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科学家VC丨微型陶瓷燃气轮机,从“卡脖子”到新动力


访谈手记

一国战略核心技术的发展注定是与历史进程紧密连接在一起的。作为世界公认最难造的机械设备,长期以来,高性能燃气轮机及其关键零部件与材料的精密成形制备技术仍掌握在美国、俄罗斯、英国、德国等几个少数国家手里。


作为中国车用微型燃气叶轮机械引进、制造与研发的技术带头人,黄若教授亲历了该项技术在改革开放以来国际国内形势风云变幻中的发展历程,并在“双碳”战略与能源结构调整的今天,为其国际合作研发的微型陶瓷燃气轮机寻找到了新的应用场景:作为直接发电设备,覆盖所有车辆电动化需求,可适用各种燃料,解决电动车补能焦虑。


黄若教授



项目导览

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项目名称:

微型陶瓷燃气轮机及高性能陶瓷复合材料

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发明人及团队

黄若,北京理工大学教授、萍乡市慧成精密机电有限公司董事长兼任萍乡北理工高新技术研究院院长,国务院特殊津贴专家,国家“万人计划”领军人才。作为第一发明人有50多项专利技术,拥有国际一流的技术团队,包括中俄博士16名,与俄罗斯燃气轮机、材料领域的院士、专家常年密切合作。

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融资情况

目前第一轮融资启动中试线建设,共需求资金1.2亿(投资6000万+政府配套6000万)。

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核心竞争力

研发了全陶瓷、全新隧道轮结构微型燃气轮机,颠覆当今世界“叶片式、高温合金涡轮燃气轮机”技术,重量轻、发电效率高,产业链短,可在没有产业基础地区高速发展;以3DP(三维打印)与PIM(粉末注射成形)技术制造高性能、高精度陶瓷复合材料零部件,实现增材制造工艺突破。

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市场前景

可为航空航天、车辆、舰船、移动与分布式能源提供高性能、高性价比的陶瓷零部件和微型燃气轮机,市场规模庞大。项目团队拥有特种资质和渠道,可实现产品快速推广。随着“双碳”战略布局,其需求将持续快速增长,预计2030年在我国各领域市场占领规模将达到1700亿。



燃气轮机:动力机械装置的三次迭代

从民用的汽车火车飞机,到军用的坦克舰船飞行器,实现长距离的移动都离不开动力机械装置。


一百多年前的第一次工业革命,冒着白气、隆隆作响的蒸汽机把人类拉入了第一代动力装置时代,蒸汽机可以使用木头、煤、石油、天然气等作为燃料,将热能转换成动能,首次实现了“机器代替人力”。


由于效率低、体积大等缺点,伴随着第二代动力装置活塞式内燃机的成熟,蒸汽机逐步被淘汰。以汽油机、柴油机为代表的往复活塞式发动机功率大、油耗低、启动快,得到了更广泛的使用,时至今日也是重要的动力机械。

旋转叶轮式燃气轮机是动力机械装置更新的第三代产品,以燃料燃烧产生的燃气直接推动涡轮做功输出轴功率或喷出高速燃气获得推力。往前追溯,宋代人发明的“走马灯”就是涡轮机的雏形,但其真正成熟则是到了1939年瑞士BBC公司制成了世界上第一台发电用燃气轮机,同年,德国Heinkel工厂设计的第一台燃气涡轮喷气发动机装机试飞成功。

上世纪60年代后,燃气轮机开始被应用于舰船、坦克、分布式能源等领域,特别是于航空领域的重要性,被谓为“国之重器”。我国车用燃气轮机在1950年代的起步并不晚,不过“文革”时期遭到中断。1980年代初尽管未能启动主动力研发,但由国家有关部门牵头从德国、英国引进了涡轮增压器及涡轮与压气机叶轮设计制造技术,黄若教授参与了其引进、消化、吸收和发展的全过程。



微型陶瓷燃气轮机:从“卡脖子”到电动化

黄若投身叶轮机械与涡轮增压技术研究、粉末冶金先进制造产业化工作多年,曾在国有大型企业担任总工程师,实现了我国微型叶轮机械——涡轮增压器领域多项零的突破。


作为车辆主动力的微型燃气轮机技术属于不能引进的关键技术,在国际国内形势的风云变幻中,黄若教授接续他的老师等前一辈专家们,亲历了该项技术在改革开放后的两起两落。


这一次,是业内第四次、他的第二次发起,并在前人探索道路上更进一步创新,颠覆了当今“叶片式、高温合金涡轮燃气轮机”技术,发明了“全陶瓷、全新隧道轮结构的微型燃气轮机”,以下简称“微型陶瓷燃气轮机”。



相较于汽油机和柴油机的单一燃料,微型陶瓷燃气轮机可燃用汽柴油、天然气、甲醇、乙醇、氢气、生物质气等多种燃料,燃气与燃油很容易实现燃料转换,因此可快速实现各种机械装置的替换。


全燃料覆盖的同时,微型陶瓷燃气轮机大大提高了涡轮进口温度,实现功率升级。一般来说,目前地面燃气轮机的涡轮进口温度在900-1300℃左右,如其涡轮、燃烧室、回热器等高温合金零部件替换为陶瓷复合材料,涡轮进口温度最高可达1700-2000℃,燃气轮机热效率可由30%左右提高到50%以上。


在“双碳”战略与能源结构调整的今天,要对传统汽油机和柴油机做电动化改造存在难以解决的问题。以汽车碳排放占比最高的重型卡车为例,现有柴油机发动机功率不足、电动化难以维持长途使用,只能扩充体积来增大功率。


