Mikroturbine – Wikipedia

before-content-x4

Mikroturbinen sind 25 bis 500 Kilowatt Gasturbinen, die aus Turboladern mit Kolbenmotoren, Flugzeughilfsaggregaten (APU) oder kleinen Strahltriebwerken von der Größe eines Kühlschranks entwickelt wurden.[1]

Frühe Turbinen von 30-70 kW wuchsen auf 200-250 kW.[2]

Ausschnitt einer wiederhergestellten Mikroturbine

Sie umfassen einen Kompressor, eine Brennkammer, eine Turbine und einen elektrischen Generator auf einer oder zwei Wellen. Sie können einen Rekuperator haben, der Abwärme aufnimmt, um den Wirkungsgrad des Kompressors zu verbessern, einen Ladeluftkühler und eine Wiedererwärmung. Sie drehen sich mit über 40.000 U / min und eine übliche Mikroturbine mit einer Welle dreht sich normalerweise mit 90.000 bis 120.000 U / min.[1]

Sie haben oft einen einstufigen Radialkompressor und eine einstufige Radialturbine. Rekuperatoren sind schwierig zu konstruieren und herzustellen, da sie unter hohen Druck- und Temperaturunterschieden arbeiten.

Fortschritte in der Elektronik ermöglichen einen unbeaufsichtigten Betrieb, und die elektronische Leistungsschalttechnologie macht eine Synchronisierung des Generators mit dem Stromnetz überflüssig, sodass er in die Turbinenwelle integriert werden und gleichzeitig als Anlasser fungieren kann. Gasturbinen akzeptieren die meisten kommerziellen Brennstoffe wie Benzin, Erdgas, Propan, Dieselkraftstoff und Kerosin sowie erneuerbare Brennstoffe wie E85, Biodiesel und Biogas. Das Starten mit Kerosin oder Diesel kann ein flüchtigeres Produkt wie Propangas erfordern. Mikroturbinen können Mikroverbrennung verwenden.

Gasturbinen in voller Größe verwenden häufig Kugellager. Die Temperaturen von 1000 ° C und die hohen Drehzahlen von Mikroturbinen machen Ölschmierung und Kugellager unpraktisch. Sie benötigen Luftlager oder möglicherweise Magnetlager.[3]

Sie können mit Folienlagern und Luftkühlung ausgestattet sein, die ohne Schmieröl, Kühlmittel oder andere gefährliche Materialien arbeiten.[4]

Um den Teillastwirkungsgrad zu maximieren, können in einem integrierten System nach Bedarf mehrere Turbinen gestartet oder gestoppt werden.[2]Hubkolbenmotoren können schnell auf Änderungen des Leistungsbedarfs reagieren, während Mikroturbinen bei niedrigen Leistungsniveaus an Effizienz verlieren. Sie können ein höheres Leistungsgewicht als Kolbenmotoren, geringe Emissionen und wenige oder nur ein bewegliches Teil aufweisen. Hubkolbenmotoren können effizienter, insgesamt billiger sein und normalerweise einfache Gleitlager verwenden, die mit Motoröl geschmiert sind.

Mikroturbinen können zur Kraft-Wärme-Kopplung und dezentralen Erzeugung als Turbogeneratoren oder Turbogeneratoren oder zum Antrieb von Hybrid-Elektrofahrzeugen verwendet werden. Der größte Teil der Abwärme ist im Abgas mit relativ hoher Temperatur enthalten, was die Erfassung vereinfacht, während die Abwärme der Hubkolbenmotoren zwischen Abgas und Kühlsystem aufgeteilt wird.[5]

Abwärme kann für Wasserheizung, Raumheizung, Trocknungsprozesse oder Absorptionskältemaschinen verwendet werden, die aus Wärmeenergie anstelle von elektrischer Energie Kälte für die Klimatisierung erzeugen.

