燃气轮机!中国电动超跑配备坦克心脏

作者:缅甸小勐拉 | 分类:www.6668088.com资讯 | 浏览:30 | 评论:0

  随着2016年日内瓦车展的召开,一款中国品牌(Techrules 泰克鲁斯)电动超跑概念车的发布震惊了国外媒体。因为这款超跑的参数达到了1030马力(768 千瓦)。这个动力参数已经超过了以动力凶残著称的布加迪威龙所用的 16 缸发动机。这款电动超跑单次加油的续航里程可达 2000 公里,可以从上海开到深圳。

  该续航里程不仅超过了目前的电动汽车,并且可以说挑战了所有乘用汽车的极限。这款车的特别之处就在于它使用了基于汽轮机的增程式混合动力技术(Turbine-Recharging Electric Vehicle,以下简称 TREV)。而汽轮机正是目前美国主战坦克所使用的发动机技术。今天我们就来详细分析一下什么是汽轮机,乘用汽车所用的汽轮机和坦克用的到底有什么异同点,汽轮机在现代乘用车包括这款中国电动超跑上的应用情况和新趋势是什么。

  下图为布加迪威龙所配备的 W 型排布 16 缸汽油发动机,该发动机配备了 4 个涡轮增压器。这也是车辆尾标中 16.4 的含义。相应动力参数为 1000 马力,可以将布加迪威龙的极速提升到 407km/h。布加迪威龙目前仍是量产跑车最高极速记录的保持者。同在 2016 年日内瓦车展发布的布加迪 Chiron 动力参数进一步提升到了 1500 马力,相应的最高时速到达了 420 公里。

  那么为什么配备汽轮机技术的电动车超跑动力参数和续航里程可以做到如此之高。它又是什么样的一种黑科技呢?

  汽轮机从定义来说是一种撷取高温气体的动能转换为涡轮(叶片)转动动能的机械。汽轮机按照大类来分可以分为蒸汽汽轮机、航空喷气发动机、燃气轮机三大类。常见的主要用途则为发电或者直接传动。

  离大家日常生活最近,却又是最难目睹的汽轮机技术就是蒸汽汽轮机。因为每天我们使用的电力主要都来自火力发电厂中蒸汽汽轮机发电机组。蒸汽汽轮机顾名思义就是将高温蒸汽中的动能转化为涡轮的动能再转化为电力的机组。而高温蒸汽就来自火力发电厂中以煤为主要燃料的高压锅炉塔。蒸汽汽轮机由于转速较低(工频 50Hz 对应 3000 转/分转速),又要从高温蒸汽中充分获取动能,因此其涡轮叶片的尺寸都非常巨大。如下图一为来自通用电气 GE 的蒸汽汽轮机机组。下图二为对应蒸汽汽轮机中涡轮叶片。可见蒸汽汽轮机机组的体积已经达到了一个大平层厂房的级别。这样的体积肯定塞不到一辆车里。但是它对应的功率级别却相当巨大。这样的单台蒸汽汽轮机机组可以达到 500 兆瓦的发电量,一个多台蒸汽汽轮机机组组成的火力发电厂就可以供应一个小型城市或者一个中型炼钢厂的用电需求。

  说到飞机用的喷气发动机总算是和我们的出行息息相关,出去出个差旅个游总是能看到的。但你知道它实际上也是汽轮机的一个主要分支吗?航空喷气发动机主要将燃烧的高温可燃气体高速喷射出去,推动相应的涡轮,来实现将高温燃气的动能转化为涡轮的动能,最终产生足够的推力推进飞机飞行。当然其中的部分动能也被用来发电,为飞机上的用电设施供电。这也是为什么部分航空公司航班延误让大家在飞机上干等又不肯开空调的原因。因为空调的电力就来自喷气发动机,这是实实在在需要消耗航空燃油的。

  如下图一为目前主流喷气发动机类型涡扇 Turbo Fan 发动机的工作原理。外部温度较低的空气流入喷气发动机的低压压缩机 Low-pressure compressor 和高压压缩机 High-pressure compressor 两级涡轮叶片组对空气进行压缩,然后送入燃烧室 Combustion chamber。在燃烧室中燃料被喷射并点燃形成高温高压燃气,相应的燃气以非常高的速度喷射推动后级的高压涡轮 High-pressure turbine 和低压涡轮 Low-Pressure turbine,并最终从喷嘴 Nozzle 喷出。在此过程中高温高压燃气的动能被转化为了涡轮动能,通过对应高压转轴 High-pressure shaft 和低压转轴 Low-pressure shaft 传递给了前级主推力风扇 Fan,从而和喷射尾流一起形成强大的推力。下图二为对应的高压压缩机 High-pressure compressor 和内部涡轮盘 Disk 及叶片 Blades 的 3D 示意图。

