Микротурбина - Microturbine

Для турбин в электричестве см. Ветряная турбина. Для турбин в целом см. Турбина.

Микротурбины от 25 до 500 киловатт газовые турбины произошел от поршневого двигателя турбокомпрессоры, самолет вспомогательные силовые установки (APU) или малый реактивные двигатели, размер холодильник.[1]Ранние турбины 30-70 кВт выросли до 200-250 кВт.[2]

Дизайн

Разрез восстановленной микротурбины

Они составляют компрессор, камера сгорания, турбина и электрический генератор на одном или двух валах. рекуператор улавливание отработанного тепла для повышения эффективности компрессора, интеркулер и разогреть.Они вращаются с более чем 40000 Об / мин и обычная микротурбина с одним валом обычно вращается со скоростью от 90 000 до 120 000 об / мин.[1]У них часто бывает одноступенчатая радиальный компрессор и один этап радиальная турбина. Рекуператоры сложно спроектировать и изготовить, потому что они работают при высоких перепадах давления и температуры.

Достижения в области электроники позволяют работать без участия оператора, а технология электронного переключения мощности устраняет необходимость в синхронизации генератора с электросетью, что позволяет интегрировать его с валом турбины и использовать его в качестве стартера. Газовые турбины принимают большинство видов коммерческого топлива, например в качестве бензин, натуральный газ, пропан, дизельное топливо, и керосин а также возобновляемые виды топлива Такие как E85, биодизель и биогаз.При запуске на керосине или дизельном топливе может потребоваться более летучий продукт, например газ пропан. микро-горение.

В полноразмерных газовых турбинах часто используются шарикоподшипники. Температура 1000 ° C и высокие скорости микротурбин делают нецелесообразной смазку маслом и шарикоподшипники; они требуют воздушные подшипники или возможно магнитные подшипники.[3]Они могут быть разработаны с подшипники из фольги и воздушное охлаждение, работающее без смазочного масла, охлаждающие жидкости или другие опасные материалы.[4]

Чтобы максимизировать частичную нагрузку эффективность, несколько турбин можно запускать или останавливать по мере необходимости в интегрированном система.[2]Поршневые двигатели могут быстро реагировать на изменения потребляемой мощности, в то время как микротурбины теряют большую эффективность при низких уровнях мощности. удельная мощность чем поршневые двигатели, низкий уровень выбросов и небольшое количество или всего одна движущаяся часть. поршневые двигатели могут быть более эффективными, дешевле в целом и обычно использовать простые опорные подшипники смазанный моторное масло.

Микротурбины могут использоваться для когенерация и распределенная генерация как турбогенераторы или турбогенераторы, или для питания гибридные электромобили. Большая часть отработанного тепла содержится в выхлопе с относительно высокой температурой, что упрощает его улавливание, в то время как отработанное тепло поршневых двигателей распределяется между его выхлопной системой и системой охлаждения.[5]Вытяжное тепло можно использовать для нагрева воды, отопления помещений, процессов сушки или абсорбционные чиллеры, которые создают холод для кондиционирования воздуха за счет тепловой энергии вместо электроэнергии.

Эффективность

Микротурбины имеют КПД около 15% без рекуператора, от 20 до 30% с одним, и они могут достигать комбинированного теплоэлектрического КПД 85% в когенерации.[1]Восстановленный Niigata Power Systems Тепловой КПД RGT3R мощностью 300 кВт достигает 32,5%, тогда как RGT3C мощностью 360 кВт без рекуперации составляет 16,3%.[6]Турбина Capstone утверждает 33% LHV Электрический КПД для его 200 кВт C200S.[7]

В 1988 г. НЕДО начал Керамика Газотурбинный проект в Японии Новый солнечный проект: в 1999 г. рекуперативная двухвальная 311,6 кВт Kawasaki Heavy Industries CGT302 достиг эффективности 42,1% и температуры 1350 ° C. турбина вход температура.[8][9]В октябре 2010 года Capstone был награжден Министерство энергетики США конструкция двухступенчатой ​​микротурбины с промежуточным охлаждением, основанная на ее нынешних двигателях мощностью 200 кВт и 65 кВт, для турбины мощностью 370 кВт с электрическим КПД 42%.[10]Исследователи из Технологический университет Лаппеенранты спроектировал двухвальную микротурбину с промежуточным охлаждением и рекуперацией мощностью 500 кВт с КПД 45%.[11]

