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Technisches
Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich allgemein
auf Mikroturbinen-Energieerzeugungssysteme.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf modulare, verteilte
Energieerzeugungseinheiten.
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Stand der
Technik
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Das United States Electric Power
Research Institute (EPRI), das eine einheitliche Forschungseinrichtung
für elektrische
Haushalts-Energiebetriebe ist, sagt voraus, dass etwa im Jahr 2006
bis zu 40% der gesamten Neuerzeugung durch verteilte Generatoren
geliefert werden könnte.
In vielen Teilen der Welt wird das Fehlen von elektrischer Infrastruktur (Übertragungs-
und Verteilungsleitungen) die Kommerzialisierung von verteilten
Erzeugungstechnologien stark beschleunigen, da zentrale Anlagen
nicht nur mehr Kosten pro Kilowatt, sondern auch teure installierte
Infrastruktur haben müssen,
um das Produkt an den Verbraucher zu liefern.
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Kleine, modulare verteilte Mehrbrennstoff-Mikroturbinen-Erzeugungseinheiten
könnten helfen,
gegenwärtige
nachmittägliche "Verdunkelungen" und "Ausfälle" zu verringern, die
in vielen Teilen der Welt weit verbreitet sind. Ein einfaches Konzept mit
einem einzigen bewegbaren Teil würde
eine Wartung mit wenig technischer Erfahrung und geringen Gesamtkosten
einen weit verteilten Verkauf in diesen Teilen der Welt gestatten,
wo Kapital knapp ist. Zusätzlich
würde bei
der in den Vereinigten Staaten für eine
elektrische Deregulierung und der weltweite Trend in dieser Richtung
Verbrauchern von Elektrizität
nicht nur das Recht geben, die richtige Methode für den elektrischen
Service zu wählen,
sondern auch eine neue kosteneffektive Wahl, aus der sie auswählen können. US-Patent
4,754,607, das auf die Rechtsnachfolgerin der vorliegenden Erfindung übertragen
ist, beschreibt ein Mikroturbinen-Energieerzeugungssystem, das für Cogenerations-Anwendungen
geeignet ist.
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EP
0472294 beschreibt ein System, das eine Gasturbine aufweist,
die mit einem Generator gekoppelt ist. um den thermischen Wirkungsgrad
zu erhöhen
und den spezifischen Brennstoffverbrauch zu senken, wird die Turbine
innerhalb enger Grenzen bei einer konstanten Last unabhängig von
dem externen elektrischen Energiebedarf an das System betrieben.
Dies wird durch die Verwendung einer Batterie erreicht. Unter niedrigen
Anforderungsbedingungen wird überschüssige Energie
(erzeugt durch den Generator) in der Batterie gespeichert. Bei einem Leistungsbedarf über demjenigen,
der von dem Generator erzeugt wird, wird der Fehlbetrag an Energie aus
der Batterie ausgeglichen. Dies hat den Nachteil, daß das Leistungsvermögen der
Gasturbine durch ihren durchschnittlichen Betrieb und nicht durch
ihren maximalen Betrieb diktiert wird.
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Um diese Einheiten trotzdem für die Verbraucher
kommerziell attraktiv zu machen, sind Verbesserungen notwendig in
den Bereichen, wie Erhöhen der
Brennstoffeffizienz, Verringern von Größe und Gewicht und Absenken
von thermischer Signatur, Lärm,
Wartung und Kostennachteilen. Beispielsweise ist es schwierig, einen
guten Brennstoff-Wirkungsgrad und akzeptable Emissionsraten zu erzielen,
insbesondere für
Turbinen, die Einalässe
mit fester Geometrie haben. Höchste
Effizienz der Energieerzeugungseinheit werden durch hohe Druckverhältnisse und
hohe Turbineneinlasstemperaturen erreicht. Diese Verhältnisse
und Temperaturen entstehen während
Volllast und einem Betrieb bei voller Drehzahl, Last und Leerlauf.