Effizienz[edit]

Mikroturbinen haben ohne Rekuperator einen Wirkungsgrad von etwa 15%, mit einem Rekuperator einen Wirkungsgrad von 20 bis 30% und können bei der Kraft-Wärme-Kopplung einen kombinierten thermisch-elektrischen Wirkungsgrad von 85% erreichen.[1]

Der thermische Wirkungsgrad des rekuperierten 300-kW-RGT3R von Niigata Power Systems erreicht 32,5%, während der nicht rekuperierte RGT3C von 360 kW bei 16,3% liegt.[6]Capstone Turbine behauptet für seinen 200 kW C200S einen elektrischen Wirkungsgrad von 33% LHV.[7]

1988 startete der NEDO das Projekt Ceramic Gas Turbine im Rahmen des japanischen New Sunshine Project: 1999 erreichte der rekuperierte Doppelwellen-311,6 kW Kawasaki Heavy Industries CGT302 einen Wirkungsgrad von 42,1% und eine Turbineneintrittstemperatur von 1350 ° C.[8][9]

Im Oktober 2010 erhielt Capstone vom US-Energieministerium den Entwurf einer zweistufigen intergekühlten Mikroturbine, die aus den aktuellen 200-kW- und 65-kW-Motoren für eine 370-kW-Turbine mit einem elektrischen Wirkungsgrad von 42% abgeleitet wurde.[10]

Forscher der Technischen Universität Lappeenranta entwickelten eine zwischengekühlte und rekuperierte Zwei-Wellen-Mikroturbine mit 500 kW und einem Wirkungsgrad von 45%.[11]

Forecast International prognostiziert einen Marktanteil von 51,4% für Capstone Turbine nach Produktionseinheiten von 2008 bis 2032, gefolgt von Bladon Jets mit 19,4%, MTT mit 13,6%, FlexEnergy mit 10,9% und Ansaldo Energia mit 4,5%.[12]

Ultra Micro[edit]

Das MIT startete sein millimetergroßes Turbinentriebwerksprojekt Mitte der neunziger Jahre, als Professor für Luft- und Raumfahrt Alan H. Epstein die Möglichkeit in Betracht zog, eine persönliche Turbine zu entwickeln, die alle Anforderungen der elektrischen Bedürfnisse eines modernen Menschen ebenso erfüllen kann Eine große Turbine kann den Strombedarf einer kleinen Stadt decken. In diesen neuen Mikroturbinen sind Probleme mit der Wärmeableitung und den Hochgeschwindigkeitslagern aufgetreten. Darüber hinaus liegt ihr erwarteter Wirkungsgrad bei sehr niedrigen 5-6%. Laut Professor Epstein liefern derzeitige handelsübliche Li-Ionen-Akkus etwa 120-150 W · h / kg. Die millimetergroße Turbine des MIT wird kurzfristig 500-700 W · h / kg liefern und längerfristig auf 1200-1500 W · h / kg ansteigen.[13]

Eine ähnliche Mikroturbine der belgischen Katholieke Universiteit Leuven hat einen Rotordurchmesser von 20 mm und wird voraussichtlich etwa 1000 W produzieren.[3]

Flugzeug[edit]