  下图一为装配在测试支架上的来自通用电气 GE 的 GE90 航空涡扇喷气发动机。下图二为检修人员正在 GE90 喷气发动机旁进行检修。由于航空喷气发动机的主要指标是推力,因此一般性能指标就是对应的输出推力值。目前 GE90 喷气发动机仍然保持着最大推力的世界纪录。推力高达 547 千牛。波音 777 机型就配备了该喷气发动机。2 台 GE90 喷气发动机就可以满足波音 777 这种 400 座级飞机的推力需求。并且保证当其中的任何一台发动机受损停机的时候,另一台发动机的推力能够使得飞机在足够的航程内备降备用机场。对应惊人的推力,这样的航空发动机的体积也是巨大的,相当于一栋小别墅的大小。看来装进汽车也是无望的。

  前面提到航空喷气发动机主要将高温高压燃气的动能传递给前级主推力风扇转化为推力,推动飞机飞行。而某些应用场合比如舰船或者重型车辆,则仍然希望动力通过传动轴输出到船桨或者车轮上。因此燃气轮机就应用而生了。如下图所示,燃气轮机的基本结构和航空喷气发动机保持相同,但是取消了前级主推力风扇。从左到右依次分为低温段 Cold Section 和高温段 Hot Section 两大部分。空气通过进气口 Air Inlet 进入并压缩后被送入燃烧室 Combustion Chambers。在燃烧室中空气和燃料混合后燃烧产生高温高压燃气。高温高压燃气将动能传递给并推动涡轮 Turbine 旋转然后通过排气口排出燃气轮机。整个做功过程巧合地和目前常用的车用活塞发动机相同,包括进气 INTAKE,压缩 COMPRESSION,燃烧 COMBUSTION,排气 EXHAUST 四个阶段。只不过这四个做功阶段同时存在于燃气轮机的不同区域。而不像车用活塞发动机中这四个阶段是分时存在的。

  提到舰船用燃气轮机,不得不提一下来自通用电气 GE 的 LM2500 系列燃气轮机。它可以说当之无愧的是舰船燃气轮机中耀眼的明星。从上世纪 70 年代投入使用以来,LM2500 一直保持着极高的市场占有率,应用在绝大部分的大型水面舰船上。由航空喷气发动机改进而来的 LM2500 燃气轮机,单台输出功率超过了 3 万马力(也就是 22 兆瓦)。如下图一所示 172 昆明驱逐舰就配备了 LM2500 燃气轮机。如下图二为舰船内部的 LM2500 燃气轮机。目前 LM2500 燃气轮机的国产化率已经达到了一个很高的水平,并且我们自己的大功率燃气轮机也逐渐投入了使用。从体积上来看,舰船用燃气轮机虽然直径不大,但是长度类似一个车库,也不太适用于车辆。

  如标题所说,美国主战坦克 M1A2 所用的心脏就是燃气轮机。因此终于我们能看到塞进车辆里的燃气轮机长什么样子了。如下图一为美国 M1 爱勃拉姆斯 Abrams 主战坦克,下图二为维修人员正在对 M1 坦克尾部的燃气轮机进行吊装操作。

  M1 坦克配备的是来自美国霍尼韦尔 Honeywell 公司的 AGT1500 燃气轮机。这台燃气轮机可以输出 1500 马力(也就是 1120 千瓦)的动力。有了如此强大的动力,M1 坦克虽然重量超过了 60 吨,但是仍然能够在公路上达到 72 公里的时速。感兴趣的朋友可以找来纪录片《超级工厂 M1 坦克》(Ultimate Factories M1 Tank)具体研究一下。如下图一,为片中首席燃气轮机支持主管 RODNEY BRODEUR 站在 AGT1500 燃气轮机的模型前面介绍其工作原理。下图二为 AGT1500 燃气轮机工作原理示意图,与前面介绍的舰船用燃气轮机类似,AGT1500 分成低温段和高温段两大部分。燃烧室中空气和燃料混合后燃烧产生高温高压燃气推动涡轮旋转输出动力(图片来自国家地理纪录片《超级工厂 M1 坦克》)。

  相应的缺点也很鲜明:造价高(为同等性能柴油发动机的两倍)、燃油消耗高、寿命短

  前面提到美国坦克心脏所用的燃气轮机技术。它的体积终于得到了大幅减小,但是仍然只有军用装甲车或者重型卡车这样的大型车辆才能装载。那么燃气轮机技术是怎么应用到中国电动超跑上的呢?下面就让我们来看一下燃气轮机在现代乘用车上的应用趋势——微型汽轮机

