«ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МИКРОГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ-

ГЕНЕРАТОРОВ В ГИБРИДНЫХ МОТОРНО-ТРАНСМИССИОННЫХ УСТАНОВКАХ»

Б. Арав, М. Бен Хаим (Hybrid Energy Sources Center,Ariel University, Israel); С. Беседин, М.Яичников (НТЦ

«Микротурбинные технологии», г. Санкт- Петербург), В. Бондарь, А. Келлер (НИИ АТТ, ЮУрГу, г. Челябинск)

• НТЦ «Микротурбинные технологии», г. Санкт- Петербург создан в 2007г.

Направления работ: Разработка и изготовление микротурбинных генераторов (МТГ) и микротурбинных машин для стационарной и мобильной техники.

• Hybrid Energy Sources Center (Ariel University) создан в 1996 г. Один из ведущих научных центров по проблеме гибридных энергетических установок в Израиле.

Направления работ: Разработка, исследование и внедрение гибридных энергетических установок для стационарной и мобильной техники.

• НИИ автотракторной техники (НИИ АТТ) г. Челябинск создан в 1961 г. Направления работ: участие в разработке, модернизации и постановке на производство новых колесно-гусеничных машин.

Цель работы

• Оценить целесообразность и перспективность применения микротурбинных генераторов (МТГ) в гибридных энергетических установках автомобилей

Основные требования к автомобилям с гибридными ЭУ (2008-2011 г.г.)

• Повышение экономичности (ориентиры до 3-3,5 л на 100 км).• Целесообразность использования альтернативных энергоносителей.• Стоимость владения должна обеспечивать конкурентоспособность

гибрида. • Стоимость владения - стоимость 1 км пробега. Это цена приобретения

за вычетом цены последующей продажи (через 3-5 лет), эксплуатационные расходы и обязательные платежи, отнесенные к пробегу за срок службы.

• Токсичность отработавших газов должна соответствовать нормам.

Концепция гибридных энергетических установок автомобилей на современном

этапе (2011-2015 г.г.)• Полное использование метода разделения производства и

потребления энергии.• Основным источником энергии является накопитель.• Обязательна ежедневная зарядка накопителя от внешнего источника.• Тепловой двигатель становится вспомогательным источником

энергии и обеспечивает подзарядку накопителя до требуемого уровня.

• Накопители должны обеспечивать без подзарядки пробег порядка 25-60 км.

• Обязательна рекуперация энергии.

Основное средство реализации: простая последовательная схема «подключаемый гибрид» (plug-in hybrid electric vehicle - PHEV).

Схема PHEV с мотор-колесами

Схема гибрида на основе МТГ

Сценарий изменения структуры производства автомобилей с различными типами энергетических установок

1-ЭУ с двигателем принудительного воспламенения; 2-ЭУ с дизелями; 3-гибриды с двигателем принудительного воспламенения; 4-гибриды с дизелями; 5- гибриды PHEV с двигателями принудительного воспламенения; 6- гибриды PHEV, с дизелями; 7-электромобили; 8-МТУ с топливными элементами.

Устройство микротурбинного генератора МТГ-100 (электрическая мощность 100 кВт)

Тепловая схема микротурбинного генератора МТГ-100

Возможности и перспективы повышения экономических показателей МТГ совершенствованием рабочего цикла

Зависимость КПД от степеней повышения давления и регенерации

Зависимость КПД от температуры газа на входе в турбину

Средство повышения допустимой температуры газа на входе в турбину - применение металлокерамических материалов и покрытий

Конструктивные решения микротурбинного генератора МТГ-100

• Одногорелочная, двухтопливная камера сгорания.• Два вида топлива: газ или дизельное.

• Лепестковые газодинамические опоры.• Высокооборотный (до 100 000 об/мин.)

синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов.

Основные преимущества МТГ, обеспечивающие требуемые эксплуатационные свойства и конкурентоспособность автомобилей с гибридными

энергетическими установками

• Приемлемая экономичность.

• Многотопливность.

• Моторесурс до 70000 часов, межсервисный интервал до 8000 часов.

• Высокие удельные показатели, простота и модульность конструкции, агрегатируемость, отсутствие систем смазки и охлаждения.

• Экологическая безопасность (меньшая токсичность отработавших газов по сравнению с ДВС в 8-10 раз ; низкий уровень шума и вибрации).

• Низкие эксплуатационные затраты, обеспечение конкурентоспособной стоимости владения автомобилем.

Сравнение характеристик гибридных энергетических установокТип двигателя и генератора

Удельн.мощн., кВт/кг

Габарит. мощн.,кВт/м3

Частотавращ.,мин-1

Электрич.КПД

Моторес.,час

Ориентир.цена$/кВт

с принуд. восплам.; пер. тока,3-фазный,

синхронный

0,06-0,08 20-22 до 4000-6000

0,26-0,29 не более 5000

100-120Массовое

пр-во

дизель; пер. тока, 3-фазный,

синхронный

0,04-0,06 12-14 1500-4500

0,3-0,34 30000-40000

150-200массовое

пр-во

МТГ; пер. тока, 3-фазный, синхрон.,

на постоянныхмагнитах

0,3-0,4 60-70 до 110000 и более

0,27-0,29 40000-70000

1200-1500ед.пр-во;180- 200

массовоепр-во

Технические характеристики современных МТГ

Микротурбина МТГ-100 Capstone С65

Номинальная мощность, кВт

100 65

Тепловая мощность, кВт 172 107

КПД электрический, % 30 30

КПД полный, % > 75 80

Напряжение, В 3 ф., 400 3 ф., 360-528

Частота, Гц 50 50

Скорость вращения ротора, об./мин.

60000 96000

Ресурс работы, час. 80000 60000

Количество запусков 5000 5000

Вид топлива Природный газ, водород, диз. топливо, керосин, бензин

Природный газ, диз. топливо.

Примеры МТУ на микротурбинных генераторах

Грузовой автомобиль полная масса 8-15 т

(Capstone C65)

Грузовой автомобильполная масса 4-8 т

(Capstone C30)

Kenworth

Greenkraft

Концепт на базе Ford S-Max “Whisper Eco-Logic”

(Capstone C30)

Langford Perfomance Engineering

Примеры МТУ на микротурбинных генераторах

DesignLine Серийное производство пассажирских автобусов(Capstone C65)

Рейсовый автобус. 4 шт. работают на маршрутах г.Краснодара. (Capstone C65)

ЭКОбус

Jaguar Land Rover

Концепт (2 МТГ Bladon Jets – SR Drives по 70 кВт каждый)

Заключение• Появление новых интеллектуальных модулей на базе IGBT-транзисторов дало

толчок с созданию высокоэффективных преобразователей.• Развитие микропроцессорной техники дает возможность создавать гибкие

алгоритмы управления МТГ.• Появление новых жаропрочных материалов, покрытий позволило уменьшить

массогабаритные показатели турбин, увеличить их КПД.• Новые лепестковые подшипники и антифрикционные покрытия увеличили

ресурс турбины, за счет исключения из конструкции трущихся деталей.• Удешевление редкоземельных магнитов с большой коэрцитивной силой,

усовершенствование технологии их производства, появление высокопрочных оболочек из композитных материалов, титана и легированных сталей позволило создавать высокоскоростные, эффективные генераторы на постоянных магнитах.

• Все эти достижения последних лет позволяют рассматривать МТГ как высокотехнологичную машину нового поколения с возможностями для дальнейшего усовершенствования и широчайшими областями применения.