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蒸汽涡轮发动机 发布于:

蒸汽涡轮发动机Steam turbine)是一种撷取(将水加热后形成的)蒸汽之动能转换为涡轮转动之动能的机械。

相较于原由詹姆斯·瓦特发明的单级往复式蒸汽机,涡轮蒸汽机大幅改善了热效率,更接近热力学中理想的可逆过程,并能提供更大的功率,至今它几乎完全取代了往复式蒸汽机。涡轮蒸汽机特别适用于火力发电和核能发电,世界上大约80%的电是利用涡轮蒸汽机所产生。

燃气-蒸汽轮机联合循环,是把燃气轮机和蒸气轮机这两种按不同热力循环工作的热机联合在一起的装置,有时也简称为联合循环。为了提高热机的效率,应该尽可能地提高热机中的加热温度和降低排热温度。但蒸汽轮机和燃气轮机的热力循环都不能很好满足上述要求。如把它们结合起来,以燃气轮机的排热来加热蒸汽,就可以同时取得燃气轮机加热温度较高和蒸汽轮机排热温度较低的双重优点。

联合循环的理论基础早已建立。热力学奠基人之一卡诺就提出过联合循环的概念。但是直到20世纪中叶,才开始有实用的联合循环动力装置。发展联合循环的关键是要研制出高温、高性能、大功率的燃气轮机。为了适应石油短缺的形势,在燃气轮机中有效烧煤也是一项关键技术。世界各先进工业国家均已有定型联合循环机组产品。其中功率最大的已超过60万千瓦,最高热效率已高达62.22%以上。它作为热电并供机组使用,燃料利用率可高达80%左右,单机组最长运行时间已超过10万小时。热机的热效率要提高1%都是非常困难的,而联合循环却只要把燃气轮机和蒸汽轮机结合起来就可以大幅度节约能源。

燃气涡轮发动机Gas turbine engineCombustion turbine engine)或称燃气轮机,是属于热机的一种发动机。燃气轮机可以是一个广泛的称呼,基本原理大同小异,包括涡轮喷射发动机等等都包含在内。而一般所指的燃气涡轮发动机,通常是指用于船舶(以军用作战舰艇为主)、车辆(通常是体积庞大可以容纳得下燃气涡轮机的车种,例如坦克、工程车辆等)、发电机组等的。与推进用的涡轮发动机不同之处,在于其涡轮机除了要带动传动轴,传动轴再连上车辆的传动系统、船舶的螺旋桨或发电机等外,还会另外带动压缩机。

微型燃气涡轮也可以称为:

交流涡轮

MicroTurbine(该名称已经被顶石涡轮公司注册商用)

Turbogenerator(该名称已经被霍尼韦尔电力公司注册商用)

微型燃气涡轮本质上是瞄准分散式发电和气电共生用途,也是混和动力车的重点科技之一,商用中从一千瓦到数十数百千瓦功率都有市场潜力。1950年英国路华汽车最早推出一款采用燃气涡轮作为动力的概念车“JET1”,但并未实际量产

成功之处也得利于电子学的变革,包含无人运作和公用电网电脑化、电力切换调度科技可以使得发电来源不必和电网绑死,让发电机可以加入涡轮构造并提供2倍的效能。因为微型燃气涡轮发动机有许多优点超越传统往复式发动机,可以产生更高能量密度效率(与重量和尺寸相关),极低的热辐射和极少的移动部件使其容易维修,还可以省下空调所需的润滑油和冷媒。通常涡轮也能更有效降低废热消耗,同时也能省下冷却系统的耗能。但是,活塞发动机发电机对需电量变化的反应比较快,而且活塞发动机通常比较有效率──虽然说微型燃气涡轮发动机的效率正在增加。相较于活塞发动机,微型燃气涡轮发动机的效率在低输出状态时下降更多。

微型燃气涡轮发动机接受多种燃料,例如汽油、天然气、丙烷、柴油、煤油,也可以利用可再生燃料,例如E85酒精汽油、生物柴油及生物气体。另外一大好处是可以用氢为动力燃料,就像热门的燃料电池,可以从水中分离的氢作为来源。但是缺点是易燃,使得这种便携式装置未来可能不能带上飞机或其他敏感场所。

微型燃涡机使用单段式压缩机设计,但是单段式涡轮机件比较难生产因为必须承受高温高压下运作。废热可以用来提供热水、暖气、干燥用途或吸收式冷却法(吸收式冷却是不利用电能而是热能提供冷气的方法)。

典型的燃涡机效率约25%到35%。但是连上废热发电系统(气电共生)系统时,可以提升到80%。

麻省理工学院1990年代中期开始毫米尺寸燃涡机研发专案由航太教授Alan H. Epstein带领开始研拟个人用的燃涡机可以达成所有现代电力需求,就像一些小型都市用的大型发电用燃涡机一样。 Epstein教授说商用可充电锂离子电池只约有120-150 Wh/kg能量比,麻省理工学院的毫米尺寸燃涡机已经可以达成500-700 Wh/kg能量,也有极大希望在不久的将来达成1200-1500 Wh/kg。

澳洲发明家开始研究这种微电机系统科技(MEMS)为便携式装置供电的可能性,这种系统使用氢或丁烷为燃料以达到超高速的2百万RPM转速。这种燃气涡轮发动机的制造采用芯片产业的科技,而且大多以硅为原料。这种燃气涡轮发动机可以接上发电机来提供电力。2010年Jaguar推出 C-X75 Concept概念车,该车使用两部微型燃气涡轮取代引擎来给电动车充电,成为一种新型油电混合车,而且由于燃气涡轮的原理别于传统引擎,造成能使用柴油、天然气、液化石油气、生质柴油等多种燃料于同一部车上。


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