  从名字可以简单理解,微型气轮机就是将前面提到的重型车辆用的燃气轮机体积进一步减小,然后塞进一辆乘用车里。下面我们就来列举一下几个较为出众的微型燃气轮机应用实例。

  提到杰雷诺,如果大家关心美国电视节目的话,就会知道他是知名的节目主持人。主持制作了「今晚秀」Tonight Show 等多档热门节目。但是你知道他更是玩车收藏界的一位神人吗?通用汽车与杰雷诺联合开发的这款 EcoJet 燃气轮机超跑概念车就是个鲜明的例子。这辆车从未量产,而只是曾经在 2006 年度 SEMA 美国改装车展做过展示,然后就成为了杰雷诺的私人收藏。下图一为在 SEMA 改装车展展出的 EcoJet 燃气轮机超跑概念车。站在概念车前的就是杰雷诺。下图二为参与「今晚秀」节目的美国总统奥巴马与杰雷诺的相关照片。

  杰雷诺作为玩车收藏界的神人除了这辆 EcoJet 概念车,还体现在他拥有的 1600 平方米车库和超过 300 辆的汽车收藏。其中不乏各类古董车和超跑。杰雷诺除了工作外,他的时间都留给了家庭和汽车。杰雷诺的一句名言就是他曾在英国 BBC 电视台 TopGear 节目中说过的「我只有一个女人,就是我老婆,试问她更喜欢我每天回家的时候,身上全是机油味道呢还是全是廉价香水的味道呢?」。看来杰雷诺不但是爱车人,还是居家好男人啊。如下图为居于杰雷诺巨大车库一角的 EcoJet 燃气轮机超跑概念车。

  这款概念车充分吸取上世纪 50 年代通用汽车和克莱斯勒公司的燃气轮机概念车的经验和教训。加入了 2006 年较为现代的燃气轮机控制技术。该车基于通用汽车科尔维特品牌的 Z06 跑车底盘开发,装配了由直升机用燃气轮机改型而来的霍尼韦尔 LT101 燃气轮机。该燃气轮机的输出功率达到了 650 马力(也就是 485 千瓦)。直接作为动力源将如此的马力输出至车轮,其加速性能是绝佳的。但是油耗也是出奇的高。因此 EcoJet 也被成为陆地喷射机。该燃气轮机使用生物柴油作为燃料。下图一为装配于概念车中后部的燃气轮机。下图二为与 LT101 同属相同系列的霍尼韦尔 LTS101 燃气轮机。

  如上述分析,EcoJet 所用的燃气轮机技术与 M1 坦克类似,都是由燃气轮机直接提供动力驱动车轮。只是相应地,EcoJet 进一步减小了燃气轮机的体积达到微型汽轮机的级别,并塞进跑车内部而已。那么要做到 2000 公里的续航里程,高油耗可不行。因此一种全新的概念——基于汽轮机的增程式混合动力技术(Turbine-Recharging Electric Vehicle,简称 TREV)就被提了出来。即让燃气轮机工作在发电模式,不直接输出动力给车轮。下面我们就来通过几个实例具体看看其技术细节。

  于 2009 年美国洛杉矶车展发布的 Capstone CMT-380 超跑概念车就应用了前面提到的 TREV 技术。你一定对 Capstone 这个汽车品牌不太熟悉,因为它其实是一家来自美国加州的燃气轮机公司(NASDAQ:CPST)。CMT-380 的车身结构来自美国 Factory Five Racing GTM 跑车。内部动力部分换成了 Capstone 的燃气轮机。开发这款 CMT-380 概念车主要为了拓展自家燃气轮机的应用范围。下图一为 Capstone CMT-380 超跑概念车,下图二为 CMT-380 内部构造,包括微型燃气轮机、电池组、电机等等组件。

  Capstone 燃气轮机公司的产品包括从 30 千瓦到 3 兆瓦不同级别的多种燃气轮机产品,主要提供用于工业或商用供电应用。而 CMT-380 配备的就是一款 30 千瓦的燃气轮机。百公里加速时间为 3.9 秒。其纯电行驶里程为 120 公里(80 英里),由燃气轮机充电增程以后总续航里程为 800 公里(500 英里)。那为什么燃气轮机一下子从前面提到的油老虎变身成了省油利器呢?因为燃气轮机如果能够稳定工作在高负荷区,它的工作效率是非常高的。但是如果一直变化不同负荷工况的话,它的油耗就不甚理想。所以将其与混合动力结合,保证了充电工况下其工作在高负荷区,降低了整体油耗。

