Hibrit Elektrikli Araçlarda Gaz Türbinleri için Tasarım

Neden Hibritler için Gaz Türbinleri?

Hibrit elektrikli araçlar (HEV) geleneksel olarak elektrik motorlarıyla çiftleştirilmiş piston motorlarına sahiptir, ancak büyüyen bir araştırma organı, gaz türbinlerinin zorlayıcı bir alternatif sunabileceğini göstermektedir. Doğal yüksek güç ağırlığı oranı, normal yakıtlar üzerinde çalışma yeteneği, bir motor hattın temel olarak farklı bir şekilde geliştirilmesi için bir yol haritası oluşturma ve seri-hiperatörlük yapılandırması için bir sistem değişikliğini mümkün kılar.

Otomotiv Gaz Türbinleri için Temel Tasarım Sürücüleri

Hibrit bir araç için bir gaz türbini tasarlamak sadece bir uçak motoruna sahip değildir. Operasyon ortamı, görev döngüsü ve maliyet kısıtlamaları dramatik şekilde farklıdır. Çeşitli aşırılık faktörler tasarım yaklaşımı şekillendirir:

Bu sürücülerin her biri aşağıdaki bölümlerde açıklandığı gibi belirli alt sistem tasarımlarını etkiler.

Verimlilik ve Yakıt Tüketimi

Bir gaz türbini (Brayton döngüsü) yüksek, sürekli rotasyon hızlarında zirve verimliliğini sağlar. Hibrit bir elektrikli araçta, türbin versquo; kısmi yükten vazgeçer – bir jeneratör seti olarak çalıştırın - araç hızına bakılmaksızın en uygun şekilde çalıştırın.Bu, geniş bir RPM ve tork aralığı üzerinde çalışmalıdır.

Gelişmiş Kontrol Stratejileri

Değişkenler kılavuz vanes (VIGVs) ve değişken geometri nozları, türbin daha uygun bir basınç oranı ve kütle akışını daha düşük güç çıktılarında çalıştırmasına izin verir.Hazırda tüm güçlerin açısına uygun olarak, tasarımcılar, hibrit sistemle iletişim kurmak veya tamamen şarj edilebilir bir elektronik kontrol ünitesine güvenerek, türbinin yalnızca en verimli set noktalarında çalışabilmesi için sipariş edilebilir.

Rejeneratif Heat Exchangers

Bir recuperator (bir gaz-to-gaz ısı değiştiricisi) eklenerek ısı verimliliği önemli ölçüde artırabilir.Recuperators ağırlık, hacim ve maliyet, 10-15 puana kadar, modern bir dizel motorun termal verimliliğini artırmak. Tasarımcılar, bir aracın sıkı paketleme kısıtlamalarına karşı etkili olmalıdır.

Yakıt Flexability

Gaz türbinleri, çok fazla yakıt aralığı yakabilir - doğal gaz, hidrojen, biyo yakıtlar veya hatta kerosen - bu, ulaşım sektörü geçişleri olarak daha düşük karbonlu enerji taşıyıcıları için optimize edilebilir. Ancak, her yakıt, stabil ateşleme, alev tutma ve düşük emisyonlar sağlamak için özel bir kombin tasarımı gerektirir.

Boyut ve Ağırlık Kıtları

Bir gaz türbininin güç yoğunluğu doğal olarak yüksektir - mikroturbin için yaklaşık 0,5-1.5 kW / kg - ancak tam güç modülü (Recuperator, jeneratör, hava filtreleri ve dükleme) bu nedenle, her gram otomotiv tasarımından daha ağır olabilir.

Hafif Malzemeler

Gelişmiş seramikler ( ⁇ nitride, silikon lübü), türk bıçaklar ve Tirajlar için umut vericidir, çünkü ayrıntılı soğutma gerektiren yüksek sıcaklıklarda güç tutarlar. Seramik matrisler (CMCs), yüksek çözünürlükte bir yoğunluk sunar.

modüler ve bütünleştirilmiş Ambalaj

Türbini araç ve makinede monte edilebilir bir standalone modülü olarak tasarlayın; zemin, arka veya bir dişli kutusu gerektirir.Kullanılan folyo hava yatakları veya manyetik yataklar gibi - yüksek hızlı jeneratör (daha yüksek bir makine) verilen bir türbin büyüklüğü için doğrudan çift olabilir.

Termal Yönetim

Gaz türbinleri 900 °C (1650 °F) aşabilecek egzoz gaz sıcaklıkları ile çalışır.Bir araç içindeki bu ısıyı kullanmak, en zorlu tasarım zorluklarından biridir.Inadequate termal yönetim sadece risk bileşeni başarısızlıkla kalmaz, aynı zamanda yolcu konforunu azaltır ve ayrıca ekstevü veya güç elektroniklerini azaltır.