Safran unterstützt das französische Startup Turbotech und entwickelt einen Turboprop mit 73 kW (98 PS) und einem Rekuperator, um den Wirkungsgrad von 10 auf 30% zu verbessern. Der bremsspezifische Kraftstoffverbrauch ähnelt einem Kolbenmotor, ist jedoch 30 kg leichter bei 55 kg (120) lb) und ohne Kühlwiderstand. Die direkten Betriebskosten sollten aufgrund vielfältigerer Kraftstoffe und geringerer Wartung mit einer doppelten TBO nach 4.000 Stunden um 30% gesenkt werden. Es ist für hochwertige ultraleichte Zweisitzer und unbemannte Flugzeuge gedacht und etwas teurer als ein konkurrierender Rotax 912, sollte jedoch über seinen gesamten Lebenszyklus wettbewerbsfähig sein. Bei einem VTOL-Zweisitzer würde ein 55-kW-Turbogenerator 85 kg mit Kraftstoff für 2,5 Stunden Ausdauer anstelle von 1 Tonne Batterien wiegen. In den Jahren 2016-17 lief ein Demonstrator, und die Bodentests sollten in der zweiten Hälfte des Jahres 2018 beginnen, bevor die Flugtests in der zweiten Hälfte des Jahres 2019 und die erste Auslieferung in der ersten Hälfte des Jahres 2020 durchgeführt werden. Die Endmontagelinie wird in Toussus-le-Noble erstellt Flughafen in der Nähe von Paris für eine jährliche Leistung von 1.000 Motoren bis 2025.
[14]

Ein Wirkungsgrad von 30% entspricht einem Kraftstoffverbrauch von 281 g / kW / h bei einem Kraftstoffverbrauch von 42,7 MJ / kg.

Das tschechische PBS Velká Bíteš bietet seinen TP100-Turboprop mit 180 kW (241 PS) und einem Gewicht von 61,6 kg für Ultraleichtflugzeuge und UAVs an und verbraucht 515 g / kW / h (0,847 lb / hp / h).[15]

Dies entspricht einem Wirkungsgrad von 16,4% bei einem Kraftstoff von 42,7 MJ / kg.

UAV Turbines mit Sitz in Miami entwickelt seinen 40 PS (30 kW) starken Monarch RP (früher UTP50R) -Rückgewinnungsturboprop für Flugzeuge mit einem Bruttogewicht von rund 600 kg (1.320 lb), die auf einem TigerShark-UAV getestet werden sollen.[16]

Am 10. Dezember 2019 stellte das Unternehmen seinen Monarch Hybrid Range Extender vor, einen Hybrid-Elektro-Demonstrator mit 33 PS (25 kW), der auf der im September vorgestellten Monarch 5-Turbine basiert und 27 kg (60 lb) für den Motor und 54 kg (119 lb) wiegt. für das ganze System.[17]

Hybridfahrzeuge[edit]

Bei Verwendung in Elektrofahrzeugen mit erweiterter Reichweite ist der Nachteil des statischen Wirkungsgrads weniger wichtig, da die Gasturbine mit oder nahe der maximalen Leistung betrieben werden kann und eine Lichtmaschine zur Stromerzeugung entweder für die Radmotoren oder für die Batterien antreibt, je nach Drehzahl und Geschwindigkeit Batteriezustand. Die Batterien wirken als “Puffer” (Energiespeicher) bei der Abgabe der erforderlichen Leistung an die Radmotoren, wodurch die Gasannahme der Gasturbine irrelevant wird.

Darüber hinaus besteht keine Notwendigkeit für ein Getriebe mit signifikanter oder variabler Geschwindigkeit; Das Drehen einer Lichtmaschine mit vergleichsweise hohen Drehzahlen ermöglicht eine kleinere und leichtere Lichtmaschine als dies sonst der Fall wäre. Das überlegene Leistungsgewicht der Gasturbine und ihres Getriebes mit fester Drehzahl ermöglicht eine viel leichtere Antriebsmaschine als der Toyota Prius (1,8-Liter-Benziner) oder der Chevrolet Volt (1,4-Liter-Benziner). Dies ermöglicht wiederum das Tragen eines schwereren Batteriegewichts, was eine größere Reichweite nur für Elektrizität ermöglicht. Alternativ kann das Fahrzeug schwerere, billigere Blei-Säure-Batterien oder sicherere Lithium-Eisenphosphat-Batterien verwenden.

