1500 Втч/кг (2000–2400 кДж/фунт). [14]
Аналогичная микротурбина, построенная бельгийским Католическим университетом Левена, имеет диаметр ротора 20 мм и, как ожидается, будет производить около 1000 Вт (1,3 л.с.). [4]
Самолет
[ редактировать ]Французский стартап Turbotech, поддерживаемый Safran , разрабатывает турбовинтовой двигатель мощностью 73 кВт (98 л.с.) с рекуператором для повышения эффективности с 10 до 30 %, с удельным расходом топлива для тормозов, аналогичным поршневому двигателю, но на 30 кг (66 фунтов) легче при 55 л.с. кг (121 фунт) и без охлаждающего сопротивления.Прямые эксплуатационные расходы , по мнению Turbotech, должны быть снижены на 30% за счет более разнообразного топлива и меньшего объема технического обслуживания, а также удвоенного времени между капитальными ремонтами (4000 часов).Предназначенный для высококлассных сверхлегких двухместных самолетов и беспилотных самолетов , он будет немного дороже, чем конкурирующий Rotax 912 , но должен быть таким же конкурентоспособным на протяжении всего своего жизненного цикла.Для двухместного самолета вертикального взлета и посадки турбогенератор мощностью 55 кВт (74 л.с.) будет весить 85 кг (187 фунтов) с топливом на 2,5 часа автономной работы вместо 1 тонны батарей.Демонстратор эксплуатировался в 2016–2017 годах, а наземные испытания начались во второй половине 2018 года, летные испытания — во второй половине 2019 года, а первая поставка — в первой половине 2020 года. [ нужно обновить ] Линия окончательной сборки была создана в аэропорту Туссю-ле-Нобль недалеко от Парижа с годовой производительностью 1000 двигателей к 2025 году. [15] КПД 30% эквивалентен расходу топлива 281 г/кВтч при расходе топлива 42,7 МДж/кг.Турбовинтовой двигатель TP-R90 или турбогенератор TG-R90 массой 64 кг (141 фунт) может развивать мощность 90 кВт (120 л.с.) и сжигать 18–25 л (4,8–6,6 галлонов США) реактивного топлива в час в крейсерском режиме. [16]
Чешская компания PBS Velká Bíteš предлагает турбовинтовой двигатель TP100 мощностью 180 кВт (240 л.с.) весом 61,6 кг (136 фунтов) для сверхлегких самолетов и БПЛА , потребляющий 515 г/кВтч (5,05 унций/МДж). [17] Это эквивалентно 16,4% эффективности при расходе топлива 42,7 МДж/кг.
Базирующаяся в Майами компания UAV Turbines разработала турбовинтовой двигатель Monarch RP (ранее UTP50R) с рекуперацией мощностью 40 л.с. (30 кВт) для самолетов полной массой около 1320 фунтов (600 кг) для испытаний на БПЛА TigerShark . [18] 10 декабря 2019 года компания представила свой Monarch Hybrid Range Extender, гибридно-электрический демонстратор мощностью 33 л.с. (25 кВт) на базе турбины Monarch 5, представленной в сентябре, весом 27 кг (60 фунтов) для двигателя и 54 кг (119 фунтов). фунт) для всей системы. [19]
Гибридные автомобили
[ редактировать ]При использовании в электромобилях с увеличенным запасом хода недостаток статической эффективности менее важен, поскольку газовая турбина может работать на максимальной мощности или близкой к ней, приводя в действие генератор переменного тока для выработки электроэнергии либо для колесных двигателей, либо для аккумуляторов, в зависимости от скорости и мощности. состояние батареи. Аккумуляторы действуют как «буфер» (накопитель энергии) при подаче необходимого количества мощности на колесные двигатели, делая реакцию дроссельной заслонки газовой турбины несущественной.
Более того, нет необходимости в значительной коробке передач или коробке передач с регулируемой скоростью; вращение генератора на сравнительно высоких скоростях позволяет использовать генератор меньшего размера и легче, чем в противном случае. Превосходное соотношение мощности и веса газовой турбины и ее фиксированной коробки передач позволяет использовать тягач гораздо легче, чем Toyota Prius (бензиновый двигатель объемом 1,8 литра) или Chevrolet Volt (бензиновый двигатель объемом 1,4 литра). Это, в свою очередь, позволяет переносить более тяжелый вес батарей, что обеспечивает больший запас хода только на электричестве. В качестве альтернативы в автомобиле можно использовать более тяжелые и дешевые свинцово-кислотные аккумуляторы или более безопасные литий-железо-фосфатные аккумуляторы .