Eine feste Geometrie aufweisende Turbinen laufen üblicherweise
bei verminderten Turbineneinlasstemperaturen und Teillast, wodurch
ihr Brennstoff-Wirkungsgrad
gesenkt wird.
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Es besteht ein Bedürfnis, den
Brennstoff-Wirkungsgrad zu verbessern und Emissionsraten für ein Mikroturbinen-Energieerzeugungssystem zu
denken, das eine Turbine mit einer festen Einalssdüsengeometrie
aufweist.
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Das Betreiben der Turbine innerhalb
enger Grenzen, wie in EP-A-0472294, ist nicht das gleiche wie das
Halten des Turbineneinlasses an oder nahe der maximalen Turbineneinlass temperatur,
wie es gemäß der vorliegenden
Erfindung offenbart wird. In dem bekannten Verfahren sind die Turbinenleistung, Drehzahl
und Temperatur konstant, so daß,
wenn sich die Last ändert,
der Akkumulator die Lastdifferenz aufnehmen oder abgeben muss, solange
die Last gefordert wird. Im letzteren Fall werden die Turbinenleistung
und Drehzahl verändert
und nur die Temperatur wird konstant gehalten. Der Akkumulator absorbiert
oder emittiert die Lastdifferenz (zwischen dem Bedarf und der Turbinenleistung)
temporär,
bis die Turbinenleistung auf die geforderte Leistung gebracht ist.
Diese Lösung
hat signifikante Nachteile.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird ein Mikroturbinen-Energieerzeugungssystem geschaffen, das eine
Turbine mit einer festen Einlaßdüse, eine
Energiespeichervorrichtung enthält
und gekennzeichnet ist durch eine Steuerung bzw. Regelung, um die
Turbineneinlasstemperatur an oder nahe der maximalen Turbineneinlasstemperatur
zu halten, wobei die Steuerung bzw. Regelung die Energiespeichervorrichtung
veranlasst, eine Last zeitweise zu speisen, wenn eine Lasterhöhung von
dem System gefordert ist, bis die Turbinenleistung auf die geforderte Last
gebracht ist.
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Vorzugsweise enthält das System ferner einen
elektrischen Generator, der durch Turbinenleistung angetrieben ist;
und die Energiespeichervorrichtung eine Batterie aufweist, wobei
die Steuerung bewirkt, daß elektrische
Energie durch den Generator liefert wird, bis eine Energiebedarf
erhöht
wird, woraufhin die Steuerung zeitweise bewirkt, daß elektrische
Energie durch die Batterie geliefert wird.
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Vorzugsweise bewirkt die Steuerung
ferner, daß die
Batterie zeitweise den gesamten Leistungebedarf liefert, wenn der
Leistungsbedarf erhöht
wird, wodurch die Turbinendrehzahl erhöht wird, während die Batterie die Last
versorgt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird auch ein Verfahren geschaffen zum Regeln eines Mikroturbinen-Energieerzeugungssystems,
wobei das System einen elektrischen Genera tor, eine Turbine einer
festen Einlassdüsengeometrie
und eine externe Speichervorrichtung aufweist, wobei das Verfahren
enthält:
Halten der Einlaßdüse auf einer
konstanten Temperatur, Verwenden des elektrischen Generators, um
die von dem System geforderte Leistung zu erfüllen, bis die geforderte Leitung
erhöht
wird, und gekennzeichnet durch Verwenden der externen Speichervorrichtung,
um die geforderte zeitweise zu erfüllen, wenn die geforderte Leistung
erhöht
wird, bis die Turbinenleistung auf die geforderte Leistung gebracht
ist, wobei die Düseneinlaßtemperatur
auf der konstanten Temperatur ist, während der Leistungsbedarf durch
die externe Speichervorrichtung erfüllt wird.
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In den Zeichnungen:
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1 ist
eine Darstellung von einem Energieerzeugungsystem gemäß der vorliegenden
Erfindung und
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2 ist
eine Darstellung von einem Triebwerkskern für das Energieerzeugungssystem.
