微型涡轮泵驱动程序有很多优势在其他司机(例如,活塞式发动机),包括更高的功率密度,更小的足迹,更轻的重量,更高的可用性,更好的操作,更高的可靠性、更易于维护,更大的燃料灵活性和减少移动部件。老式的应急柴油机驱动程序或电池系统已经使用了几十年关键紧急冷却系统的泵,但有些可能不可靠和不适合现代设施。BETVICTOR体育官网先进microturbine技术可能是一个可靠、重量轻、紧凑等替代紧急泵紧急冷却泵的应用程序。BETVICTOR体育官网
Microturbine基础知识
微型燃气轮机是小型燃气轮机输出功率约为10至700千瓦(千瓦)。微型燃气轮机主要由一个单级径向空气压缩机,一个或多个径向涡轮部分,燃烧室和换热器。他们通常用箔片轴承,也叫空气轴承。在一个典型的microturbine,周期由以下四个过程:
- 在径向进气压缩空气压缩机。
- 空气的预热换热器使用涡轮废气的热量。
- 换热器的热空气与燃料的混合燃烧器和燃烧。
- 汽轮机的热气体膨胀阶段,天然气能源转化成机械能驱动空气压缩机及驱动设备(例如,紧急冷却泵)。
在单轴微型涡轮,涡轮转动一个扩张空气压缩机和驱动设备(泵)。双轴模型使用一个涡轮驱动空气压缩机和第二涡轮驱动的驱动设备。单轴模型下运作而设计,在高速(一些模型超过10000 rpm)。通常直接传动、高速冷却泵。双轴机的动力涡轮机设计可以运行在一个较低的速度匹配的驱动设备的速度。传统的冷却泵可以连接到动力涡轮机通过单级齿轮组(2的功率损耗为4%)。
主要原因有两个微型涡轮没有成功地普通冷却泵的应用程序。首先,微型节能一直低于小型活塞式发动机(往复式发动机)。第二,微型历来是更昂贵的比活塞式发动机的制造。活塞发动机一直在批量生产大量几十年了。但微型更适合应急泵,离岸泵和类似的设备。BETVICTOR体育官网microturbine力量和power-to-footprint比率非常高。Microturbine比活塞式发动机可靠性和可用性。
微型涡轮已经广泛用于辅助系统和机舱冷却系统在飞机上。几十年的经验在这些应用程序提供一个良好的基础工程和制造技术的新兴microturbine模型紧急冷却泵、应急泵,海上应用程序和其他服务。BETVICTOR体育官网
Microturbine组件
微型燃气轮机的转速通常增加物理尺寸的减少。对微型涡轮调理,最优压力比最好的效率通常是大约4倍。涡轮进口温度通常限制在1000 C(在可用涡轮叶片合金)的能力,以避免使用昂贵的材料和特殊的换热器的设计。目前现代大型燃气轮机设计温度范围1400 - 1600 C。
这些成就在大型燃气轮机已经达到的发展和进步叶片和叶片内部冷却技术。涡轮设计的本质(通常径向型)及其在微型小物理尺寸尚未允许内部冷却。
这是陶瓷的主要驱动未来微型燃气轮机的技术开发。目前,有一些开发项目为microturbine陶瓷组件的烧成温度范围1200 - 1400 C(预期的效率在40%左右)。公司将生产陶瓷组件与烧结温度超过1400摄氏度后,1200 - 1400 C组件已被证明在服务。
最常见的microturbine设计单轴布置,由两个高速轴承。因为这个设计只有一个轴移动,它提供了高可靠性和低维修。
对微型换热器
经济上可行的,大多数微型应该余热换热器恢复。未经microturbine换热器,效率很低。换热器的热力学涡轮废气热交换器使用热,通常650 C,压缩空气预热(通常在150 - 200 C)之前,压缩空气进入燃烧室。他们减少压缩空气热量所需的燃料。
设计和制造换热器是困难,因为他们在高压和高温下运行的差异。有效性测量的比实际的热量转移到最大实现热量转移。换热器应具有较高的有效性,通常目标是超过90%。设计一个适当的增加换热器的效率microturbine从低于25%到超过34%。
