газотурбинные грузовики Wrightspeed

 

http://www.ktmagazine.ru/extra/187-010a.html

ГАЗОВАЯ ТУРБИНА ВОЗВРАЩАЕТСЯ?

Шестьдесят пять лет назад в США началась опытная эксплуатация седельного тягача Kenworth 500-серии. Особенностью его комплектации был газотурбинный двигатель, а испытания проходили в рамках совместного проекта Kenworth Trucks и Boeing. Мотор развивал 175 л.с., но весил всего 90 кг! Автопоезд сделал несколько коммерческих рейсов между Сиэтлом и Лос-Анджелесом (≈1850 км), но, увы, среди прочих замечаний расход топлива на трассе достигал... 240 л/100 км.

В сентябре 2015 года на дороги США вышли первые турбоэлектрические грузовики с моторами компании «Wrightspeed Powertrains» Иана Райта (Ian Wright), сооснователя Tesla Motors. По сравнению с дизельными машинами такой же массы здесь экономия топлива составляет более 60%, а уровень вредных выбросов намного ниже самых строгих стандартов, включая калифорнийский. Грузовики находятся в опытной эксплуатации, а массовое производство энергоустановок нового типа ожидается в ближайшее время.

Алексей Самойлов 

 

Для понимания сути идеи обрисую общую ситуацию. Сегодня можно выделить четыре типа силовых установок для автомобильного транспорта:

1. С использованием двигателей внутреннего сгорания, работающих на бензине, дизеле, газомоторном топливе и иных, включая всю экзотику: этанол, биодизель и так далее.

2. Электрические силовые установки (электромобили, электробусы). О плюсах и минусах, равно как и перспективах, готов сказать много, но не в этот раз. Сегодня – гибридные силовые установки (ГСУ). И здесь надо различать:

Иан Райт (Ian Wright), директор и основатель компании «Wrightspeed»: «В ближайшие годы мы можем заменить 2,2 миллиона газовых двигателей гибридными установками»

3. ГСУ с параллельными потоками мощности. Первый – от ДВС, второй – от электромотора. Здесь силовая линия практически не отличается от используемой в варианте ДВС, а модуль электродвигателя является «вставкой» между ним и коробкой (например, решение от Allison Transmission) либо между коробкой и карданом. Экономия топ­лива и снижение вредных выбросов достигаются за счет исключения повышенной подачи топлива в ДВС в момент начала движения или при разгоне. Условно говоря, электромотор просто «подкручивает» карданный вал, когда необходимо увеличение крутящего момента... Минусы понятны: Euro-6 у нас и так есть, а чтобы лишь снизить нагрузку на систему нейтрализации и достичь дополнительной экономии топлива (порядка 3-5%), мы добавляем в машину мотор-генератор, набор преобразователей и батарейки со всеми вытекающими вроде увеличения стоимости приобретения ТС, усложнения и удорожания ТО/ремонта и так далее.

4. ГСУ с последовательными потоками мощности. Утрируя: это электромобиль (электробус), который «возит с собой» всю инфраструктуру, необходимую для заряда бортовых АКБ. Обычно присутствует компактный ДВС (например, на 18-метровом автобусе объема 4,5 л достаточно), который приводит в действие генератор, а тот заряжает аккумуляторы. Они, в свою очередь, питают тяговые двигатели, но те при использовании режима рекуперации могут возвращать энергию батареям... Плюсы, например, дизельного двигателя, работающего на генераторной характеристике, известны давно: можно упростить систему нейтрализации отработавших газов, на несколько лет вперед спрогнозировать расход топлива, график ТО и ремонтов. Допустим и автономный ход только на электроприводе. И теоретически здесь нет сложной зависимости расхода топлива от условий эксплуатации вроде загрузки автомобиля, условий движения либо квалификации водителя...

Да простится автору столь длинное вступление, но оно поясняет, почему «на том берегу реки» вновь повысился интерес к использованию газотурбинных двигателей, причем в нынешний раз уже применительно к ГСУ с последовательными потоками мощности. 

