«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 ( 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 ( 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 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 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 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 установок Тип двигателя и генератора Удельн. мощн., кВт/кг Габарит. мощн., кВт/м 3 Частота вращ., мин -1 Электрич. КПД Моторес., час Ориентир. цена $/кВт с принуд. восплам.; пер. тока, 3-фазный, синхронный 0,06-0, до ,26-0,29не более Массовое пр-во дизель; пер. тока, 3-фазный, синхронный 0,04-0, ,3-0, массовое пр-во МТГ; пер. тока, 3-фазный, синхрон., на постоянных магнитах 0,3-0,460-70до и более 0,27-0, ед.пр-во; массовое пр-во

Технические характеристики современных МТГ МикротурбинаМТГ-100Capstone С65 Номинальная мощность, кВт Тепловая мощность, кВт КПД электрический, % КПД полный, %> 7580 Напряжение, В3 ф., 4003 ф., Частота, Гц50 Скорость вращения ротора, об./мин Ресурс работы, час Количество запусков5000 Вид топливаПриродный 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 автомобиль полная 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 DesignLineСерийное 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.