Проектирование газовых турбин в гибридных электромобилях

Почему газовые турбины для гибридов?

Гибридные электромобили (HEV) традиционно имеют парные поршневые двигатели с электродвигателями, но все больше исследований показывают, что газовые турбины могут предложить убедительную альтернативу. Врожденное высокое соотношение мощности к весу, плавная вращательная мощность и способность работать на нескольких видах топлива делают газовую турбину привлекательным кандидатом для расширителей диапазона и последовательно-гибридных конфигураций. В отличие от поршневого двигателя, турбина имеет меньше движущихся частей, более низкую вибрацию и потенциал для снижения технического обслуживания в течение ее жизненного цикла. Однако интеграция газовой турбины в дорожное транспортное средство представляет собой принципиально другой набор инженерных задач по сравнению со стационарной выработкой энергии или авиационными приложениями. В этой статье рассматриваются ключевые соображения проектирования, которые инженеры должны учитывать при разработке газовых турбин специально для гибридных электромобилей, от управления тепловой энергией до интеграции трансмиссии, и исследуются перспективы будущего для этой многообещающей технологии.

Фундаментальные драйверы для автомобильных газовых турбин

Проектирование газовой турбины для гибридного транспортного средства не просто сокращает масштаб авиационного двигателя. Рабочая среда, рабочий цикл и ограничения по стоимости резко различаются. Несколько общих факторов формируют подход к проектированию:

Каждый из этих драйверов влияет на конкретные проекты подсистем, как описано в следующих разделах.

Эффективность и потребление топлива

Термодинамический цикл газовой турбины (цикл Брейтона) обеспечивает пиковую эффективность при высоких постоянных скоростях вращения. В гибридном электромобиле турбина может быть отделена от колес, работая как генераторная установка, что позволяет ей работать с оптимальной скоростью независимо от скорости транспортного средства. Это явное преимущество перед поршневым двигателем, который должен работать в широком диапазоне оборотов и крутящего момента. Тем не менее, эффективность турбины при частичной нагрузке может резко падать, если не тщательно управлять.

Продвинутые стратегии контроля

Переменные впускные направляющие лопатки (VIGV) и сопла изменяемой геометрии позволяют турбине поддерживать более благоприятное соотношение давления и массовый поток при более низких выходных сигналах. Путем регулировки угла лопаток статора, конструкторы могут оптимизировать соответствие компрессора-турбины для различных рабочих точек. В сочетании со сложным электронным блоком управления, который взаимодействует с контроллером гибридной системы, турбине можно приказать работать только в ее наиболее эффективных заданных точках - обычно выше 70% полной мощности. Ниже этого порога гибридная система может выбрать полагаться исключительно на мощность батареи или полностью выключить турбину.

Регенеративные теплообменники

Добавление рекуператора (газо-газообменника) может значительно повысить тепловую эффективность за счет предварительного нагревания впускного воздуха в горючем с использованием выхлопного тепла. В то время как рекуператоры добавляют вес, объем и стоимость, они могут повысить эффективность частичной нагрузки на 10-15 процентных пунктов, приближая турбину к тепловой эффективности современного дизельного двигателя. Конструкторы должны сбалансировать эффективность рекуператора и эффективность против жестких ограничений упаковки транспортного средства.

Топливная гибкость

Газовые турбины могут сжигать широкий спектр видов топлива — природный газ, водород, биотопливо или даже керосин — что является преимуществом, поскольку транспортный сектор переходит на низкоуглеродные энергоносители. Однако для каждого вида топлива требуется специально разработанная конструкция горючего для обеспечения стабильного воспламенения, удерживания пламени и низких выбросов. Для гибридных транспортных средств турбина, предназначенная для одного топлива (например, водорода или сжатого природного газа), может быть оптимизирована легче, чем многотопливная система.

Ограничения по размеру и весу

Плотность мощности газовой турбины по своей природе высока - обычно 0,5-1,5 кВт / кг для микротурбин, но полный силовой модуль (включая рекуператор, генератор, воздушные фильтры и воздуховоды) может стать тяжелее, чем сопоставимая установка поршневого двигателя.