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In 1 ist
ein Energieerzeugungssystem 10 gemäß der Erfindung dargestellt.
Das Energieerzeugungssystem 10 enthält einen Verdichter 12,
eine Turbine 14 und einen elektrischen Generator 16.
Der elektrische Generator 16 ist auskragend von dem Verdichter 12.
Der Verdichter 12, die Turbine 14 und der elektrische
Generator 16 können
von einer einzigen Welle 18 gedreht werden. Obwohl der
Verdichter 12, die Turbine 14 und der elektrische
Generator 16 an getrennten Wellen angebracht sein können, vergrößert die
Verwendung von einer gemeinsamen Welle 18 für den Verdichter 12,
die Turbine 14 und den elektrischen Generator die Kompaktheit
und die Sicherheit des Energieerzeugungssystems 10.
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Die Welle 18 kann durch
sich selbst unter Druck setzende Luftlager, wie beispielsweise Folienlager,
gehaltert sein. Wie in 2 gezeigt
ist, wird die Welle 18 durch Gleitfolienlager 76 und 78 und
Schubfolienlager 80 gehaltert. Die Folienlager eliminieren das
Erfordernis für
ein getrenntes Lagerschmiersystem und verringern das Auftreten von
Wartungsarbeiten.
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In den Einlass des Verdichters 12 eintretende
Luft wird verdichtet. Verdichtete Luft, die einen Auslass des Verdichters 12 verlässt, wird
durch kalte Seitenkanäle 20 in
einer kalten Seite von einem Rekuperator 22 umgewälzt. In
dem Rekuperator 22 absorbiert die verdichtete Luft Wärme, was
die Verbrennung verbessert. Die erwärmte, verdichtete Luft, die die
kalte Seite des Rekuperators 22 verlässt, wird einem Brenner 24 zugeführt.
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Dem Brenner 24 wird auch
Brennstoff zugeführt.
Es können
sowohl gasförmige
als auch flüssige Brennstoffe
verwendet werden. Die Wahlmöglichkeiten
des Brennstoffes umfassen Diesel, Riechöl, Abgas, Benzin, Erdöl, Propan,
JP-8, Methan, Erdgas und andere von Menschen gemachte Gase.
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Die Brennstoffströmung wird durch ein Strömungssteuerventil 26 gesteuert.
Der Brennstoff wird durch eine Einspritzdüse 28 in den Brenner 24 eingespritzt.
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Innerhalb des Brenners 24 werden
der Brennstoff und die verdichtete Luft gemischt und durch einen
Zünder 27 in
einer exothermen Reaktion gezündet.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält der Brenner 24 einen
geeigneten Katalysator, der das verdichtete, eine hohe Temperatur
aufweisende Brennstoff/Luft-Gemisch bei den Prozessbedingungen verbrennen
kann. Einige bekannte Katalysatoren, die in dem Brenner 24 verwendbar
sind, umfassen Platin, Palladium und auch einen Metalloxid-Katalysatoren mit
aktiven Nickel- und Kobaltelementen.
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Nach der Verbrennung werden heiße, expandierende
Verbrennungsgase zu einer Einlassdüse 30 der Turbine 14 geleitet.
Die Einlassdüse 30 hat eine
feste Geometrie. Die heißen,
expandierenden Gase, die aus der Verbrennung entstehen, werden durch
die Turbine 14 expandiert, um dadurch Turbinenleistung
zu erzeugen. Die Turbinenleistung treibt ihrerseits den Verdichter 12 und
den elektrischen Generator 16 an.
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Turbinenabgas wird durch heiße Seitenkanäle 32 in
einer heißen
Seite von dem Rekuperator 22 umgewälzt. Innerhalb des Rekuperators
wird Wärme aus
dem Turbinenabgas auf der heißen
Seite auf die verdichtete Luft auf der kalten Seite übertragen.
