IHI開發出可替代充電電池和燃料電池的燃氣輪機

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【日經能源環境網】日本IHI公司開發出了可攜帶的小型燃氣輪機發電機系統（圖1）。這一動向或將在以充電電池和燃料電池為主流的小型電源領域引起迴響。

圖1：IHI的小型燃氣輪機發電機系統             （a）為系統整體，（b）為燃氣輪機主體。整個系統的外形尺寸為橫580×縱420×高200mm，重約13kg。不過進一步小型和輕量化已有眉目，有望縮小至縱向250mm左右，重8kg左右。發電效率可達到35％以上。

燃氣輪機主體的外形尺寸約為成年人的手掌大小，直徑約為80mm，長度約為120mm。重量也只有1kg左右。遠遠小於該公司已經投產的飛機引擎和發電設備的燃氣輪機。

設想的用途包括服務機器人的驅動電源、災害救援隊的便攜電源等。雖然充電電池和燃料電池已被應用於上述用途，但是，IHI新事業推進部總工程師磯村浩介稱：「作為電源而言，燃氣輪機的基本性能更加優秀。」一般來說，充電電池單位品質的輸出功率（功率密度）高，但單位品質的能量（能量密度）低（圖2）。相反，燃料電池的能量密度高，但功率密度低。而燃氣輪機在功率密度和能量密度兩方面都十分優秀。  

圖2：功率密度與能量密度             燃氣輪機在功率密度與能量密度俱佳這一點上優於充電電池和燃料電池。根據IHI資料製作。

與同為內燃機的往複式引擎相比，燃氣輪機具有易於小型化的特點。間歇燃燒的往複式引擎體積縮小後，做直線運動的活塞的摩擦產生的損耗會相對增大。IHI的磯村說：「在以固定功率持續運動的發電用途方面，連續燃燒的燃氣輪機更有利於小型化。」

IHI的方針是充分發揮燃氣輪機的這一特性，首先在前面提到的機器人和救災等領域建立業績。並考慮將來向電動汽車（EV）續航距離延長裝置（增程引擎）等市場規模龐大的領域拓展。

採用5軸MC機械化加工葉輪
新開發系統的組成要素除了燃氣輪機之外，還包括冷卻扇、消音器、燃料箱、控制器（發電及燃料供應）、引擎起動電源（鋰離子充電電池）等。發電能力最大為400W。操作性能良好，從起動到額定發電只需30秒左右，從額定發電到完全停止只需150秒左右，時間很短。發電效率可達35％以上。

燃料方面，開發品採用了丙烷氣，不過也可以使用煤油和汽油等液體燃料。磯村說：「考慮到攜帶的方便性，也必須能夠使用液體燃料。」

IHI雖然沒有透露燃氣輪機的詳細內部結構，但基本與飛機引擎等相同，由壓縮機、燃燒室、渦輪排列構成。燃氣輪機的吸氣量為12g/秒，壓縮機為單極離心式，壓縮比為3，燃燒室內的最高溫度為850℃。

位於燃氣輪機軸心的旋轉機構是把壓縮機葉輪和渦輪葉輪焊接在軸的兩端。這些葉輪是使用5軸切削中心機機械加工而成。各部件的直徑如下，壓縮機葉輪18mm，渦輪葉輪19.4mm，軸8mm。

產學合作匯集最尖端技術

對於能否製造出如此之小的燃氣輪機，起初IHI內部擔憂之聲四起。因為整個系統的尺寸縮小後，不僅為確保壓縮機的壓縮比需要大幅增加轉數，而且確保部件之間的隔熱性也非常困難。為了解決這些問題，IHI與許多企業、大學合作，終於實現了小型燃氣輪機發電機系統（表）。  

            

表：此次小型燃氣輪機發電機系統開發使用的大學的技術             包括了各領域的最尖端成果。其中，熱分佈分析技術是由前美國麻省理工學院（MIT）教授艾倫�*艾伯斯坦（Alan Epstein，現任職于美國普惠公司）提出，由MIT副教授佐爾坦�*斯帕剋夫斯基（Zoltan Spakovszky）進行了改進，經改進後，模型可以做更加細緻的分割。曾在東京大學研究所工學系研究科航空宇宙工學專業長島研究室（開發時）工作的副教授寺本進等人在此基礎上，配合此次的燃氣輪機對模型進行了設計。此外開發還得到了眾多企業的協助。

例如，要確保該系統的壓縮比為3，就必須使軸的轉速達到40萬次/分左右。軸的直徑為8mm，那麼軸承的DN（軸直徑與轉數之積）就是320萬，而能夠在這種條件下使用的滾珠軸承和滾子軸承並不存在。於是採用了美國風險企業開發的動壓軸承「箔軸承」（圖3）。  

圖3：箔軸承截面圖             外殼內側有波箔和平箔2個圓筒狀片簧，軸從中穿過。旋轉時以非接觸狀態支援軸。平箔是單純的圓筒，波箔則為波狀。根據IHI資料製作。

另外，如何確保密集的部件之間的隔熱性也是一大問題。因為導熱性是物性值，所以，在縮小系統後，部件之間的間隔越小，隔熱越難。

這個問題通過提高熱分佈分析的精度得到了解決。具體講，就是把整個系統分割成約200個部分，通過根據各部分的形狀和導熱性進行熱分佈分析，以便於發現應改進之處。開發品實際能夠測量溫度的位置只有7～8處，但通過這項分析，根據有限的溫度資訊可以正確預測出各部分的溫度。

IHI今後將徵集該燃氣輪機發電機系統的用戶，與用戶一起為實現實用化進行開發。也將根據用途提高耐久性。IHI稱與開發品性能相近的產品有望于2015年左右達到實用水準。（《日經製造》記者：高野敦）【日經能源環境網】

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似軍用潛力大過救災用多!