  2010 年终于有传统整车厂加入了 TREV 的阵营,那就是捷豹带来的 C-X75 燃气轮机电动超跑概念车(如下图)。

  如下图一所示,C-X75 的动力来自两台 70 千瓦的燃气轮机 TURBINES 用于发电增程和 4 台 145 千瓦的动力电机(每个车轮对应一个动力电机,4 个电机合计出力为 580 千瓦)用于驱动。如此强大的动力电机使得 C-X75 百公里加速时间为 3.4 秒。锂电池组 Battery Pack 被放置于车轮前端。可以接受插电式从电网充电的方式(PLUG& GO)用 6 小时将锂电池充满。在满电的情况下,可以支持纯电行驶 110 公里。当使用两台燃气轮机增程以后,总续航里程可以达到 900 公里。当 C-X75 工作在驱动模式 TRACK MODE 时,两台燃气轮机发出的电力直接用于驱动动力电机。下图二为 C-X75 的进排气通道。供给燃气轮机的空气主进气口 MAIN AIR INTAKES 分布在后轮的前端。通过燃气轮机尾气 DIRECTED EXHAUST GASES 排出后流过后尾翼用于产生额外的下压力,增加高速行驶时操控性。

  捷豹 C-X75 的两台 70 千瓦燃气轮机来自英国 Bladon Jets 公司。该公司专注于微型燃气轮机的开发。如下图一所示为这款燃气轮机的内部结构。该燃气轮机的标称转速为 8 万转/分,重量 35 公斤。直径只有 160 毫米,长度仅为 550 毫米,不愧为微型燃气轮机。空气通过空气过滤器(AIR IN VIA FILTER)进入燃气轮机,通过多级压缩机 MULTI-STAGE COMPRESSOR 进行压缩后进入燃烧室 COMBUSTION CHAMBER。在燃烧室中,空气与可燃气体混合后燃烧产生高温高压燃气。然后高温高压燃气将动能传递给涡轮驱动发电机(TURBINE DRIVING GENERATOR),最后尾气排出燃气轮机(EXHAUSTOUT)。其中发电机 GENERATOR 位于燃气轮机的尾端。燃料类型可以兼容柴油、生物燃料、压缩天然气、液化气等多种燃料。来自英国的 Bladon Jets 公司专注于微型燃气轮机的开发。如下图二所示是 Bladon Jets 的超小燃气轮机,可以看到其直径仅为一根铅笔的长度。因此其也称为铅笔汽轮机 Pencil Turbine。

  如前面提到两款 TREV 燃气轮机电动超跑分别将单次加油续航里程提升到了 800 公里和 900 公里的级别。虽然和这次发布的中国电动超跑的 2000 公里续航里程参数还有差距。不过确实证明了燃气轮机在发电模式下有助于提升电动汽车的续航里程。而正是这个原因,Ian Wright 作为特斯拉的五位原始创始人之一,最终决定放弃了特斯拉的股份,转而投身燃气轮机 TREV 电动垃圾卡车的开发,创建了美国加州的 Wrightspeed 公司。不做跑车,而去开发垃圾车。可见有些人为了梦想也是蛮拼的。

  Wrightspeed 公司曾一度使用前文提到的 Capstone 公司提供的 65 千瓦微型燃气轮机产品。历时 3 年的开发,在 2015 年 Wrightspeed 终于发布了自家的微型燃气轮机产品 Fulcrum microturbine。这款产品可以输出 80 千瓦功率,可作为发电机为车上的锂电池进行充电从而增加续航里程。并且 Wrightspeed 将能量密度从原来产品的 478 瓦/公斤提升到了 750 瓦/公斤。如下图一为 Wrightspeed 的微型燃气轮机 Fulcrum microturbine。下图二为该产品的具体结构,左侧为热交换器 Recuperator 和燃烧室 Combustor。右侧为集成功率电子控制器的发电机 Generator and Power electronics。两组涡轮分别将空气压缩后送入中冷器(To Intercooler)和由中冷器(From Intercoller)送入燃烧室和热交换器。通过这样两级的压缩工艺和创新的热交换器设计这款燃气轮机 Fulcrum 比市场上现有的燃气轮机提高了 30%的效率以及可提供 3 倍的动力。可使用柴油、压缩天然气、液化气、垃圾生产沼气、生物柴油(传说中的精炼地沟油)等多种燃料。 并且它还解决了原来燃气轮机噪音大的老毛病。使用优化的热交换器减小了振动,从而实现了安静清洁的动力输出。该燃气轮机的排气将符合美国加州严苛的排气控制标准。