Auf diese Weise wird ein Teil der Verbrennungswärme zurückgewonnen und verwendet, um
die Temperatur der verdichteten Luft auf dem Weg zum Brenner 24 zu
erhöhen.
Nach Übergabe
eines Teils ihrer Wärme treten
die Verbrennungsprodukte aus dem Rekuperator 22 aus. Es
könnten
auch zusätzliche
Wärmerückgewinnungsstufen
zu dem Energieerzeugungssystem 10 hinzugefügt werden.
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Der Generator 16 kann eine
ringgewickelte, zweipolige, zahnlose (TPTL) bürstenlose Permanentmagnetmaschine
sein, die einen Permanentmagnet-Rotor 34 und Statorwicklungen 36 hat.
Die von der umlaufenden Turbine 14 erzeugte Turbinenleistung
wird verwendet, um den Rotor 34 zu drehen. Der Rotor 34 ist
an der Welle 18 befestigt. Wenn der Rotor 34 durch
die Turbinenleistung gedreht wird, wird in den Statorwicklungen 36 ein
Wechselstrom induziert. Die Drehzahl der Turbine 34 kann
gemäß den externen
Energiebedürfnissen
variiert werden, die dem System 10 gestellt werden. Änderungen
in der Wellendrehzahl erzeugen eine Änderung in der Frequenz des
Wechselstroms (d. h. wilde Frequenzen), der durch den elektrischen
Generator 16 erzeugt wird. Unabhängig von der Frequenz der AC
Leistung, die von dem elektrischen Generator 16 erzeugt
wird, kann die AC Leistung durch einen Gleichrichter 38 in DC
Leistung gleichgerichtet und dann durch einen elektronischen Festkörper-Wechselrichter 40 zerhackt
werden, um AC Leistung mit einer festen Frequenz zu erzeugen. wenn
also weniger Leistung benötigt
wird, kann die Wellendrehzahl und deshalb die Drehzahl der Turbine 14 verringert
werden, ohne die Frequenz der AC Ausgangsleistung zu beeinflussen.
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Wenn der Gleichrichter 38 elektrische
Leistung aus dem Generator 16 zieht, wird eine Last an den
Generator angelegt. Wenn die Menge der entzogenen Energie vergrössert wird,
wird die Last vergrössert.
Wenn die Menge der entzogenen Energie verkleinert wird, wird die
Last verkleinert.
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Weiterhin verkleinert die Senkung
der Wellendrehzahl die Luftströmung,
weil der Verdichter langsamer läuft.
Infolgedessen bleibt die Turbineneinlasstemperatur im wesentlichen konstant
und somit wird ein hoher Wirkungsgrad bei Teillast beibehalten.
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Die Verwendung des Gleichrichters 38 und des
Wechselrichters 40 gestattet eine breite Flexibilität bei der
Bestimmung des elektrischen Nutzungsdienstes, der von dem Energieerzeugungssystem gemäß der Erfindung
geliefert werden soll. Da irgendein Wechselrichter 40 gewählt werden
kann, kann die Frequenz der AC Leistung von dem Verbraucher gewählt werden.
Wenn es eine direkte Verwendung für AC Leistung bei wilden Frequenzen
gibt, können
der Gleichrichter 38 und der Wechselrichter 40 eliminiert
werden.
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Das Energieerzeugungssystem 10 kann auch
eine Batterie 46 enthalten, um zusätzliche Speicher- und Unterstützungsleistung
zu liefern. Der Regler 42 veranlasst die Batterie 46,
eine Last zu versorgen, wenn eine Lasterhöhung angefordert wird. Die Batterie 46 kann
in der Grösse
so bemessen sein, daß sie
den Spitzenlastbedarf an das System 10 handhaben kann.
Wenn sie zusammen mit dem Wechselrichter 40 verwendet wird,
kann die Kombination ununterbrechbare Leistung für Stunden nach einem Generatorausfall
liefern.
