文 | 趣史研社

编辑 | 趣史研社

前言

在当今的能源系统中，微型燃气轮机因其在分布式能源系统、增程器、太阳能发电、燃料电池系统以及单一电源等多个能源应用领域中的先进特性，备受青睐。

MGT具备多种独特特点，如强大的燃料适应性、低排放、灵活的结构设计和便捷的维护，使其成为一种备受瞩目的动力机械。

那么MGT的到底有哪些应用呢？它的相关组件都有什么呢？

MGT的发展

自从Holz在上世纪70年代开发出第一台1920 kW的燃气轮机以来，燃气轮机技术变得极具吸引力。

而小型和微型燃气轮机，是专为低功率应用而设计的产品，最早出现在20世纪50年代。

最初，微型燃气轮机被设计为军用汽车发动机和辅助电源装置，前者由于在不同车辆条件下的操作而未能成功，而后者则在1978年艾里逊为爱国者防空系统供电时得到了验证。

20世纪90年代，随着分布式发电的引入和应用，商业市场对微型燃气轮机的需求大幅增加，在2000年左右，以Capstone、AlliedSignal和Elliott等为代表的一批创新型微型燃气轮机产品进入市场。

随着材料技术和加工技术的发展，微型燃气轮机的结构和性能也得到了改善，早期的微型燃气轮机还具备与大型燃气轮机类似的配置，发电机与燃气轮机轴分离，通过变速箱和联轴器连接。

尽管这种连接方式会导致一些效率损失，但允许发电机以较低的转速运行，因为燃气轮机的转速达到数万转/分钟，当高速发电机技术尚不成熟时，这种方法被认为是一种权宜之计。

为了满足气流的压力比和其他要求，离心式压缩机得到了广泛采用，受限于当时的材料技术，微型燃气轮机的涡轮入口温度被限制在800-900 K，效率约为20%。

后来高速发电机的引入使得微型燃气轮机能够直接驱动发电机，联轴器和变速箱被移除以简化系统并提高效率。

由于高速发电机通常与燃气轮机一体化设计，系统的紧凑性得到了极大改善，整体尺寸和重量也减小了。

而在微型燃气轮机中，换热器的应用也具有重要意义，通过回收废热，整体热效率可以提高约5%-10%。

紧凑型换热器使气流在进入换热器前，会经历更短的距离和较小的压力损失，从而减少了流量损失，而且外部放置的换热器在传热性能方面具备更大的潜力，因为其尺寸不受限制。

而气/液润滑轴承作为微型燃气轮机系统中的另一个关键技术，其打破了滚动轴承性能对最大转速的限制，因此可以在高转速下获得优秀的设计性能，从而提高整体效率。

采用气体/液体润滑轴承的微型燃气轮机，往往具有更长的使用寿命和更低的维护频率，有助于降低运行成本。

最新一代的微型燃气轮机受益于高温材料的进步，使得TIT可以提高到900-1200 K，从而热效率大幅提高，约为25%-35%。

常见的结构设计包括背靠背布置的径向流压缩机和涡轮机，以及环形燃烧室的设置，以增强系统的紧凑性。

而多年以来的发展，得以让微型燃气轮机能够得到更好的应用。

MGT的应用

起初，微型燃气轮机主要是为汽车设计的，然而随着分布式能源系统概念的出现，MGT迅速得到了发展。

在适当的尺寸和功率水平下，MGT被进一步用于太阳能发电和燃料电池系统中，这些应用在复杂系统性能中发挥着关键作用。

分布式能源系统是一种基于分布式发电技术，是能源梯级利用概念构建的能源系统，该系统旨在为直接用户提供按需能源供应，以满足各种不同的能源需求。

为了更好地匹配不同能源需求，减少配电损失，千瓦级的小型微型发电装置成为分布式发电系统中的主要发展趋势。

其中，热电联产系统在分布式发电中占据重要地位，这种系统充分利用了靠近用户的优势，将热副产品用于系统内的加热。

该系统由微型燃气轮机、发电机以及冷却或加热设备组成，一个更为复杂的系统可能还包括控制器、热储存单元和辅助锅炉，以满足高峰时段的热需求。

这种系统的设计旨在实现高效能源利用，通过将发电和热能联合供应，以满足不同用途下的能源需求。

在能源的生产和利用过程中，MGT-CHP系统可以显著提高整体能源效率，减少能源浪费，从而为用户提供可靠且经济高效的能源解决方案。

关于微型燃气轮机在分布式能源系统中的应用已经进行了广泛的研究，在2000年，研究引入了MGT和热电联产系统，并强调欧盟对于热电联产系统整体效率要求达到60%以上。

而实际上，基于MGT-CHP的系统可以实现高达90%的整体效率，并对用于住宅开发的微型热电联产系统进行了综述。

通过比较不同能量转换装置的特性，他们指出MGT是适用于住宅、商业和教育建筑的有前途的技术，基于MGT-CHP的系统对购物中心、偏远地区等中小型电力消费者具有显著的适用性。