МИКРОТУРБИНА КАК ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ

Газовые турбины известны всем, а увидеть их можно в любом аэропорту. Минусы для автомобилей: высокие обороты выходного вала, высокий расход воздуха и топлива, например, при «взлетном» режиме (читай – в момент разгона). Собственно, по этим причинам они не прижились на автомобильном транспорте. Например, дизель крупнотоннажного грузовика развивает максимум 2500-3000 оборотов в минуту, турбина – порядка 60-90 тысяч, посему размеры и масса редуктора сводят на нет разницу 

в массе и габаритах этих двигателей. Кроме того, самолет после занятия эшелона может несколько тысяч километров лететь с двигателями, работающими в самом экономичном режиме, тем более расход топлива еще больше снижается с учетом его аэродинамики и разреженного воздуха на большой высоте. На дороге такое невозможно.

Микротурбины – это по определению компактные ГТД. Они неплохо прижились в энергетике в составе микротурбогенераторов (далее – МТГ), которые применяются для автономного электроснабжения зданий и сооружений. Более того, в отличие от ДВС, практически все тепло, выделяющееся при сгорании топлива, сосредотачивается в выпускной системе, посему для самого двигателя система охлаждения фактически не нужна, а энергетики научились его использовать в тех же сис­темах горячего водоснабжения, вот почему теоретический КПД МТГ-установок достигает 80% и более.

Шестьдесят пять лет назад в США началась опытная эксплуатация седельного тягача Kenworth 500-серии. Его особенностью был газотурбинный двигатель, а испытания проходили в рамках совместного проекта Kenworth Trucks и Boeing. Капот у грузовика снят для понимания габаритов ГТД (стрелка)

А. Общая компоновка (по данным www.capstone.ru)

МТГ выполнен в виде конструкции с одной движущейся деталью – вращающимся валом, на котором соосно расположены генератор, компрессор и непосредственно турбина. Вал вращается со скоростью до 100 000 мин-1 при номинальной нагрузке и поддерживается воздушными подшипниками, которые не требуют жидкой смазки и периодического обслуживания. Кроме того, в одном небольшом по габаритам блоке размещены компрессор, камера сгорания, рекуператор, непосредственно турбина и постоянные магниты электрогенератора. Последний охлаждается набегающим потоком воздуха, что исключает необходимость в системе охлаждения. В целом установка работает без вибраций и с низким уровнем шума даже без применения специальных экранов. Кстати, по последнему пункту: расчетный уровень шума для МТГ – не более 60 дБ, для турбированного «большого» дизеля коммерческого грузовика – не менее 72-75 дБ. Для справки (Википедия): «60 дБ: умеренно шумно, обычный разговор, норма для контор».

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ГИБРИДНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМИ ПОТОКАМИ МОЩНОСТИ:

1. Микротурбина.
2. Генератор.
3. Инверторы (преобразователи тока и напряжения).
4. Аккумуляторная батарея.
5. Мотор-колеса (предусмотрена подзарядка АКБ в режиме рекуперации).
6. Бортовые потребители электроэнергии.
7. Блок подключения к внешней электросети (допускается зарядка АКБ при длительной стоянке, например, при ночном отстое).

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА МИКРОТУРБИНЫ С ТЕПЛОВОЙ СХЕМОЙ

Б. Особенности для практической эксплуатации

• Простота конструкции. Она понятна из описания, приведенного выше, и приводимых иллюстраций.
• Высокая теоретическая надежность. В отличие от ДВС, где приходится преобразовывать возврат­но-поступательное движение поршня во вращательное коленчатого вала, здесь есть только вращение вала. Также в конструкции нет знакопеременных нагрузок, вибраций, сложной системы газообмена и ее привода (газораспределительного механизма). Посему ресурс микротурбин может достигать 80-90 тысяч часов или порядка 8-9 лет в режиме работы 24х365.

 

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА МИКРОТУРБИНЫ CAPSTONE C30:

1. Входной воздушный патрубок.
2. Генератор с воздушным охлаждением.
3. Выходной патрубок для отработавших газов.
4. Рекуператор (теплообменник).
5. Инжектор.
6. Камера сгорания.
7. Корпус с теплозащитой.
8. Рабочее колесо турбины.
9. Лепестковый подшипник.
10. Колесо компрессора.
11. Вал.

• Пониженные требования к системе смазки. 