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Während
des Betriebs des Energieerzeugungssystems 10 wird Wärme in dem
elektrischen Generator 16 aufgrund von Verlusten in der
Generatorkonstruktion erzeugt. Um die Lebensdauer des elektrischen
Generators 16 zu verlängern
und auch nutzbare Wärme
einzufangen, strömt
Verdichtereinlassluft über
den Generator 16 und absorbiert überschüssige Wärme von dem Generator 16.
Der Gleichrichter 38 und der Wechselrichter 40 können ebenfalls
in der Luftströmung
angeordnet sein. Nachdem die Luft Wärme aus den oben genannten
Quellen absorbiert hat, wird sie in dem Verdichter 12 verdichtet
und in dem Rekuperator 22 weiter vorgewärmt.
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Ein Regler 42 regelt die
Turbinendrehzahl, indem die Brennstoffmenge gesteuert wird, die
zum Brenner 24 strömt.
Der Regler 42 verwendet Sensorsignale, die durch eine Sensorgruppe 44 generiert werden,
um die externen Anforderungen an das Ener gieerzeugungssystem 10 zu
ermitteln. Die Sensorgruppe 44 könnte Sensoren, wie beispielsweise
Stellungssensoren, Turbinendrehzahlsensoren und verschiedene Temperatur-
und Drucksensoren, zum Messen der Betriebstemperaturen und -drucke
in dem System 10 enthalten. Unter Verwendung der vorgenannten
Sensoren steuert der Regler 42 sowohl das Anlaufen als
auch das optimale Leistungsvermögen
während
des stationären
Betriebs. Der Regler 42 kann auch den Zustand des Gleichstromvorrats
in der Batterie 46 ermitteln und Operationen einstellen,
um Zustände
der Nettoladung, des Nettoabflusses und der konstanten Ladung der
Batterie beizubehalten.
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Der Regler 42 verwendet
auch die Drehzahl- und Temperatursignale aus der Sensorgruppe 44, um
die von dem System geforderte Last zu berechnen, wobei der Regler,
erleichtert durch den berechneten Lastbedarf, ermittelt, ob der
Generator 16 die Last speisen sollte oder ob die Batterie 46 die
Last speisen sollte.
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Wenn ein konstanter Energiebedarf
gespeist wird, veranlasst der Regler den Generator 16,
den gesamten Systemlastbedarf zu liefern. Wenn der Lastbedarf vergrössert wird,
veranlasst der Regler 42, daß die Batterie 46 den
gesamten Lastbedarf erfüllt,
aber nur für
eine kurze Zeit. Während
die Batterie 46 die gesamte Last speist, ist der Generator 16 unbelastet,
wodurch die Rotordrehzahl auf einen neuen hohen Wert ansteigt. Sobald
die höhere
Rotordrehzahl erreicht ist, veranlasst der Regler 42, daß der Generator
die gesamte Last speist.
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Das Vershieben der Last zur Batterie 46 gestattet,
daß der
Turbineneinlass 30 an oder nahe der maximalen Temperatur
gehalten wird, wodurch das System 10 bei maximaler Effizienz
arbeitet und die Rate der Emissionen gesenkt wird.
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Der Regler 42 befiehlt dem
Brennstoffströmungs-Steuerventil 26,
die Turbineneinlasstemperatur an oder nahe dm Maximum zu halten.
Zusätzlich steuert
der Regler 42 die Turbinenlast unabhängig von dem elektrischen Lastbedarf
an das System 10, indem die Belastung auf den Generator 16 gesteuert wird.
Wenn die Turbinendrehzahl unter einen Sollwert (der Drehzahl-Sollwert
hängt von
dem Wert des Systemlastbedarfs ab) abfällt, gibt der Regler 42 dem Gleichrichter 38 und
dem Wechselrichter 40 den Befehl, die Belastung auf den
Generator 16 zu senken. Wenn die Turbinendrehzahl über den
Sollwert ansteigt, gibt der Regler 42 dem Gleichrichter 38 und dem
Wechselrichter 40 den Befehl, die Belastung auf den Generator 16 zu
erhöhen.