相较于内燃机，MGT具有更少的运动部件、更好的燃料适应性和更低的排放，此外，MGT易于维护，能够满足严格的环境标准。

与燃料电池、有机朗肯循环系统以及斯特林发动机相比，MGT通常具有更高的功率密度和更高的废气温度，因此成为实现高效热电联产的优秀热源驱动器。

这些研究强调了MGT在分布式能源系统中的多样应用，和其在提高整体能源利用效率方面的潜力，这也让MGT得到了广泛的扩展。

基于上述优势，自从商用微型燃气轮机于1990年代后期进入市场以来，许多集成了MGT的分布式能源系统已经得到开发。

为了提升热电联产系统的性能，研究提出了对系统性能进行评估并检查影响因素的方法。

而基于热力学第一定律和第二定律方法，已被用于评估热电联产系统的性能和影响因素的研究，对MGT-CHP系统的能量和性能进行了详细检查。

以T100型号为例，研究获得了不同系统位置的能量速率、能用率和其他属性，以评估每个组件的能量损失和消耗。

系统入口和出口之间的能量/能动误差表示组件中能量损失和消耗的总和，该研究发现，由于未利用废热，废气可能导致最大能量损失44.03千瓦。

在燃料负荷输入为345.27 kW的情况下，电力产生量为99.15 kW，热能增长为24.46 kW，总的能量消耗为221.66 kW，主要归因于不可逆过程的能动损耗。

高质量化学能与燃烧室中低质量过程热之间的不可逆反应，导致最大能动损失为129.61 kW。

另外研究指出，在燃烧室中发生了70%的热损失，当施加的负载从550%增加到720%时，过量空气系数从100%增加到25%。

同时，由于换热器在低流速下传热效果不佳，MGT-CHP系统在第二定律评估下产生了更大的损耗。

同时在部分负载条件下，系统性能可能会下降，但可以通过增加储能系统来恢复，从而使其在全负载条件下保持适用。

其他研究还表明，加湿循环有助于提升分布式发电系统的灵活性，这些研究进一步展示了MGT在分布式能源系统中的广泛应用，以及如何通过系统设计和优化来提高性能。

那应用如此广泛的微型燃气轮机，是由哪些部件组成的呢？

作为关键组件，压缩机的设计直接影响着微型燃气轮机的适应性和性能，MGT的压缩机系统通常由叶轮、外壳和扩散器等部件组成。

尽管在中型和大型燃气轮机中进气导叶很常见，但在MGT中很少使用。

自从于1953年提出了三维流动理论以来，压缩机等叶轮机械的设计已经日臻成熟，随着计算流体力学技术的出现，数值模拟为压缩机的设计和理论研究提供了极大的便利。

但压缩机的失稳和稳定性问题，一直是压缩机力学分析中的一个重要研究领域，微型燃气轮机上的压缩机设计，与大型燃气轮机相比，主要区别在于其小流量和径向流量。

叶片尖端和根部附近的壁摩擦会改变涡流结构并影响自由流动，特别是由于水垢效应，压缩机与壳体之间的装配误差增大，可以增强尖端泄漏流量的影响。

小流量和泄漏流量会对压缩机的性能产生干扰，尤其是在低雷诺数下，压缩机的性能可能恶化。

为了解决这些问题，研究提出了一系列稳定措施，这包括壁处理和自循环套管等被动装置，由于其良好的工艺可行性，已被用于离心式叶轮的稳定性改进。

而通过耦合优化方法的应用，如最优拉丁超立方体采样、多项式代理模型等，也有助于自循环套管处理的稳定性扩展。

另外，低能流体的萃取和分离同样被认为是改善稳定性的两种关键机制。

除此之外，与压缩机相关的蜗壳、扩散器和进气管等辅助系统也引起了严重关注。

为了解决由这些辅助系统引起的不稳定机制，研究采用了大涡模拟方法等，捕获了由径向压力梯度引起的不稳定流动。

还有一些研究针对不稳定流动的特定问题，如前缘马赫数过大、马赫数过多等进行了深入探讨，提出了相应的解决方案。

而声学在研究离心式压缩机的浪涌现象中也扮演着重要角色，基于声学模型的研究方法被应用于研究声场和流场，对压缩机失速和浪涌的共同影响。

研究表明，离心式压缩机在临界频率以下的不稳定流量，会放大声波并引发浪涌或自激振荡。

但针对微型燃气轮机中的离心式压缩机，稳定性问题是一个复杂而关键的研究领域，这涉及多种机制和解决方案。

通过实验和数值模拟等手段，不断深化对压缩机稳定性问题的理解，为MGT的性能提升和应用提供了重要的指导。

结语

研究对微型燃气轮机进行了全面的回顾，涵盖了商用MGT的发展历程、应用领域、性能特点以及对MGT组件的最新有吸引力的研究成果。

尽管MGT在多个方面表现出色，但其在未来发展中仍然面临一些严峻挑战。

为了进一步提升MGT的性能并拓展其在能源行业的应用，研究人员需要解决一些技术和工程上的难题。

通过不断的创新和改进，MGT有望在未来实现更大的突破，为能源行业带来更多的机遇和发展空间。