В микротурбинах последних поколений, как правило, используются лепестковые газовые подшипники, в теории вообще не требующие наличия смазывающей жидкости: работает несущий газовый (воздушный) слой между неподвижным корпусом и вращающимся валом, причем не требующий специального поддува (нагнетания воздуха в рабочую зону). Правда, проблема в том, что до «всплытия» вала на воздушную подушку (в начальный момент времени) такой подшипник работает в режиме сухого трения. Это решается использованием антифрикционных материалов либо сменных антифрикционных прокладок. Но, во-первых, сохраняются проблемы с подшипниками, работающими в «горячей» зоне турбины (в том числе и у Capstone Turbine Corporation), а во-вторых, считается, что один запуск МТГ равен 18-20 часам ее работы на полной мощности...

• Топливо. Не уходя в тонкости (и на примере Capstone – раз уж начал упоминать), МТГ может работать на высокосернистом топливе с содержанием сероводорода (H2S) до 7%. А значит, подразумеваются:

- газовое: CNG, LNG, LPG и биогаз;

- жидкое: бензин, дизель, керосин, этанол, метанол, бутанол, диметиловый эфир, биодизель – простите, если что-то забыл...

• Уровень вредных выбросов. Для иллюстрации – таблица с комментариями автора. Вместе с тем цифры по Capstone C30 получены на «открытом выхлопе»: без использования любых технологий/систем нейтрализации отработавших газов. Вам напомнить, какие «химзаводы» используются на дизельных моторах, чтобы выполнить требования законодательства?

Вредные выбросы (г/кВт) и экологические стандарты
(только для оценки ситуации)

	Euro-5 (цикл ESC&ELR)	Euro-6 (цикл WHSC)	Микротурбина
Топливо*	не имеет значения		дизельное топливо
NOX	2,0	0,5	0,06
PM	0,02	0,01	0,004
CO	1,5	1,5	1,17
NMCH	0,46	0,13	0,017

 * Экологические стандарты не делают различий, однако опыт показывает, что трудней всего их выполнить на дизельном двигателе. И припоминая нашу публикацию в «КТ» № 7/2015, посвященную газомоторным топливам, и в частности двигателям Scania, следует констатировать, что они тоже превосходят требования Euro-6, но не настолько. К сожалению, данное сравнение весьма условно: «наши» циклы, что WHSC, что WHTC в особенности, можно только очень условно использовать для сравнения требования стандартов и уровня вредных выбросов микротурбины. Ибо «наши» динамические, а МТГ (в примере – с турбиной Capstone C30) работает в стационарном режиме...

Опытный образец грузового автомобиля класса 3/4 (массой 4,5-7,5 т) с микротурбиной Capstone C30 – выпущен в рамках совместного проекта Capstone и Greenkraft

►►►

Компоновка грузового автомобиля класса 3/4 (массой 4,5-7,5 т) с микротурбиной Capstone C30:

1. Микротурбогенератор.
2. Топливный бак – в данном случае газовый баллон для КПГ.
3. Блок аккумуляторных батарей.
4. Мотор-генераторы с инверторами и редукторами – раздельный привод каждого ведущего колеса.

Микротурбогенератор под кабиной грузового автомобиля полной массой до 14,5 т – турбина Capstone C65

НЕ ВСЕ ТАК ПРОСТО

К сожалению, на сегодня опыт эксплуатации МТГ в гибридных установках автомобилей отсутствует: имеются только отдельные случаи опытной эксплуатации. Однако в энергетике такой опыт имеется, и некоторые его аспекты могут представлять интерес для понимания. Например, по отзывам специалистов, использующих МТГ, они нуждаются в достаточно регулярном ТО. Например, каждые 8000 ч должны меняться все фильтры, свечи, термопары, каждые 20 000 ч – форсунки... Вопрос о ресурсе аккумуляторных батарей остается открытым. Необходим осмотр специалистами либо производителя, либо его дилера один или два раза в год. Как вариант надо готовить свои кадры, хотя специалистов по газовым турбинам откуда брать? Да, разумеется, в случае с МТГ распространены сервисные контракты (Capstone Turbine Corp. – 5 или 9 лет), но в коммерческом транспорте, особенно в России, они не пользуются большой популярностью. Теперь о минусах МТГ, вернее – о сомнениях по их практическому применению на автомобилях.