  下图一为 Wrightspeed 公司正在开发中的 TREV 燃气轮机增程混合动力垃圾卡车。前面提到的 Fulcrum 燃气轮机被安装在了驾驶舱的后方。该燃气轮机被用来对下方的高压锂电池组 High-Power Li-ion Battery 进行充电,从而增加续航里程。卡车由位于车辆后方的 GTD(Wrightspeed 自家的 geared traction drive,齿轮动力驱动)动力模块驱动前进。下图二为驾驶舱后方的 Fulcrum 燃气轮机放大效果图。

  介绍了那么多各种燃气轮机的分类和微型燃气轮机在电动汽车应用的新趋势。下面就让我们随着日内瓦车展公布的消息来看一下中国电动超跑是怎么使用燃气轮机技术的。

  如下图一为 Techrules 泰克鲁斯·腾风的品牌图案。下图二为发布于 2016 年日内瓦车展的 Techrules GT96/AT96 概念车。两款概念车的区别是使用的燃料,GT96 使用的是天然气作为燃料,而 AT96 可以使用航空煤油、汽油或者柴油等多种燃料。并且 AT96 是赛道版的超跑,额外装备了很多空气套件。

  如下图为在日内瓦车展上展示的泰克鲁斯·腾风电动超跑动力部分细节。它的燃气轮机功率为 36 千瓦。前文提到的 1030 马力(768 千瓦)由安装于车上的 6 台动力电机提供(前轮由 2 台电机驱动,后轮由 4 台电机驱动)。因此平均每台动力电机的驱动能力为 128 千瓦。可以使得这台电动超跑达到百公里加速时间 2.5 秒的成绩。可见这款电动超跑所用的燃气轮机的功率级别和之前提到的几款 TREV 在一个数量级上。是否能够通过燃气轮机实现一箱油 80 升续航 2000 公里还有待时间的验证。但是至少 TREV 燃气轮机增程式混合动力汽车是一种全新的新能源车发展方向。

  Techrules 泰克鲁斯是一个全新的汽车品牌。它隶属于一家位于北京的母公司中国至玥腾风科技投资有限公司。可以看到该公司业务涉足航空航天和新能源汽车两大板块。其航空航天的背景也部分解释了其燃气轮机技术的来源。通过部分报道还能了解到泰克鲁斯正在与意大利和英国的合作伙伴联合开发电动跑车。有消息称泰克鲁斯正在和意大利著名汽车设计公司 Fioravanti 合作。如果大家有印象的线 年上海车展上发布的北汽 Concept 900 概念车就是由意大利 Fioravanti 公司设计的。而英国的合作方则比较神秘。泰克鲁斯的电动超跑还在英国的银石 F1 赛道做了圈速测试。说到泰克鲁斯的航空航天和新能源汽车风格,和一家英国跑车公司有几分相像。那就是麦克拉伦 McLaren。麦克拉伦公司也专注于跑车开发,又是航空航天项目的核心供应商。下图为麦克拉伦的跑车 570S。

  综上所述,汽轮机包括蒸汽轮机、航空喷气发动机、燃气轮机等三个大类。又主要有发电和传动两种主要应用。随着不同的应用,从发电用的蒸汽轮机一个大平层厂房的体积,到一栋小别墅大小的航空喷气发动机,再到一个车库大小的舰船用燃气轮机和能装进重型车辆的坦克用燃气轮机,最终我们看到了最新的乘用车用微型燃气轮机。微型燃气轮机由于其高负荷下高效率的特性,和高压电池组成为了绝配,形成了 TREV 燃气轮机增程式混合动力汽车这个新能源汽车的新发展方向。关于来自中国的 Techrules 泰克鲁斯的电动超跑能否实现其全部性能参数,将来能否最终量产,还有待时间的检验。但是一种新的理念和趋势已经被毋庸置疑的引入了新能源汽车的市场。

  前文提到美国 M1 主战坦克使用燃气轮机,其实在某些程度上是由于需要能够在动力性能上相对各国主流的主战坦克保持优势,而必须使用创新的技术。如下图为来自德国 MTU 公司的 V12 双涡轮增压大功率柴油发动机。它被用于由德国克劳斯玛菲 Krauss Maffei 公司设计的德国豹 2(Leopard2)主战坦克。

  这款柴油发动机的输出功率 1479 马力(也就是 1103 千瓦),稍逊于前文提到的霍尼韦尔 AGT1500 燃气轮机。超过 60 吨重的豹 2 主战坦克可在这台柴油发动机的帮助下达到 72 公里的公路时速。