In Elektrofahrzeugen mit erweiterter Reichweite, wie sie geplant sind[when?] von Land-Rover / Range-Rover in Verbindung mit Bladon oder von Jaguar auch in Zusammenarbeit mit Bladon spielt die sehr schlechte Drosselreaktion (ihr hohes Rotationsträgheitsmoment) keine Rolle.[citation needed] weil die Gasturbine, die sich möglicherweise mit 100.000 U / min dreht, nicht direkt mechanisch mit den Rädern verbunden ist. Es war diese schlechte Drosselreaktion, die das Prototyp-Motorauto mit Rover-Gasturbinenantrieb von 1950 so störte, dass es nicht den Vorteil eines elektrischen Zwischenantriebs hatte, plötzliche Leistungsspitzen zu erzeugen, wenn dies vom Fahrer verlangt wurde.[further explanation needed]

Verweise[edit]

  1. ^ ein b c Barney L. Capehart (22. Dezember 2016). “Mikroturbinen”. Entwurfshandbuch für das gesamte Gebäude. Nationales Institut für Bauwissenschaften.
  2. ^ ein b Stephen Gillette (1. November 2010). “Microturbine Technology Matures”. POWER Magazin. Access Intelligence, LLC.
  3. ^ ein b Jan Peirs (2008). “Ultra-Mikrogasturbinengenerator”. Maschinenbau Abteilung. KU Leuven.
  4. ^ Asgharian, Pouyan; Noroozian, Reza (10.05.2016). “Modellierung und Simulation eines Mikroturbinen-Erzeugungssystems für den gleichzeitigen netzgebundenen / Inselbetrieb”. Iranische Konferenz für Elektrotechnik: 1528–1533. doi:10.1109 / IranianCEE.2016.7585764. ISBN 978-1-4673-8789-7. S2CID 44199656.
  5. ^ “Prime Movers”. Die Irish Combined Heat & Power Association. Archiviert von das Original am 26.06.2011.
  6. ^ Ryousuke Shibata; et al. (2. bis 7. November 2003). Die Entwicklung einer hocheffizienten Mikrogasturbine der Klasse 300 kW “RGT3R”. Internationaler Gasturbinenkongress Tokio. Niigata Power Systems.
  7. ^ “C200S”. Capstone Turbine Corporation.
  8. ^ I. Takehara; et al. (19. Juni 2002). “Zusammenfassung des Forschungs- und Entwicklungsprogramms für keramische Gasturbinen der CGT302”. Journal of Engineering für Gasturbinen und Strom. 124 (3): 627–635. doi:10.1115 / 1.1451704.
  9. ^ “Kawasaki Microturbines”. Prognose International. Juni 2004.
  10. ^ Capstone Turbine Corporation (14. Oktober 2015). “Technischer Abschlussbericht”. Hocheffiziente 370 kW Mikroturbine. doi:10.2172 / 1224801. OSTI 1224801.
  11. ^ Matti Malkamäki; et al. (März 2015). “EIN MIKROTURBINENKONZEPT MIT HOHER EFFIZIENZ”. 11. Europäische Konferenz über Fluiddynamik und Thermodynamik von Turbomaschinen.
  12. ^ Carter Palmer (7. August 2018). “Mikroturbinen: Zurück zur Normalität?”. Prognose International.
  13. ^ Genuth, Iddo (2007-02-07). “Motor auf einem Chip”. Die Zukunft der Dinge. Abgerufen 2016-06-21.
  14. ^ Graham Warwick (23. April 2018). “Die Woche in der Technologie, 23.-27. April 2018”. Aviation Week & Space Technology.
  15. ^ “TP100 Turboprop Engine”. PBS Velká Bíteš.
  16. ^ Graham Warwick (6. Mai 2019). “Die Woche in der Technologie, 6.-10. Mai 2019”. Aviation Week & Space Technology.
  17. ^ Garrett Reim (10. Dezember 2019). “UAV Turbines stellt hybridelektrische ‘Mikroturbine’ für Drohnen vor”. FlightGlobal.


after-content-x4