 

Реальный автомобиль с микротурбиной компании «Wrightspeed Powertrans». Опытная партия в 25 ед. уже работает...

• Пыль. Считается, что расход воздуха у газовой турбины минимум в два раза выше, чем у дизеля такой же мощности. Однако МТГ устанавливаются на крышах зданий и сооружений либо на земле, но в специальных закрытых боксах. И их производители не лимитированы компоновочной схемой, посему система очистки воздуха может быть достаточно объемной. Чего не скажешь, например, о развозном грузовике или автобусе, который к тому же движется по пыльным дорогам. Иными словами, нам как минимум вдвое придется сократить интервал замены воздушного фильтра.

• Тепло. Температура отработавших газов после рекуператора (теплообменника) может достигать 300 °С. В энергетике оно используется в системах горячего водоснабжения либо в системах кондиционирования (абсорбционно-холодильные машины). Вероятно, можно допустить нечто похожее для городского автобуса, автомобиля с изотерми¬ческим кузовом (правда, холодильный агрегат должен быть нового, неведомого типа), но уже с трудом – для кабины развозного грузовика. Ибо тепла слишком много. Выбросить в атмосферу 200-250 градусов? А борцы с глобальным потеплением что скажут? 

• Топливо. Микротурбины действительно многотопливные, чего нельзя сказать о топливной системе автомобиля. И если на нем стоят баллоны для КПГ, то солярку в них не залить, как не заправить их сжиженным газом. Если говорить только о жидком топливе, не спровоцируем ли мы наемного водителя всегда заправляться самым дешевым, самого сомнительного качества, а разницу в цене класть в карман? Хорошо ли это для бизнеса?

МИМОЕЗДОМ

ЕЩЕ НЕМНОГО ЭКЗОТИКИ

Концепт-кар Jaguar C-X75 оснащен гибридной силовой установкой с двумя микротурбинами Bladon Jets мощностью по 70 кВт при 80 000 мин-1, причем каждая вместе с реактивным генератором весит по 35 кг. Топливо: бензин, дизель, биотопливо, возможен вариант с газом. МТГ могут работать как последовательно, так и параллельно. Системы смазки и охлаждения отсутствуют. Вес АКБ – 185 кг. Запас автономного хода с режимом рекуперации энергии до 50 км. Четыре мотор-колеса (колесная формула 4х4) весом по 50 кг позволяют обеспечить мощность на колесах до 780 л.с. при моменте в 1600 Н·м. Время разгона до скорости 100 миль/ч (160 км/ч) составляет 5,5 с при максимальной в 320 км/ч. 

• Расход топлива. Если честно – два дня потратил, чтобы найти подтвержденные данные (самый большой секрет?), посему что имеем:

– МТГ с турбиной Capstone C30. Электрическая мощность 30 кВт. Дизельное топливо. Режим работы – номинальная мощность. Удельный расход – 305 г·кВт/ч, часовой расход – 10,5 л/ч. Установка рекомендуется для использования на развозных грузовиках полной массой 4-8 тонн. С одной стороны: дизельный двигатель объемом в 4-5 литров на оборотах холостого хода расходует не менее 2 л в час, хотя транспортная работа не выполня¬ется. Иными словами –достойный результат. С другой стороны. За 10 часовую смену развозной грузовик теоретически израсходует 105 литров топлива. Однако если его пробег за смену составит 200 км (вполне реальные 69 тыс. км в год при КВЛ=0,95), то в более привычных единицах измерения, это соответствует шокирующей цифре в 52,5 л/100 км. Разумеется, речь идет о расходе на номинальной мощности турбины, но планируется использовать ее в составе гибридной силовой установки с последовательными потоками мощности, следовательно – совместно с высокоэффективными накопителями (аккумуляторами). Последние смогут даже обеспечить автономных ход только на электроприводе до 100-150 км (вполне стандартные цифры), значит МТГ можно запускать для их зарядки на 2-4 часа в день. Также можно предусмотреть зарядку накопителей от внешней сети во время ночной стоянки. Однако понятно, что автомобиль должен быть оснащен высокоэффективными накопителями и потребуется достаточно сложная система управления ГСУ. Иначе:

– МТГ с турбиной Capstone C65 HEV. Гибридный автобус ТролЗА-5250 «ЭКОбус», опытная эксплуатация: ГУП «Мосгортранс» 24.12.2010-20.03.2011 г. Топливо – КПГ. Из выводов: «Расход газа автобусом «Тролза-5250» в зимнее время превышает расход автобуса ЛиАЗ-52937 (норма Евро-4) в среднем на 12-18 %».