Heat Rejeksiyon Sistemleri

Bir piston motorundan farklı olarak, büyük bir radyatörün ısının çoğunu ele aldığında, bir gaz türbini, egzoz yoluyla önemli bir ısı parçası reddeder. Kalan ısı, yüksek sıcaklık türbinleri için ayrı bir radyatörle - uzayı kurtarmak gerekir. Bazı kavramlar yeniden sirkülasyonu soğuk iklimlerde kabini ısıtmalıdır, genel enerji kullanımını artırmak gerekir.

Heat Shields ve Yalıtım

Seramik fiber battaniyeler, metalik ısı koruyucuları ve çok katmanlı yalıtım, ısıyı şasilere engellemek için türbin etrafında yer almalıdır.The Storage türbini, doğal veya zorla konveksiyon için hava akışını yönetmek için tasarlanmıştır.Bir dizi hipotez yapılandırmasında, termal bisiklet genişlemeye ve sözleşmeye neden olabilir; bu nedenle, yükseltilme noktaları, ısı geçişi azaltım noktalarının bozulmadan ısı geçişi sağlamak için termal büyüme sağlamalıdır.

Türbin Krems Rejeneratif Soğutma

Daha yüksek enerji çıktıları için (above 50-100 kW), Türbin içindeki iç soğutma pasajları gerekli olabilir.Florenktörden hava değiştirilebilir ve ısı fluxunu azaltan seramik kaplamalarla.Bu yaklaşım metal ısıyı azaltır ancak penalizeler genel çevrim verimliliğini azaltır.

Operasyonel Flexability

Hibrit bir elektrikli araçta, gaz türbini sık sık başlamalı ve durmalı, değişiklikleri yüklemek için hızlı bir şekilde yanıt vermeli ve geniş bir ortam koşullarında sorunsuz bir şekilde çalışır.

Hızlı Startup ve Shutdown

Soğuk bir başlangıçtan itibaren, bir gaz türbini, rotorun ısıtılması ve uygun yağlanmanın sağlanması için kısa bir ısı periyodu gerektirir.Ancak, otomotiv kullanımı için, bu sıcak-up, 30 saniyeden daha az sürede alevlenmeli olmalıdır. Ön ısıtma sırasında, yumuşak-aşağı döngüler, oturma ısısından zarar vermek için hızlı bir şekilde gerekli olabilir.

Takip ve Battery Interaction

Türbin kontrolörü hibrit denetleyici kontrol ile sorunsuz bir şekilde iletişim kurmalıdır. Elektrikli motor değişken taleple çalışırken bataryayı şarj eder ve en verimli güç noktasına kadar rampalarını çalıştırmalıdır.

Altitude ve Ambient Sıcaklık Açıklama

Gaz türbini performansı yüksek yüksek irtifa ve yüksek hava sıcaklığı ile değişir, çünkü hava yoğunluğu azalır. Çevre koşullarına göre hibrit bir araç (örneğin, dağ sürüşü), türbin yeterli gücü korumak için daha büyük bir kompresöre ihtiyacı olabilir veya hibrit sistem bataryadan daha fazla çizim yaparak telafi edebilir.

Elektrikli Drivetrain ile entegrasyon

Gaz türbini, tekerlekleri mekanik olarak sürmez; mekanik olarak elektrik enerjisini traksiyon batarya ve elektrikli motorlara besleyen bir jeneratöre bağlanır.Bu arayüz genel araç mimarisini şekillendirir.

Jeneratör Selection ve Matching

Kalıcı bir mıknatıs senkronizasyonu (PMSG) genellikle yüksek güç yoğunluğu ve verimliliği için seçilir. Aktif redüktifikasyon ve gerilim yönetmeliği, değişken frekanslar AC çıktısını DC'nin yüksek hızlarını işlemek için gereklidir.

Power Electronics ve Enerji Buffer

Jeneratör çıkışı, batarya şarj gerilimi koruyan bir güç dönüştürücü tarafından düzenlenir. dönüştürücü her iki güç akışını da idare etmelidir (genellikle bu tür bir elektrik kaynağına sadece bataryaya gücü beslemese de, küçük bir enerji tamponu olarak değil) büyük bir olasılık için, genel sistem verimliliğini artırmak için de.

Gürültü ve Titreşim

Bir gaz türbininin algılanan avantajlarından biri, yolcu ve yayalara karşı hoşgörüsüz bir şekilde yumuşaklıktır.

