简介

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TurboGreen

21世纪应该是一个透平机械发展的令人激动的时期。为了适应能源发展需求的绿色能源时代的未来,全世界都在关注,前景清晰,即使作为能源效率的目的,仍持续有更多的可再生、可持续,和对环境友好的能源需求。这常常归结到降低对地球有限的矿物化石资源依赖性的新能源类型寻找。因而,世界对替代能源的需求将以多种不同类型的绿色能源组合形式的更多应用和显现。

有趣的是,几乎每个用于产生和储存“绿色”电力(除了太阳能光电)的改进设计,新设计和推荐方案的技术都常常会应用到透平机械,对于很多项目,透平机械有助于可再生绿色能源的经济性和环保上可行;因而,能够支持这些绿色能源应用的更合适的透平机械设计需求和机会正在持续出现。

能源时代的改变

随着大规模绿色能源应用推广的努力,伴生着需要对现代文明每个方面进行很多基础性的再思考和工程化再设计。从交通运输到高能效建筑,能源生产、分配和使用的工程化再设计从根本上归结为从可再生和替代能源的热能转换为机械能——也就是涡轮、压缩机或泵的转子转动。

尽管有不间断的研究来进一步减少传统天然气和燃煤电厂的碳排放量,大部分的新一代技术现在发展用于提供碳排放之外的绿色能源。这些新技术依赖于五个基本机械模块,正如电阻器、感应器、电容器、集成电路是电力系统的基本模块;这些机械的“基本模块”就是涡轮、压缩机、泵、热交换器和阀。能源系统的基本模块中有三个是透平机械,而且涡轮可起到阀的作用,且有能量回收作用。新的“TurboGreen”技术定义为将基于可再生能源的功/电转换的更高效的压缩机\\风机\鼓风机\涡轮设计技术。

技术的理想融合

绿色能源技术的持续发展将在很大程度上被各种可再生和可持续发展能源的匹配应用所影响。一个理想的就地分布式热电联产系统可以采用绿色能源热电联产技术同时满足电力和热负荷的双方要求。该电力设施可以尽可能多地应用附近的可再生能源资源,以使对环境的破坏降低到最小,乃至最后成为成本最经济的方式。在太阳能、水力能、潮汐能、风能、生物质能丰富的地区已经可以尽量采用这种模式;在可再生能源缺乏的地区,传统能源的应用仍将增长。

绿色涡轮机技术的挑战

风能、太阳能、水力能、潮汐能、地热能都是低能源密度的资源,它们不能使用传统设计的透平机械,这些透平机械并不是为低能源密度资源设计的,现有的透平机械系统或许已经很大或偏离设计工况运行,能源转换效率低下。明显的技术挑战共性就是需要更多高效率的泵、压缩机和涡轮的设计,以使它们能处理在一个较小系统内的低能源密度流动,并具有较高的经济性。

Concepts NREC无疑是这方面应用技术持续探索的先锋。更有效的新型风力叶片设计,使风场受益于能够从不稳定的不可预测的风速中产生恒定电流。先进技术水力涡轮发电机系统的试验也正进行,无需建水坝,该系统能从流动的水中高效发电,而且适用于不同流域或天气显著变化的各种水流状态。模块化设计的“鱼友”水轮机已完成研发,可用于遍及美国的成千上万的小水坝,发电量可以达到12,000 MWe风力驱动的压缩机能够压缩空气形式储存能量且之后驱动一个空气涡轮进行发电。高效的、洁净燃烧的以可再生生物质气体为燃料的微型燃机,功率范围在10-100kWe左右,系统效率在进一步改善,将来可预期获得与大型装置类似的发电效率。另一种特殊的混合式涡轮发电系统既可用于太阳能集热吸收的高热能,也可以基于传统燃料集热发电。某些绿色能源发电系统需要全新的和高度专业化的透平机械设计,例如一种生物质燃料发电系统使用的是利用藻类吸收二氧化生成的生物质燃料。

需要的先进CAE/CAM 研发平台

为研制各种绿色能源技术应用的高性能透平机械设计和核心部件,需要依赖先进的CAE/ CAM专用软件平台来设计和制造。绿色透平机械的成功通常取决于叶片设计技术的发展和突破,以提高能量密度或使效率最大化。为了迎合优化性能的目标,很多叶轮将利用高性能的复杂曲面和优化的叶片分布,有些流道关键截面比传统设计更窄,这些设计特征均需要高精度五轴数控制造,并需要采用特定的刀具和加工编程策略。

我们现已进入能源时代,它驱动着一个不可预料的绿色透平机械设计方案不断发展的需求——还为透平机械工程师、开发商和制造商提供了独特机会。由先进研发工具支撑的雄伟目标将更容易实现,我们期望大家共同见证这个透平机械设计的黄金时代。