Wenn der Lastbedarf erhöht
wird, speist die Batterie 46 die Last, wodurch der Generator 16 entlastet
wird und der Rotor 38 seine Drehzahl erhöhen kann.
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Eine Schalter/Startersteuerung 48 kann
ausserhalb vorgesehen sein, um das Energieerzeugungssystem 10 zu
starten. Eine Drehung der Welle 18 kann unter Verwendung
des Generators 16 als ein Motor gestartet werden. Während des
Startens liefert die Schalter/Startersteuerung 48 einen
Erregerstrom an die Statorwicklungen 34 des elektrischen
Generators 16. Startleistung wird durch die Batterie 48 zugeführt. Als
Alternative könnte
eine mit verdichteter Luft arbeitend Vorrichtung verwendet werden,
um die Energieerzeugungseinrichtung im Motorbetrieb anzutreiben.
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In 2 ist
der Triebwerkskern 50 von dem Energieerzeugungssystem 10 gezeigt.
Der Verdichter 12 enthält
ein Laufrad 52 mit einer Bohrung, einer Verdichterspirale 54 und
einem Diffusorkanal 56. In einen Lufteinlass 58 eintretende
Luft wird durch einen Luftfilter 59 gefiltert und zu der
Verdichterspirale 54 geleitet. Aus der Verdichterspirale 54 herausströmende Luft
wird zum Rekuperator 22 geleitet.
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Die Turbine 14 enthält eine
Turbinenspirale 60, mehrere feststehende Düsenschaufeln 62 und ein
bohrungsloses Turbinenrad 54. Heiße expandierende Gase, die
den Brenner 24 verlassen, werden in die Turbinenspirale 60 und
durch die Düsenschaufeln 62 geleitet,
die das heiße
expandierende Gas auf das Turbinenrad 64 umlenken. Turbinenabgas
verlässt die
Turbine 14 durch einen Auslassdiffusor 66, der die
Temperatur und den Lärm
des Turbinenabgases verringert.
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Der Rotor 34 des elektrischen
Generators 16 enthält
Magnete 68, die aus einem Material der Seltenen Erden,
wie beispielsweise Samarium-Kobalt, hergestellt sind. Die Magnete 68 sind
von einer Einschlusshülse 70 umgeben,
die aus einem nichtmagnetischen Material, wie beispielsweise Inkonel 718, hergestellt
ist. Die Statorwicklungen 36 sind in einem Generatorgehäuse 73 untergebracht.
Der Rotor 34 hat eine Bohrung und eine optionale Einschlusshülse (nicht
gezeigt), die mit einer Oberfläche
der Bohrung in Kontakt ist. Stromleiter 72 gehen von den
Statorwicklungen 36 aus und enden in einem Netzverbinderstutzen 74,
der an dem Generatorgehäuse 73 befestigt
ist. Die Basis bildet eine Halterung für einen Brennstoffeinlass,
den Lufteinlass 53, den Verdichter 12, die Turbine 14,
den Generator 16, den Rekuperator 22, den Brenner 24,
den Gleichrichter 38 und den Wechselrichter 40,
damit das System 10 als eine gepackte Einheit bestehen
kann.
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Die einzige Welle 18 ist
in 2 als eine Verbindungswelle 75 gezeigt,
die sich durch die Bohrungen in dem Rotor 34 und dem Laufrad 52 des
Verdichters erstreckt. Die Verbindungswelle 75 ist dünn, sie
hat einen Durchmesser von etwa 0,25 Zoll bis 0,5 Zoll. Die Bohrungen
haben Spielräume,
damit sich die Verbindungswelle 75 durch den Rotor 34 und
das Laufrad 52 erstrecken kann. Die Verbindungswelle 75 erstreckt
sich jedoch nicht durch das Turbinenlaufrad 64. Stattdessen
ist die Verbindungswelle 75 an dem Turbinenrad 64 befestigt.