Aoustic Attenuation

Inlet sessizliğirs, egzoz mufflers ve bu, ses geçirmez ses telleri otomotiv standartlarına gürültü seviyelerini azaltmak için gereklidir.Affing ses genellikle kompresör bıçaklarından bir viskidir; bıçaklama ve geçiş frekansına bir resonant oda ayarlandığında, bu sayede, geniş çaplı gürültüyü azaltabilir ve geniş hacimli bir kanal gürültüyü kullanabilir.

Titreşim izolasyonu

Yüksek hızlı rotorun kendisi iyi dengelenmiş ve düşük titreşim üretiyor, ancak komposter süreci, yükleme noktalarına ısıtılması için düşük frekanslı baskılar üretebilir.

Emisyonlar ve Sürdürülebilirlik

Modern gaz türbinleri NOx, CO ve yanmış hidrokarbonların çok düşük emisyonlarını keskin yanmayı kullanırken elde edebilir. Ancak, geniş bir otomotiv uygulaması, ultra sağ tarafta NOx için gerekli olan yalın alev stabilitesini korumak için zorlaşır.

Catalytic After-ted

Küçük türbinler için, piston motorlarında kullanılanlara benzer bir kedialitik dönüştürücü, CO ve Hidrokarbon emisyonlarını azaltmak için egzoza yerleştirilir. Ancak, türbinin egzozunda yüksek oksijen içeriği (lean yanma) NOx'i azaltmak için yalın bir NOx tuzağı veya seçici kedialitik azaltımı gerektirir.

Zero-Carbon Potansiyel

Gaz türbininde hidrojen yanması su buharı ve NOx (petrollü azotun termal onarımı) Dikkatli bir kompost tasarımı ile, hidrojen türbinleri, hidrojen gaz türbinlerine uygulanan temel bilgiler sağlar. Örneğin, a hidrojen ekonomisi için özellikle de bir köprü teknolojisi olarak kullanılmaktadır.

Maliyet ve İmalat Maliyet

Otomotiv gaz türbinleri tarihsel olarak kitlesel üretim için çok pahalıydı, büyük ölçüde yüksek sıcaklık süperalloyları ve hassas üretim ihtiyacı nedeniyle. Ancak, katkı üretiminde ilerlemeler, toz metalurji ve otomatik montaj maliyetleri azaltmaktadır.

Sıcak Bölüm Bileşenleri için Katkı İmalatı

Superalloy ve seramik Türbin bileşenlerinin 3D baskısı, malzeme atıklarını azaltan ve sert araçlama maliyeti olmadan tasarıma izin veren karmaşık iç soğutma geometrilerine olanak sağlar.Sallys[DNT])GE Katkısı, gaz türbinleri için katkı sağlamanın kullanımını göstermiştir ve bu teknikler artık daha düşük hacimli otomotiv uygulamaları için ölçeklendirilmektedir.

modüler, Scalable Architecture

Bir türbin modüllerini tasarlayın -50 kW, 100 kW, 150 kW - ortak çekirdekler ve farklı boyutlandırılmış kompresörler platform paylaşımı aracılığıyla per-unit maliyetlerini azaltabilir. Bu yaklaşım, birden çok modelde motor ailelerini nasıl kullandığına benzemektedir.

Future Outlook

Gaz türbinlerinin hibrit elektrikli araçlara entegrasyonu hala araştırma ve gösteri aşamasındadır, ancak birkaç trende ticarileşmeye yönelik bir noktadır. [FONTD:0]KUSE teknik kağıtlar zaten mikro-turbine aralığı genişleticilerin, yüksek frekanslarda daha düşük sistem ağırlığı ve daha küçük paket hacmi elde edebileceği gösterilmiştir.

Nakliyeden CO2'yi azaltmak için yapılan analiz basıncı, özellikle de hidrojen yaygın olarak mevcutsa yatırım hızlandırılabilir. Gaz türbinleri de sürdürülebilir havacılık yakıtları (SAF) veya biyo yakıtlar kullanarak, maliyetle, emisyonlar ve termal yönetimdeki zorluklarla uyum sağlama imkanı sağlar.

Sonuç olarak, bir hibrit elektrikli araç için bir gaz türbini tasarlayın, elektriksel bir sürücüyü dengeleyen, mühendisler bu tür yüksek enerji yoğunluklarını ve yakıt esnekliğini açabilirler.Bir dizi, performans ve düşük emisyonlar ile optimize ederek - özellikle de dünya daha temiz enerjilere doğru hareket eder ve önümüzdeki on yıl boyunca sıkı bir şekilde entegre eder ve bu yaklaşımın yüksek enerji yoğunluk ve yakıt esnekliğini ortaya çıkarabilirler.