Легкие материалы

Продвинутая керамика (нитрид кремния, карбид кремния) перспективна для лопастей турбин и статоров, поскольку они сохраняют прочность при высоких температурах без необходимости тщательного охлаждения. Композиты из керамической матрицы (CMC) обеспечивают плотность примерно на треть больше, чем из суперсплавов на основе никеля. Однако керамические компоненты хрупки и чувствительны к тепловому удару, поэтому конструкция должна включать тщательный термический и структурный анализ. Для низкотемпературных секций титановые алюминиды и высокопрочные алюминиевые сплавы могут снизить вес в компрессоре и корпусе.

Модульная и интегрированная упаковка

Проектирование турбины в качестве автономного модуля, который может быть установлен в полу, задней части или под капотом транспортного средства, требует компактной компоновки. Рекуператоры, если они используются, могут быть встроены в выпускной коллектор. Высокоскоростной генератор (часто синхронная машина с постоянным магнитом) может быть непосредственно соединен с валом турбины, устраняя необходимость в коробке передач. Немасляные подшипники, такие как подшипники для воздуха или магнитные подшипники, уменьшают вес масляной системы и позволяют более высокие скорости вращения (> 100 000 об/мин) для данного размера турбины.

Термический менеджмент

Газовые турбины работают с температурой выхлопных газов, которая может превышать 900 ° C (1650 ° F). Обработка этого тепла в транспортном средстве является одной из самых сложных задач проектирования. Неадекватное управление тепловой энергией не только рискует отказом компонентов, но также снижает комфорт пассажиров и может ухудшить соседние аккумуляторные батареи или силовую электронику.

Системы теплового отторжения

В отличие от поршневого двигателя, где большой радиатор обрабатывает большую часть тепла, газовая турбина отбрасывает значительную часть тепла через выхлоп. Оставшееся тепло должно быть удалено из смазочного масла (если используется), охлаждения генератора и корпуса рекуператора. Конструкторы должны интегрировать систему охлаждения, которая является одновременно компактной и эффективной. Использование существующей гибридной охлаждающей петли транспортного средства с отдельным радиатором для высокотемпературных турбинных схем может сэкономить пространство. Некоторые концепции рециркулируют выхлопное тепло для нагрева кабины в холодном климате, улучшая общее использование энергии.

Тепловые щиты и изоляция

Керамические одеяла из волокон, металлические теплозащитные экраны и многослойная изоляция должны быть размещены вокруг турбины и выхлопных компонентов для предотвращения впитывания тепла в шасси. Ограждение турбины должно быть спроектировано для управления воздушным потоком для естественной или принудительной конвекции. В последовательно-гибридной конфигурации, где турбина работает с перерывами, тепловой цикл может вызвать напряжения расширения и сокращения; поэтому точки монтажа должны приспосабливаться к тепловому росту без индуцирования искажений.

Регенеративное охлаждение турбинных лезвий

Для более высоких выходов мощности (выше 50-100 кВт) могут потребоваться внутренние охлаждающие проходы внутри лопастей турбины. Воздух, истекающий из компрессора, проходит через внутренние каналы и выбрасывается на кончики лопастей для формирования защитной пленки. Такой подход снижает температуру металла, но наказывает общую эффективность цикла. В небольших автомобильных турбинах (< 50 кВт) может быть достаточно более простых конструкций охлаждения проводимости с использованием высокотемпературных сплавов, особенно с керамическими покрытиями, которые уменьшают тепловой поток.

Оперативная гибкость

В гибридном электромобиле газовая турбина должна часто запускаться и останавливаться, быстро реагировать на изменения нагрузки и работать плавно в широком диапазоне условий окружающей среды.

Быстрый запуск и отключение

От холодного пуска газовая турбина требует короткого периода разогрева, чтобы избежать теплового удара и обеспечить правильную смазку. Однако для автомобильного использования эта разогревание должна быть сведена к минимуму — в идеале менее 30 секунд. Предварительный нагрев лайнера-горючего или использование стартера-генератора, который может быстро разогнать ротор до скорости холостого хода, может помочь. Кроме того, система управления должна управлять потоком топлива и временем зажигания, чтобы предотвратить перегорание во время внезапных изменений дроссельной заслонки. Во время отключения может потребоваться цикл охлаждения, чтобы предотвратить повреждение подшипника от остаточного тепла.