Рынок

Forecast International прогнозирует 51,4% доли рынка для Турбина Capstone по единице производства с 2008 по 2032 год, за которым следует Bladon Jets с 19,4%, МТТ с 13,6%, FlexEnergy с 10,9% и Ansaldo Energia с 4,5%.[12]

Ультра микро

Массачусетский технологический институт начал проект газотурбинного двигателя миллиметрового размера в середине 1990-х, когда профессор аэронавтики и астронавтики Алан Х. Эпштейн рассмотрели возможность создания индивидуальной турбины, которая сможет удовлетворить все потребности современного человека в электричестве, точно так же, как большая турбина может удовлетворить потребности небольшого города в электроэнергии. В этих новых микротурбинах возникли проблемы с отводом тепла и высокоскоростными подшипниками. Более того, их ожидаемая эффективность составляет всего 5-6%. По словам профессора Эпштейна, современные литий-ионные аккумуляторные батареи производят около 120–150 Вт · ч / кг. Турбина MIT миллиметрового размера в ближайшем будущем будет обеспечивать мощность 500-700 Вт · ч / кг, а в более долгосрочной перспективе - до 1200-1500 Вт · ч / кг.[13]

Аналогичная микротурбина построена бельгийцами. Katholieke Universiteit Leuven имеет диаметр ротора 20 мм и, как ожидается, будет производить около 1000 Вт.[3]

Самолет

Safran поддерживает французский стартап Turbotech, разрабатывающий турбовинтовой двигатель мощностью 73 кВт (98 л.с.) с рекуператором для повышения КПД с 10 до 30% за удельный расход топлива на тормоз похож на поршневой двигатель, но на 30 кг легче при 55 кг (120 фунтов) и без сопротивления охлаждения. операционные затраты должно снизиться на 30% за счет большего разнообразия видов топлива и меньшего объема обслуживания с удвоенной TBO при 4000 ч. сверхлегкий двухместные и беспилотный самолет, он будет немного дороже, чем конкурирующий Rotax 912 но он должен быть конкурентоспособным на протяжении всего жизненного цикла. СВВП двухместный турбогенератор мощностью 55 кВт будет весить 85 кг с топливом на 2,5 часа автономной работы вместо 1 тонны батарей. Демонстрационный образец работал в 2016-17 гг., а наземные испытания должны начаться во второй половине 2018 г. летные испытания во второй половине 2019 года и первая поставка в первой половине 2020 года. Линия окончательной сборки создана в г. Аэропорт Тусю-ле-Нобль возле Париж, для годовой выработки 1000 двигателей к 2025 году.[14]Эффективность 30% эквивалентна расходу топлива 281 г / кВт / ч при 42,7 МДж / кг топлива.

Чешская компания PBS Velká Bíteš предлагает свой TP100 мощностью 180 кВт (241 л.с.) турбовинтовой весом 61,6 кг (135,8 фунта) для сверхлегких и БПЛА, потребляя 515 г / кВт / ч (0,847 фунта / л.с. / ч).[15]Это эквивалентно 16,4% эффективности при расходе топлива 42,7 МДж / кг.

В Майами БПЛА Турбины разрабатывает свой турбовинтовой двигатель Monarch RP (ранее UTP50R) мощностью 40 л.с. (30 кВт) для самолета полной массой около 1320 фунтов (600 кг), который будет испытан на Тигровая акула БПЛА.[16]10 декабря 2019 года компания представила свой гибридный расширитель диапазона Monarch мощностью 33 л.с. (25 кВт). гибридно-электрический демонстратор на базе турбины Monarch 5, представленной в сентябре, весом 27 кг (60 фунтов) для двигателя и 54 кг (119 фунтов) для всей системы.[17]

Гибридные автомобили

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 движение генератор переменного тока для выработки электроэнергии либо для колесных двигателей, либо для аккумуляторов, в зависимости от скорости и состояние батареи. Батареи действуют как «буфер» (накопитель энергии) при доставке необходимого количества энергии к колесным двигателям, делая отклик дроссельной заслонки газовой турбины несущественным.

