只有手掌大小!IHI开发出可替代充电电池和燃料电池的燃气轮机发电电源

作者:缅甸小勐拉 | 分类:www.6668088.com资讯 | 浏览:27 | 评论:0

  日本IHI公司开发出了可携带的小型燃气轮机发电机系统(图1)。这一动向或将在以充电电池和燃料电池为主流的小型电源领域引起反响。

  IHI的小型燃气轮机发电机系统(a)为系统整体,(b)为燃气轮机主体。整个系统的外形尺寸为横580×纵420×高200mm,重约13kg。不过进一步小型和轻量化已有眉目,有望缩小至纵向250mm左右,重8kg左右。发电效率可达到35%以上。

  燃气轮机主体的外形尺寸约为成年人的手掌大小,直径约为80mm,长度约为120mm。重量也只有1kg左右。远远小于该公司已经投产的飞机发动机和发电设备的燃气轮机。

  设想的用途包括服务机器人的驱动电源、灾害救援队的便携电源等。虽然充电电池和燃料电池已被应用于上述用途,但是,IHI新事业推进部总 工程师矶村浩介称:“作为电源而言,燃气轮机的基本性能更加优秀。”一般来说,充电电池单位质量的输出功率(功率密度)高,但单位质量的能量(能量密度) 低(图2)。相反,燃料电池的能量密度高,但功率密度低。而燃气轮机在功率密度和能量密度两方面都十分优秀。

  燃气轮机在功率密度与能量密度俱佳这一点上优于充电电池和燃料电池。根据IHI资料制作。

  与同为内燃机的往复式发动机相比,燃气轮机具有易于小型化的特点。间歇燃烧的往复式发动机体积缩小后,做直线运动的活塞的摩擦产生的损耗会相对增大。IHI的矶村说:“在以固定功率持续运动的发电用途方面,连续燃烧的燃气轮机更有利于小型化。”

  IHI的方针是充分发挥燃气轮机的这一特性,首先在前面提到的机器人和救灾等领域建立业绩。并考虑将来向电动汽车(EV)续航距离延长装置(增程发动机)等市场规模庞大的领域拓展。

  新开发系统的组成要素除了燃气轮机之外,还包括冷却扇、消音器、燃料箱、控制器(发电及燃料供应)、发动机起动电源(锂离子充电电池) 等。发电能力最大为400W。操作性能良好,从起动到额定发电只需30秒左右,从额定发电到完全停止只需150秒左右,时间很短。发电效率可达35%以 上。

  燃料方面,开发品采用了丙烷气,不过也可以使用煤油和汽油等液体燃料。矶村说:“考虑到携带的方便性,也必须能够使用液体燃料。”

  IHI虽然没有透露燃气轮机的详细内部结构,但基本与飞机发动机等相同,由压缩机、燃烧室、涡轮排列构成。燃气轮机的吸气量为12g/秒,压缩机为单极离心式,压缩比为3,燃烧室内的最高温度为850℃。

  位于燃气轮机轴心的旋转机构是把压缩机叶轮和涡轮叶轮焊接在轴的两端。这些叶轮是使用5轴加工中心机械加工而成。各部件的直径如下,压缩机叶轮18mm,涡轮叶轮19.4mm,轴8mm。

  对于能否制造出如此之小的燃气轮机,起初IHI内部担忧之声四起。因为整个系统的尺寸缩小后,不仅为确保压缩机的压缩比需要大幅增加转 数,而且确保部件之间的隔热性也非常困难。为了解决这些问题,IHI与许多企业、大学合作,终于实现了小型燃气轮机发电机系统(表)。

  包括了各领域的最尖端成果。其中,热分布分析技术是由前美国麻省理工学院(MIT)教授艾伦?艾伯斯坦(Alan Epstein,现任职于美国普惠公司)提出,由MIT副教授佐尔坦?斯帕克夫斯基(Zoltan Spakovszky)进行了改进,经改进后,模型可以做更加细致的分割。曾在东京大学研究生院工学系研究科航空宇宙工学专业长岛研究室(开发时)工作的 副教授寺本进等人在此基础上,配合此次的燃气轮机对模型进行了设计。此外开发还得到了众多企业的协助。

  例如,要确保该系统的压缩比为3,就必须使轴的转速达到40万次/分左右。轴的直径为8mm,那么轴承的DN(轴直径与转数之积)就是 320万,而能够在这种条件下使用的滚珠轴承和滚子轴承并不存在。于是采用了美国风险企业开发的动压轴承“箔轴承”(图3)。

  外壳内侧有波箔和平箔2个圆筒状片簧,轴从中穿过。旋转时以非接触状态支持轴。平箔是单纯的圆筒,波箔则为波状。根据IHI资料制作。

  另外,如何确保密集的部件之间的隔热性也是一大问题。因为导热性是物性值,所以,在缩小系统后,部件之间的间隔越小,隔热越难。

  这个问题通过提高热分布分析的精度得到了解决。具体讲,就是把整个系统分割成约200个部分,通过根据各部分的形状和导热性进行热分布分 析,以便于发现应改进之处。开发品实际能够测量温度的位置只有7~8处,但通过这项分析,根据有限的温度信息可以正确预测出各部分的温度。

  IHI今后将征集该燃气轮机发电机系统的用户,与用户一起为实现实用化进行开发。也将根据用途提高耐久性。IHI称与开发品性能相近的产品有望于2015年左右达到实用水平。(日经能源环境网供稿)