Здесь необходимо отступление. Еще раз отчет ГУП «Мосгортранс», ибо он весьма интересен (спасибо коллеге Николаю Маркову) и заслуживает более пристального изучения. Например (цитаты). 

1. «По динамическим показателям автобус Тролза-5250 «ЭКОбус» значительно уступает и обычному газовому автобусу, и троллейбусу. При движении в горку напряжение в сети резко падает до 400 В и ниже, скорость движения замедляется до 5 км/час. Автобус с трудом преодолевает подъёмы. На участках с длительным прямолинейным движением без остановок также отмечается падение напряжения и замедление». 

МТГ с турбиной С65 имеет электрическую мощность 65 кВт. Тяговый электродвигатель ТролЗА-5250 «ЭКОбус» – 120 кВт. Последовательная схема ГСУ подразумевает зарядку АКБ и от них питание привода ведущих колес. Недостаточная эффективность накопителей привела к тому, что в процессе подзарядки МТГ пытался еще и обеспечить энергией тяговый двигатель. Не следует исключать и проблемы с системой управления: запоздалый выход турбины на режим полной мощности для заряда бортовых накопителей.

2. «При работе турбины с нагрузкой (при движении) система отопления работает эффективно, а при работе турбины на холостом ходу (при стоянии в пробках, на остановках, в отстое и т.п.) происходит остывание теплоносителя (тосола) и температура воздуха в салоне резко понижается. При этом понижается и температура теплоносителя, подаваемого в газовый редуктор, и возникают перебои в работе турбины...»

Основная задача МТГ – зарядка бортовых накопителей. Тепло выхлопных газов (до 250 °С) можно использовать для отопления салона, но если они (накопители) заряжены, турбина переходит в режим холостого хода или вообще останавливается – ее задача выполнена. В данном случае создателями машины система отопления была построена только за счет использования тепла выхлопных газов. 

В номинальном режиме работы турбины их достаточно, а в остальных случаях? 

Фото с сайта fotobus.msk.ru. Это один из ТролЗА-5250 «ЭКОбус» с турбиной Capstone C65. Выхлопная труба (в левом верхнем углу крыши) внушает уважение, но еще больше – наклейка над задним бампером: «соблюдай дистанцию 60 м»...

• Ресурс микротурбины. Все производители упоминают цифры от 60 до 100 тысяч часов в режиме номинальной мощности. Как второй показатель для расчета ресурса упоминается число запусков, но цифры более 5000 ваш покорный слуга не встречал ни в каких источниках. Иными словами, один запуск эквивалентен 12-20 часам работы микротурбины. Думается, высокоэффективные накопители, обеспечивающие запас автономного хода до 300 км плюс возможность их подзарядки от внешнего источника, решают эту проблему.

★★★

Не хочу завершать на печальной ноте. Иан Райт (Ian Wright), владелец Wrightspeed, в свое время был сооснователем Tesla Motors. Совокупность технических решений и агрессивная маркетинговая политика позволили этой компании из «ниоткуда» в кратчайшие сроки выйти в верхние строки мировых автопроизводителей с шокирующими ценами на выпускаемую технику. Предлагаю запас­тись попкорном и подождать, что скажут акционеры моторостроительных компаний по поводу амбиций господина Райта. И чтобы не забыть: проблема упомянутого в рубрике «Мимоездом» Jaguar C-X75 в том, что при работе турбин на номинальной мощности он уступает многим конкурентам с ДВС по выбросам CO2: у него 150 г/км (en.wikipedia.org), у конкурентов 121-159 г/км. Это к тому, что даже у шедевра за Ј700-900 тысяч с МТГ не все получается...