换热器的合并可能会导致一些压力损失,这减少了压力比涡轮部分可用。microturbine的性能可以通过使用增强换热器与更高的效率和更低的压降。但这种换热器将大型和昂贵的。换热器设计应该平衡的有效优化性能、重量、尺寸、成本和可靠性。
换热器耐久性至关重要。一些换热器出现泄漏,因为微分热膨胀伴随热瞬态。最近的改进换热器的使用可靠性和耐久性造成较高强度的合金和高质量的焊接,以及一个改进工程设计。现代换热器设计本质上有一个大的传热面积与体积比,允许效率高在一个相对紧凑的换热器。这些设计也提供热变形和应力低,使用寿命长。
空气轴承
三种类型的轴承已经使用了微型燃气轮机:
- 传统高速轴承的润滑,主要的形式滚动体轴承
- 箔片轴承(空气轴承)
- 陶瓷轴承
空气轴承已用于微型飞机辅助系统和机舱冷却系统多年。当使用空气轴承,高速microturbine旋翼空气动力学支持上一层薄薄的空气,所以摩擦很低。油系统和冷却系统不需要这个轴承。消除润滑油系统大大提高了安全。空气轴承提供了操作简单,运营成本低,最大可靠性、低维护、低功耗和最大安全。
有一些对空气轴承的长期可靠性的大量和反复的启动和停止,因为下与金属摩擦在启动和关闭。合适的材料,设计和组件应提供这些瞬态情况。可靠性取决于具体设计、材料选择和个人制造商的质量控制方法。空气轴承的可靠性只能证明后一个重要的经验和大量的单位处理长时间操作和许多开关周期。空气轴承制造商的引用应该仔细检查。
案例研究:紧急冷却系统
福岛第一核电站遭受重大损失的地震和随后的海啸袭击日本在2011年3月11日。地震和海啸禁用反应堆冷却系统,导致辐射泄漏,引发了核电站周围30公里的疏散区。
反应堆的紧急柴油引擎,帮助保持反应堆冷却的关键组件的功率损耗,在反应堆涡轮机建筑的地下室。因为技术原因,紧急柴油发动机并不包括在防水建筑或在一个足够高的海拔,保护他们免受洪水或海啸损坏。核电站设计处理海浪高达6米,但产生的海啸浪高达14米。这个残疾人所需的紧急发动机冷却反应堆。柴油引擎失败后,紧急冷却泵系统由电池是为了持续大约八小时。冷却系统的所有权力失去了八小时后,反应堆开始过热。
微型燃气轮机是可靠、紧凑和轻与柴油机驱动程序。他们产生低动态力相比,大摇力由柴油发动机。他们通常关键应急泵系统的优越的选择与活塞发动机。他们可以很容易地纳入一个水密建筑或其他合适的位置以获得最大程度的保护。
液态烃燃料的能量密度是最好的电池技术的约30倍,所以液体燃料microturbine-driven紧急冷却泵可以提供约30倍的操作时间在同一空间的限制。BETVICTOR体育官网这意味着冷却系统设计运营了10天可以有相同的足迹作为电池驱动系统设计为八小时运作。
微型泵BETVICTOR体育官网
小的发展,高速微型微型泵驱动可以在技术允许新的机遇。这些将由厘米大小。由于液态烃燃料能量密度高,微型microturbine技术可以减少15 - 20倍左右当前电池技术尺寸,取代小型设备的电动马达和电池市场。初步设计表明,微型微型涡轮(和微型泵)要求:BETVICTOR体育官网
- 转子外围的速度每秒200到500米
- 旋转组件能够强调约300 500帕斯卡
- 低摩擦,非常小的轴承
- 高维公差
- 热绝缘的热区和冷区紧凑设计
微型微型涡轮将在同一圆周速度为大型燃气轮机。结果是高速轴。高速度意味着高离心压力,因为压力上升与转速的平方。另一方面,材料在微尺度可以比在宏观尺度。没有缺陷,micro-fabricated材料相当强劲。微型微型和小型泵的组件可能会伪造从单晶陶瓷高强度和低密度。BETVICTOR体育官网