Загрузка и взаимодействие с батареей

Контроллер турбины должен беспрепятственно связываться с гибридным контроллером. Когда состояние заряда батареи падает, турбина запускается и набирает до своей наиболее эффективной точки питания. Вместо того, чтобы пытаться следовать переходным нагрузкам колес (как может турбина с прямым приводом), система может рассматривать турбину как источник постоянной мощности, который заряжает батарею, в то время как электродвигатель обрабатывает переменную потребность. Это освобождает турбину от быстрых переходных процессов и позволяет ей работать вблизи своей точки проектирования большую часть времени.

Высота и температура окружающей среды компенсация

Производительность газовой турбины ухудшается с большей высотой и более высокой температурой окружающей среды, поскольку плотность воздуха уменьшается. В гибридном транспортном средстве, работающем на высоте (например, при движении в горах), турбине может потребоваться больший компрессор для поддержания адекватной мощности, или гибридная система может компенсировать это, извлекая больше из батареи. Разработка алгоритма управления, который регулирует мощность турбины и пределы разряда батареи на основе условий окружающей среды, обеспечивает согласованную реакцию транспортного средства.

Интеграция с электрическим приводом

Газовая турбина не приводит в движение колеса механически; она механически соединена с генератором, который питает электрическую энергию тяговой батареи и электродвигателей. Этот интерфейс формирует общую архитектуру транспортного средства.

Выбор генератора и сопоставление

Синхронный генератор с постоянным магнитом (PMSG) обычно выбирают для его высокой плотности мощности и эффективности. Генератор должен быть спроектирован так, чтобы соответствовать кривой крутящего момента турбины и обрабатывать высокие скорости вращения (часто выше 100 000 об/мин.) Прямое соединение избегает коробки передач, но ротор генератора должен быть конструктивно прочным против центробежных сил. Активное выпрямление и регулирование напряжения необходимы для преобразования выходного переменного напряжения переменной частоты в стабильное напряжение шины постоянного тока.

Электроника и энергетический буфер

Выход генератора регулируется преобразователем мощности, который поддерживает напряжение зарядки батареи. Преобразователь должен обрабатывать оба направления потока энергии (хотя обычно турбина подает энергию только на батарею, а не наоборот). Небольшой энергетический буфер, такой как банк суперконденсатора или небольшая литиевая батарея, может сгладить переход энергии турбины во время запуска и уменьшить нагрузку на основную батарею. Этот буфер также позволяет турбине быть размером для непрерывной мощности, а не пиковой мощности, повышая общую эффективность системы.

Шум и вибрация

Одним из предполагаемых преимуществ газовой турбины является ее внутренняя гладкость по сравнению с поршневым двигателем.Тем не менее высокочастотный шум от компрессора, горючего и выхлопа может быть нежелательным для пассажиров и пешеходов.

Акустическая аттенуация

Впускные глушители, глушители выхлопных газов и ограждающие шумоизоляционные вкладыши необходимы для снижения уровня шума до автомобильных стандартов. Шум впуска часто является нытьем от лопастей компрессора; резонансная камера, настроенная на частоту пропуска лопастей, может смягчить это. Шум выхлопа включает широкополосную турбулентность и возможный визг от процесса сгорания. Использование диффузора выхлопных газов с камерой расширения широкого объема помогает ослабить как низкие, так и высокие частоты. Активное шумоподавление, с использованием микрофонов и динамиков внутри кабины, может дополнительно уменьшить воспринимаемый шум турбины.

Вибрационная изоляция

Сам высокоскоростной ротор хорошо сбалансирован и производит низкую вибрацию, но процесс сгорания может генерировать колебания низкочастотного давления (динамика горения). Узел турбины должен быть установлен на мягких эластомерных установках для изоляции этих вибраций от шасси. Кроме того, рекуператор и воздуховод должны поддерживаться гибкими смычками, чтобы предотвратить тепловое расширение от передачи нагрузок в точки монтажа.

Выбросы и устойчивость

Современные газовые турбины могут достигать очень низких выбросов NOx, CO и несгоревших углеводородов при использовании бережливого смешанного сгорания. Однако широкий диапазон нагрузки автомобильного применения затрудняет поддержание бережливой стабильности пламени, необходимой для сверхнизкого NOx.