Кроме того, нет необходимости в крупной 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 отношение мощности к весу газовой турбины и ее коробки передач с фиксированной скоростью позволяет использовать тягач гораздо легче, чем Toyota Prius (1,8-литровый бензиновый двигатель) или Chevrolet Volt (1,4-литровый бензиновый двигатель). Это, в свою очередь, позволяет переносить более тяжелые батареи, что позволяет увеличить запас хода только для электричества. В качестве альтернативы в автомобиле можно использовать более тяжелые, дешевые свинцово-кислотные батареи или более безопасные литий-железо-фосфатный аккумулятор.

В электромобили с увеличенным запасом хода, как и запланированные[когда? ] от Land-Rover / Range-Rover в сочетании с Bladon или Jaguar также в партнерстве с Bladon, очень плохой отклик на дросселирование (их высокий момент инерции вращения) не имеет значения,[нужна цитата ] потому что газовая турбина, которая может вращаться со скоростью 100 000 об / мин, не связана напрямую, механически с колесами. Именно этот плохой отклик на дросселирование так сбил с толку прототип автомобиля с газотурбинным двигателем Rover 1950 года, который не имел преимущества промежуточной электроприводной передачи, обеспечивающей внезапные скачки мощности по требованию водителя.[требуется дальнейшее объяснение ]

Рекомендации

  1. ^ а б c Барни Л. Кейпхарт (22 декабря, 2016). «Микротурбины». Руководство по проектированию всего здания. Национальный институт строительных наук.
  2. ^ а б Стивен Джиллетт (1 ноября 2010 г.). «Технология микротурбин созревает». Журнал POWER. Access Intelligence, LLC.
  3. ^ а б Ян Пирс (2008). «Ультрамикрогазотурбинный генератор». Кафедра машиностроения. KU Leuven.
  4. ^ Асгарян, Пуян; Норузян, Реза (2016-05-10). «Моделирование и симуляция системы генерации микротурбин для одновременной работы с подключением к сети / изолированной работой». Иранская конференция по электротехнике: 1528–1533. Дои:10.1109 / ИранскийCEE.2016.7585764. ISBN  978-1-4673-8789-7. S2CID  44199656.
  5. ^ "Первичные двигатели". Ирландская ассоциация по комбинированному производству тепла и электроэнергии. Архивировано из оригинал на 26.06.2011.
  6. ^ Рёсукэ Шибата; и другие. (2–7 ноября 2003 г.). Разработка высокоэффективной газовой микрогазовой турбины класса 300 кВт "RGT3R". Международный конгресс газовых турбин Токио. Энергетические системы Ниигата.
  7. ^ «C200S». Capstone Turbine Corporation.
  8. ^ И. Такехара; и другие. (19 июня 2002 г.). «Краткое изложение программы исследований и разработок керамической газовой турбины CGT302». Журнал инженерии газовых турбин и энергетики. 124 (3): 627–635. Дои:10.1115/1.1451704.
  9. ^ "Кавасаки микротурбины". Прогноз Интернэшнл. Июнь 2004 г.
  10. ^ Capstone Turbine Corporation (14 октября 2015 г.). «Окончательный технический отчет». Высокоэффективная микротурбина 370 кВт. Дои:10.2172/1224801. OSTI  1224801.
  11. ^ Матти Малкамяки; и другие. (Март 2015 г.). «КОНЦЕПЦИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ МИКРОТУРБИНЫ». 11-я Европейская конференция по гидродинамике и термодинамике турбомашин.
  12. ^ Картер Палмер (7 августа 2018 г.). "Микротурбины: возвращение к нормальному состоянию?". Прогноз Интернэшнл.
  13. ^ Генут, Иддо (07.02.2007). «Двигатель на микросхеме». Будущее вещей. Получено 2016-06-21.
  14. ^ Грэм Уорвик (23 апреля 2018 г.). «Неделя технологий, 23-27 апреля 2018 г.». Авиационная неделя и космические технологии.
  15. ^ «Турбовинтовой двигатель ТП100». PBS Velká Bíteš.
  16. ^ Грэм Уорвик (6 мая 2019 г.). «Неделя технологий, 6-10 мая 2019 г.». Авиационная неделя и космические технологии.
  17. ^ Гаррет Рейм (10 декабря 2019 г.). «UAV Turbines представляет гибридно-электрическую микротурбину для дронов». FlightGlobal.