ETH官方钱包

前往
大廳
小說

中科院的微型燃氣渦輪資料與自己的推估

FFF葬送團 | 2024-03-09 04:54:36 | 巴幣 5306 | 人氣 517


由於目前在撰寫外轉(主要講解武器系統修改成國產,EX: 沱江後續艦第二批量產)而開始細查中科院的微型燃氣渦輪發電機,雖然沒有查到完整的數據但也能從中旁敲出可能的數據。



初步了解


首先是最簡當就能獲取的「中科院-微渦輪發電機官網

這當中較為有價值的資訊也就只有它的發電功率是200KW、淨發電效率30%,對於大多數不懂發電功率與效率的人(包含之前的本人)來說會將其直接視為該燃氣渦輪的機械功率與熱效率,不過後來為了小說設定而在研究「綜合全電推進系統(IEP)」後從中得知內燃機機械功率>發電機出力(KVA)>發電功率(KW),簡單來說發電機組中內燃機轉速與發電機頭轉速相等並與之直接連接(不用透過減速機造成功率損耗)其機械功率的96%將被轉換為發電機出力,而發電機出力只有80%才會被轉化為有用的發電功率,由此可推敲出中科院這各機組在輸入發電機頭時的機械功率因該是260.42KW,這也就是說這臺燃氣輪機的機械功率至少是206.42KW,結合發電效率30%可以反推其燃氣渦輪在此時的引擎熱效率至少為39%。

不過此時又有個問題,中科院說的200KW發電量是指額定發電量還是連續發電量? 因為在實際發電機組或內燃機系統中會有最大、額定、連續三種是不同的輸出,差異入下表。

發電機組 內燃機
最大(110%功率) X 在此功率下至少可連續運作1小時
額定(100%功率) 在此功率下至少可連續運作12小時 在此功率下至少可連續運作12小時
連續(75%功率) 在此功率可不限時數連續運作 在此功率可不限時數連續運作
PS: 燃氣輪機的連續功率上限通常只有65%

通常在發電機系統中如果僅有一個功率標示那指的就是指連續功率,不過無法確定中科院說的功率是指連續而非額定。



詳細資料


雖說是計算出其機械功率但我能想知道這顆燃氣渦輪的尺寸因此繼續去搜還有無相關文獻,結果還真讓我搜出幾個蠻重要的資料,「國家圖書館-微渦輪發電機轉子動態分析」、「國家圖書館-渦輪發電機轉子構型優化設計研究」、「能源知識庫-1080608知識物件上傳表(微氣渦輪)

從這些文獻中可知這顆燃氣輪機的轉速為23,000~45,000RPM、燃燒溫度1,066K、高壓渦輪傳子直徑約25公分、2.3壓力比的離心壓縮器、理論熱效率22%、功輸出比49%,在怠速時可產生204.34KW的軸輸出功率,不過文中並會特別指出2.3的壓力比究竟是怠速時的還是額定時的,因為以目前多數200KW~500KW的MGT(Micro Gas Turbine,微型燃氣輪機)其壓縮比都至少在3~4以上,並且將已知的資料帶入布雷頓循環公式所求出實際引擎熱效率區間在14.38~9.25%(因為文檔中並未說明壓縮機與渦輪機效率效率只能以通常的75~85%計算,另外2.3的壓力比理論熱效只有21.17%,所以這邊是以21.17%計算),即便是以效率最好的壓縮機與渦輪機的效率(都是85%)帶入其引擎熱效率頂多才提升至14.38%,在串接發電機頭後的淨發電效率也只有10.7%,這數值遠低於官網上大字公布的30%淨發電效率,這就令我在猜想會不會這2.3的壓力比、21.17%的理論熱效率、49%的功輸出比其實是指在怠速下的值,因為就算使用復熱器也很難達到30%淨發電效率所需的40.3%引擎熱效率,並且MGT的引擎熱效率所在的區間因當在15~25%這範圍中。