В электромобилях с увеличенным запасом хода , подобных запланированным [ когда? ] от Land-Rover/Range-Rover в сочетании с Bladon или от Jaguar также в партнерстве с Bladon, очень плохая реакция дроссельной заслонки (их высокий момент инерции вращения) не имеет значения, [ нужна ссылка ] потому что газовая турбина, которая может вращаться со скоростью 100 000 об/мин, не связана напрямую, механически с колесами. Именно эта плохая реакция дроссельной заслонки так сбила с толку прототип автомобиля Rover с газотурбинным двигателем 1950 года, который не имел преимущества промежуточной электротрансмиссии, обеспечивающей внезапные скачки мощности по требованию водителя. [ нужны дальнейшие объяснения ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Пуян Асгарян, Реза Норузян (2017). «Энергосистемы микротурбинного поколения» . Проектирование, эксплуатация и интеграция систем распределенной генерации . Эльзевир . стр. 149–219. дои : 10.1016/B978-0-12-804208-3.00004-2 . ISBN 9780128042083 .
- ^ Перейти обратно: а б с Барни Л. Кейпхарт (22 декабря 2016 г.). «Микротурбины» . Руководство по проектированию всего здания . Национальный институт строительных наук .
- ^ Перейти обратно: а б Стивен Джилетт (1 ноября 2010 г.). «Развитие микротурбинных технологий» . журнал СИЛА . Аксесс Интеллект, ООО.
- ^ Перейти обратно: а б Ян Пирс (2008). «Ультрамикрогазотурбинный генератор» . Кафедра машиностроения . КУ Левен . Архивировано из оригинала 20 декабря 2005 г. Проверено 24 апреля 2018 г.
- ^ Асгарян, Пуян; Норузян, Реза (10 мая 2016 г.). «Моделирование и моделирование системы микротурбинной генерации для одновременного подключения к сети / изолированной работы». 2016 24-я Иранская конференция по электротехнике (ICEE) . стр. 1528–1533. doi : 10.1109/IranianCEE.2016.7585764 . ISBN 978-1-4673-8789-7 . S2CID 44199656 .
- ^ «Первопроходцы» . Ирландская ассоциация комбинированного производства тепла и электроэнергии. Архивировано из оригинала 26 июня 2011 г.
- ^ Рёсуке Сибата; и др. (2–7 ноября 2003 г.). Разработка высокоэффективной микрогазовой турбины класса 300 кВт «RGT3R» . Международный конгресс по газовым турбинам в Токио. Ниигата Энергетические Системы.
- ^ «С200С» . Capstone Turbine Corporation. Архивировано из оригинала 4 июля 2017 г. Проверено 22 апреля 2020 г.
- ^ И. Такехара; и др. (19 июня 2002 г.). «Краткое содержание программы исследований и разработок керамических газовых турбин CGT302». Журнал техники газовых турбин и энергетики . 124 (3): 627–635. дои : 10.1115/1.1451704 .
- ^ «Микротурбины Кавасаки» . Прогноз Интернешнл. Июнь 2004 года.
- ^ Capstone Turbine Corporation (14 октября 2015 г.). «Итоговый технический отчет» . Высокоэффективная микротурбина мощностью 370 кВт . дои : 10.2172/1224801 . ОСТИ 1224801 .
- ^ Матти Малкамяки; и др. (март 2015 г.). «КОНЦЕПЦИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ МИКРОТУРБИНЫ» . 11-я Европейская конференция по гидродинамике и термодинамике турбомашин .
- ^ Картер Палмер (7 августа 2018 г.). «Микротурбины: возвращение к нормальной жизни?» . Прогноз Интернешнл. Архивировано из оригинала 7 августа 2018 года . Проверено 7 августа 2018 г.
- ^ Генут, Иддо (7 февраля 2007 г.). «Двигатель на чипе» . Будущее вещей . Проверено 21 июня 2016 г.
- ^ Грэм Уорвик (23 апреля 2018 г.). «Неделя технологий, 23-27 апреля 2018 г.» . Неделя авиации и космических технологий .
- ^ «Решения: турбовинтовой двигатель и турбогенератор» . Турботех.
- ^ «Турбовинтовой двигатель ТП100» . PBS Велка Битеш.
- ^ Грэм Уорвик (6 мая 2019 г.). «Неделя технологий, 6-10 мая 2019 г.» . Неделя авиации и космических технологий .
- ^ Гаррет Рейм (10 декабря 2019 г.). «UAV Turbines представляет гибридно-электрическую «микротурбину» для дронов» . FlightGlobal .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Изменяемая геометрия миниатюрной газовой турбины для повышения производительности и снижения воздействия на окружающую среду
- Тенденции развития микротурбореактивных двигателей в диапазоне тяги до 1000 Н
- Массовая модель микрогазотурбинного однокатушечного турбореактивного двигателя.
- Обзор исследования характеристик микрогазотурбинных двигателей
- [1]