而替换为微型陶瓷燃气轮机后,与高速电机集成为一体的高功率密度微型陶瓷涡轮发电机,可使重型卡车与豪华大巴等实现最优化技术路径的纯电驱动或“燃油发电+电驱动”混合动力方式。




微型陶瓷燃气轮机便在车辆电动化发展大趋势的今天解决了这一难题,开辟了新的应用场景。


当前,车辆电动化有多种路径可选择,如氢燃料电池、锂离子动力电池等,但燃料电池和动力电池都面临低温环境下能量衰减快、加氢或充电设施不便捷等问题,尤其锂离子动力电池还存在废物处理与安全问题。


微型陶瓷燃气轮机相较于其他电动化路线,具有能量密度高、安全性好、寿命长、可靠性高等优势。更重要的是,无需对原型工作机械进行重大改造,直接替换动力装置即可提高整机效率与功能。


微型陶瓷燃气轮机可覆盖通用航空飞行器、无人机、车辆、舰船、移动与应急分布式能源等各行业发电机的需求,与低碳、碳中性清洁燃料配合,协助这些行业提前实现双碳战略。



材料结构双创新 打破发展瓶颈

这一跨越式进程的实现主要依靠在材料和结构的双创新,以及精密成形制备技术的配合。常常出现在我们的餐桌和装饰品中的瓷,是一种绝佳的材料重量只有金属材料的1/3,并且不存在资源短缺的问题,将大幅降低成本,装备也更加轻便。


然而,陶瓷的高脆性使得其一直未能在机械制造中大范围使用。传统燃气轮机制造也一直在研发“陶瓷+纤维”的增韧技术,用以克服陶瓷的高脆性,但因技术、成本等众多原因始终未能广泛应用。


黄若教授团队从结构出发,利用空气动力学原理,以流线隧道轮结构替代传统叶片式结构,解决了这一难题。



在一定的外部环境和受力下,气体在叶轮内流动会形成一定的“气体流动轨迹曲线”,而“流线隧道轮”设计使得各方向受力更均衡,将“气体流线孔”尽可能趋近理想的“气体流动轨迹曲线”,以提高气体流动性能,进而提高整机性能。


经过材料和结构创新的陶瓷燃气轮机,涡轮进口温度提高,体积与重量减小,转速更高,集成高速电机后的微型陶瓷燃气涡轮发电机,功率密度可提高3倍以上。


在核心技术完备条件下,团队运用3DP(三维打印)和PIM(粉末注射成形)技术,克服了陶瓷产品制造过程中的烧结收缩变形和表面粗糙问题。3DP与PIM技术相结合,大幅降低了成本,缩短了制造周期,将在全球率先实现高性能陶瓷零部件的规模生产。


两条路径并行 实现各领域动力升级

工业制造行业的颠覆性创新技术在产业化方面是件很不容易的事情,上下游产业都有完整的配套和精密的衔接,一个技术变更影响的可能就是一整条生产线,黄若教授对此有清楚的认知和路径规划。


“我们既有微型陶瓷燃气轮机整机制造能力,也可以对已有零部件做结构与材料的优化改进。”黄若教授说道,“我们可以先从简单的做起,比如固定件;再做复杂的,比如运动件;先从最急需的领域开始,再向大市场领域渗透,这样会降低项目的风险。”


两条路径结合的策略是和市场需求分不开的。


微型陶瓷燃气轮机作为直接发电、输出电力的设备,在如今氢燃料电池技术和产业化道路仍任重道远的阶段,作为高能量密度便携式的移动发电机,在航空航天、应急与移动电源、分布式能源以及电动车辆等领域都有急切需求。


“凡是用到动力的都可以应用燃气轮机,目前最为急需领域应该是单人电源、无人机、海陆空辅助动力装置等。今年前段时间郑州水灾导致电力系统瘫痪,现有发电机体积大重量大,应急迟缓,但如果用我们的微型陶瓷燃气涡轮发电机,相同功率发电机体积小、重量轻,可以大幅提高应急能力。同样地,这种发电机可以满足边防、武警、缉毒、医院、通信站等应急需求,解决“卡脖子”问题。”黄若教授助理李群立工程师提到。

相比于集成式整机,零部件更容易做市场替代。



“这种不运动的零部件对我们来说很简单,我们在产业化生产时,不需要原来的产业供应链基础,可以实现快速替代。”黄若说道。当然这主要得益于3DP(三维打印)和PIM(粉末注射成形)制造技术的进步,使得高性能陶瓷复合材料产品生产体系可以快速建立,率先实现高性能陶瓷零部件的大规模生产。


作为行业的领军人物和各项核心专利的拥有者,在黄若教授项目成果对外发布后,前来咨询和洽谈合作的络绎不绝。日前黄教授团队已经接到了来自航空航天、兵器与燃气轮机企业的订单意向。


作为国家战略层面的颠覆性技术,微型陶瓷燃气轮机及高性能陶瓷复合材料的推出将改变动力机械行业的市场结构和产业结构,对国家工业制造业的发展有重大意义,同时也将对我国科技水平和国家安全产生长远影响,由此也引起了政府的高度重视。安徽、江苏、浙江、湖南、宁波、青岛等省市的地方政府纷纷抛出橄榄枝,提供优惠政策和资金配套。


“我们有个300KW的样机在国内,其它样机在莫斯科。金属涡轮微型燃气轮机在俄罗斯、美国等是成熟的技术。对于这块的产业化,我们掌握了相关的核心技术,各种市场也都有开发经验与基础,我们非常有信心、而且势在必行。”黄若坚定地说道。




 
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