公式1: 理論熱效率 = 1-1/壓力比^[(熱容比-1)/熱容比]
公式2: 功輸出比 = {1-1/壓力比^[(熱容比-1)/熱容比]}T3/T1 - (壓力比^[(熱容比-1)/熱容比] - 1)
公式3: 壓力比^[(熱容比-1)/熱容比] = T2/T1 = T3/T2
公式4: 實際熱效率 = [T3*理論熱效率*壓縮機效率*渦輪機效率 - T1(壓力比^(0.4/1.4) - 1)] / [T3*壓縮機效率 - T1(壓力比^(0.4/1.4) - 1 + 壓縮機效率)]
備註1: 正常空氣成分中有99%是氮氣與氧氣這種雙分子氣體,而雙分子氣體的熱容比約1.4
備註2: 單級的離心壓縮機或渦輪機的等熵效率都為75~85%

復熱器(回熱器、熱交換器)主要用途是將MGT中通過壓縮器後進入燃燒室前的壓縮空氣預先加熱使其二次加壓,而根據「中華民國燃燒學會-燃燒科技組」與「能源知識庫-Design of Primary Surface Recuperator Used on MicroTurbines」可知一完美的復熱器(等熵效率100%)可使引擎熱效率增加35%,但文中也說以目前科科院所做的復熱器其效率只有60%,也就是只能增加21%的引擎熱效,並且就算以最理想的【壓縮機與渦輪機效率都是85%】的擎熱效率14.38%下去弄也只能提升到35.38%,組成MGT發電機組後的淨發電效率只有26.37%,而這件讓我困惑的事情直到查閱到2019年臺北航太展中的中科院展區簡報後才有了答案。在展場中的簡報中和與會人員的問話中確實了科科院的MGT發電機組有分成兩種,未使用復熱器的與使用復熱器的,兩者的發電功率皆為15%,只在淨發電效率不同而已,未使用復熱器的淨發電效率15%而使用復熱器的淨發電效率為30%,而這也能間接證實【文件中提及的2.3的壓力比、21.17%的理論熱效率、49%的功輸出比其實是在怠速下的數值】這一猜想,那現在就是就是要去計算實際的數值了。


從文件資料可知在怠速23,000RPM時壓縮機能產生2.3的壓力比那在額定的45,000RPM時理論上壓縮機能產生出最多4.5的壓力比,在相同1,066K的燃燒溫度與303.76K的渦輪入口溫度和壓縮機、渦輪機75%~85%的效率下帶入布雷頓循環公式可求出引擎熱效率的可能區間在21.85%~11.35%,而15%的淨發電效率所需約20.7%的引擎熱效率就在該區間內,另外結合燃氣主機怠速時的輸出就處於最大扭力,此時輸出動力約為額定出力的65%~70%,由此反推這顆燃氣主機的額定功力約在291.91KW~314.37KW。因此可知顆顆院的200KW發電量大概率是額定發電量而非連續發電量,因為由前面發電機的敘述可知要產生200KW的發電量需要對發電機頭輸入260.42KW的機械功率,另外在算上兩級減速的能量衰退實際需要至少276.78KW的機械功率。
 
渦輪機尺寸: 長98公分、直徑(本體)50公分/(最大)75公分 額定轉速: 45,000RPM
機械功率: 204KW(23,000RPM)~291KW(45,000RPM)
效率: (引擎)20.7% /  (發電)15%


總結


另外根據中科院在2019年的「微渦輪機關鍵組件產業新契機」將該燃氣輪機技術下放民間後真有實體展出的就2023年1月接受民視專訪的公準精密,而根據事後查閱的資料也是指出這顆公準精密造的燃氣輪機是用中科院設計的,轉速4~5萬轉、機械輸出功率約300KW,這也算是應正與上述自己反推的數據相差不多。

創作回應

呆呆忠實粉絲
該不會哪天中科院也來看這部創作?(模擬跟兵推)
2024-03-09 15:55:20
a2310395
看來未來的渦輪雲豹和渦輪MBT都會把APU當成標準配備了
2024-03-12 15:11:42

相關創作

更多創作