Каталитическая последующая обработка

Для небольших турбин каталитический нейтрализатор, аналогичный тем, которые используются в поршневых двигателях, может быть помещен в выхлоп для снижения выбросов CO и углеводородов. Однако высокое содержание кислорода в выхлопных газах турбины (бережливое сжигание) требует бережливой ловушки NOx или селективного каталитического восстановления (SCR) для снижения NOx. Это добавляет стоимость и сложность, но может потребоваться для соответствия стандартам Euro 7 или California LEV III.

Нулевой углеродный потенциал топлива

Сгорание водорода в газовой турбине производит водяной пар и отслеживает NOx (от тепловой фиксации азота). При тщательной конструкции горючего водородные турбины могут достигать почти нулевого NOx. Это делает гибрид газовой турбины особенно привлекательным в качестве технологии моста к водородной экономике. Например, исследование водорода и топливных элементов Министерства энергетики США обеспечивает фундаментальные знания, которые могут быть применены к водородным газовым турбинам.

Стоимость и производство

Автомобильные газовые турбины исторически были слишком дорогими для массового производства, в основном из-за необходимости высокотемпературных суперсплавов и точного производства.Однако достижения в аддитивном производстве, порошковой металлургии и автоматизированной сборке снижают затраты.

Аддитивное производство для компонентов горячей секции

3D-печать компонентов суперсплава и керамической турбины позволяет использовать сложные геометрии внутреннего охлаждения, которые уменьшают отходы материала и позволяют проектировать итерацию без затрат на твердую оснастку. Несколько компаний, включая GE Additive, продемонстрировали использование аддитивного производства для деталей газовых турбин, и эти методы в настоящее время масштабируются для автомобильных применений меньшего объема.

Модульная, масштабируемая архитектура

Проектирование семейства турбинных модулей — 50 кВт, 100 кВт, 150 кВт — с использованием общих ядер и компрессоров различного размера может снизить затраты на единицу продукции за счет совместного использования платформы. Этот подход аналогичен тому, как автопроизводители используют семейства двигателей для нескольких моделей. Ядро турбины (горючее, колесо турбины, подшипники) может быть идентичным, в то время как компрессор и генератор имеют повышенный уровень.

Будущий прогноз

Интеграция газовых турбин в гибридные электромобили все еще находится на стадии исследований и демонстрации, но несколько тенденций указывают на коммерциализацию. Технические документы SAE уже показали, что удлинители микротурбинного диапазона могут достигать более низкого веса системы и меньшего объема упаковки, чем эквиваленты на основе поршня для подключаемых гибридов. Параллельно материаловедение доставляет керамические компоненты, которые могут выдержать длительный тепловой цикл, а силовая электроника становится более эффективной на высоких частотах.

Регуляторное давление для сокращения выбросов CO2 от транспорта может ускорить инвестиции в турбинные гибриды, особенно если водород станет широко доступным. Газовые турбины также предлагают возможность использования устойчивого авиационного топлива (SAF) или биотоплива, согласуясь с целями декарбонизации в разных секторах. В то время как проблемы в стоимости, выбросах и управлении тепловой энергией остаются, соображения проектирования, изложенные в этой статье, обеспечивают дорожную карту для инженеров, чтобы преодолеть эти барьеры. При продолжении разработки газовая турбина может стать знакомым компонентом под капотом гибридных электромобилей следующего поколения. Управление автомобильных технологий Министерства энергетики продолжает финансировать исследования, которые исследуют такие инновационные концепции двигателей.

В заключение, проектирование газовой турбины для гибридного электромобиля требует целостного подхода, который уравновешивает термодинамические характеристики, механическую прочность, тепловое управление и стоимость. Оптимизируя эффективность частичной нагрузки за счет переменной геометрии и рекуперации, используя легкие материалы и аддитивное производство, и тесно интегрируясь с электрической трансмиссией, инженеры могут разблокировать высокую плотность мощности турбины и гибкость топлива. Полученная гибридная система может предложить уникальную комбинацию дальности, производительности и низких выбросов - особенно когда мир движется к более чистым энергоносителям. В следующем десятилетии, вероятно, прототипы и модели ограниченного производства продемонстрируют жизнеспособность этого подхода, потенциально изменяя ландшафт гибридного электромобиля.