Б. Арав , М. Бен Хаим ( Hybrid Energy Sources Center,

«ВОЗМОЖНОСТИПРИМЕНЕНИЯ МИКРОГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ-ГЕНЕРАТОРОВ В ГИБРИДНЫХ МОТОРНО-ТРАНСМИССИОННЫХ УСТАНОВКАХ» Б. Арав, М. Бен Хаим (Hybrid Energy Sources Center, Ariel University,Israel); С. Беседин,М.Яичников (НТЦ «Микротурбинные технологии», г. Санкт- Петербург), В. Бондарь, А. Келлер (НИИ АТТ, ЮУрГу, г. Челябинск)

НТЦ «Микротурбинные технологии», г. Санкт- Петербург создан в 2007г. Направления работ: Разработка и изготовление микротурбинных генераторов (МТГ) и микротурбинных машин для стационарной и мобильной техники. • Hybrid Energy Sources Center (Ariel University) создан в 1996 г. Один из ведущих научных центров по проблеме гибридных энергетических установок в Израиле. Направления работ: Разработка, исследование и внедрение гибридных энергетических установок для стационарной и мобильной техники. • НИИ автотракторной техники (НИИ АТТ) г. Челябинск создан в 1961 г. Направления работ: участие в разработке, модернизации и постановке на производство новых колесно-гусеничных машин.

Цель работы • Оценить целесообразность и перспективность применения микротурбинных генераторов (МТГ) в гибридных энергетических установках автомобилей

Основные требования к автомобилям с гибридными ЭУ (2008-2011 г.г.) • Повышение экономичности (ориентиры до 3-3,5 л на 100 км). • Целесообразность использования альтернативных энергоносителей. • Стоимость владения должна обеспечивать конкурентоспособность гибрида. • Стоимость владения - стоимость 1 км пробега. Это цена приобретения за вычетом цены последующей продажи (через 3-5 лет), эксплуатационные расходы и обязательные платежи, отнесенные к пробегу за срок службы. • Токсичность отработавших газов должна соответствовать нормам.

Концепция гибридных энергетических установок автомобилей на современном этапе (2011-2015 г.г.) • Полное использование метода разделения производства и потребления энергии. • Основным источником энергии является накопитель. • Обязательна ежедневная зарядка накопителя от внешнего источника. • Тепловой двигатель становится вспомогательным источником энергии и обеспечивает подзарядку накопителя до требуемого уровня. • Накопители должны обеспечивать без подзарядки пробег порядка 25-60 км. • Обязательна рекуперация энергии. Основное средство реализации: простая последовательная схема «подключаемый гибрид» (plug-in hybrid electric vehicle - PHEV).

Схема PHEV с мотор-колесами

Схема гибрида на основе МТГ

Сценарий изменения структуры производства автомобилей с различными типами энергетических установок 1-ЭУ с двигателем принудительного воспламенения; 2-ЭУ с дизелями; 3-гибриды с двигателем принудительного воспламенения; 4-гибриды с дизелями; 5- гибриды PHEV с двигателями принудительного воспламенения; 6- гибриды PHEV, с дизелями; 7-электромобили; 8-МТУ с топливными элементами.

Устройство микротурбинного генератора МТГ-100 (электрическая мощность 100 кВт)

Тепловая схема микротурбинного генератора МТГ-100

Возможности и перспективы повышения экономических показателей МТГ совершенствованием рабочего цикла Зависимость КПД от степеней повышения давления и регенерации Зависимость КПД от температуры газа на входе в турбину Средство повышения допустимой температуры газа на входе в турбину - применение металлокерамических материалов и покрытий

Конструктивные решения микротурбинного генератора МТГ-100 • Одногорелочная, двухтопливная камера сгорания. • Два вида топлива: газ или дизельное. • Лепестковые газодинамические опоры. • Высокооборотный (до 100 000 об/мин.) синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов.

Основные преимущества МТГ, обеспечивающие требуемые эксплуатационные свойства и конкурентоспособность автомобилей с гибридными энергетическими установками • Приемлемая экономичность. • Многотопливность. • Моторесурс до 70000 часов, межсервисный интервал до 8000 часов. • Высокие удельные показатели, простота и модульность конструкции, агрегатируемость, отсутствие систем смазки и охлаждения. • Экологическая безопасность (меньшая токсичность отработавших газов по сравнению с ДВС в 8-10 раз ; низкий уровень шума и вибрации). • Низкие эксплуатационные затраты, обеспечение конкурентоспособной стоимости владения автомобилем.

Сравнение характеристик гибридных энергетических установок

Технические характеристики современных МТГ

Примеры МТУ на микротурбинных генераторах Kenworth Грузовой автомобиль полная масса 8-15 т (Capstone C65) Greenkraft Грузовой автомобиль полная масса 4-8 т (Capstone C30) Langford Perfomance Engineering Концепт на базе Ford S-Max “Whisper Eco-Logic” (Capstone C30)

Примеры МТУ на микротурбинных генераторах DesignLine Серийное производство пассажирских автобусов (Capstone C65) JaguarLandRover Концепт (2 МТГ Bladon Jets – SR Drives по 70 кВт каждый) ЭКОбус Рейсовый автобус. 4 шт. работают на маршрутах г.Краснодара. (Capstone C65)

Заключение • Появление новых интеллектуальных модулей на базе IGBT-транзисторов дало толчок с созданию высокоэффективных преобразователей. • Развитие микропроцессорной техники дает возможность создавать гибкие алгоритмы управления МТГ. • Появление новых жаропрочных материалов, покрытий позволило уменьшить массогабаритные показатели турбин, увеличить их КПД. • Новые лепестковые подшипники и антифрикционные покрытия увеличили ресурс турбины, за счет исключения из конструкции трущихся деталей. • Удешевление редкоземельных магнитов с большой коэрцитивной силой, усовершенствование технологии их производства, появление высокопрочных оболочек из композитных материалов, титана и легированных сталей позволило создавать высокоскоростные, эффективные генераторы на постоянных магнитах. • Все эти достижения последних лет позволяют рассматривать МТГ как высокотехнологичную машину нового поколения с возможностями для дальнейшего усовершенствования и широчайшими областями применения.

Б. Арав , М. Бен Хаим ( Hybrid Energy Sources Center,