Die Verbindungswelle 75 kann an der Mitte von der Turbinenradnabe
durch eine Trägheitsschweißung befestigt
sein. Somit ist das Turbinenrad 64 bohrungslos, da es keine
Bohrung hat, durch die die Verbindungswelle 75 hindurchführt. Das
Eliminieren der Bohrung verringert Beanspruchungen in dem Turbinenrad 64.
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Wenn sie durch die Verbindungswelle 75 zusammengeklemmt
sind, rotieren das Verdichterlaufrad 52, das Turbinenrad 64 und
der Rotor 34 als eine einzige Einheit. Unter hohen Betriebstemperaturen und
Drehzahlen haben jedoch das Laufrad, das Turbinenrad 64 und
der Rotor 34 die Tendenz, zu expandieren und auseinander
zu wachsen, und ihre Stirnflächen
haben die Tendenz, Kontakt zu verlieren. Eine Biegung der Verbindungswelle 75 wäh rend des Betriebs
hat ebenfalls die Tendenz, die Stirnflächen zu trennen. Um einen Kontakt
zwischen den Stirnflächen
des Laufrades 52, des Turbinenrades 64 und des
Rotors bei hohen Drehzahlen (80.000 U/Min. und darüber) beizubehalten,
ist die Verbindungswelle 75 vorbelastet. Beispielsweise
kann eine aus Titan hergestellte Verbindungswelle 75 auf
Zug vorbelastet sein bis zu etwa 90% der Streckgrenze. Während der Montage
wird die Verbindungswelle 75 unter Zug angeordnet, das
Laufrad 52 und der Rotor 38 werden über die
Verbindungswelle 75 geschoben und eine Mutter 77 wird
an einem Gewindeende von der Verbindungswelle 75 befestigt.
Der Zug wird beibehalten, wenn die Mutter 77 gedreht wird.
Der Zug ist am höchsten
an den Mittelpunkten von dem Laufrad 52 und dem Rotor 38.
Wenn das Laufrad 52 und der Rotor 38 gedreht werden,
wird den hohen Beanspruchungen in dem äußeren Abschnitt von diesen
Komponenten durch den auf die Verbindungswelle 75 ausgeübte Spannung
entgegengewirkt.
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Die rotierende Einheit 52, 64, 38 und 18 wird in
einer radialen Richtung durch innere und äußere Foliengleitlager 76 und 78 gehaltert.
Die rotierende Einheit 52, 64, 38 und 18 wird
in einer axialen Richtung durch ein Folienschublager 80 gehaltert.
Eine Basis 79 bildet eine Halterung für einen Brennstoffeinlass,
den Lufteinlass 58, den Verdichter 12, die Turbine 14,
den Generator 16, den Rekuperator 22, den Brenner 24,
den Gleichrichter 38 und den Wechselrichter 40,
damit das System 10 als eine gepackte Einheit bestehen
kann.
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Für
den Triebwerkskern 50 sind verschiedene Kühlmittelöffnungen
vorgesehen. So sind Öffnungen 82 und
84 zum Zirkulieren eines Kühlmittels über die
Statorwicklungen 40 vorgesehen. Weiterhin sind Öffnungen 86 und 88 zum
Zirkulieren eines Kühlmittels über die
Lager 76, 78 und 80 vorgesehen.
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Das Energieerzeugungssystem 10 kann
in mehreren Hauptmoduln aufgebaut sein, wie beispielsweise als ein
rotierendes Modul, ein Wärmetauschermodul,
ein Brennermodul und ein Elektronikmodul. Jedes dieser Moduln hat
ein relativ leichtes Gewicht und ist kompakt. Die Moduln können ausgetauscht
werden, ohne dass Flüssigkeitsleitungen
unterbrochen werden müssen.
Die Verwendung von Folienlagern 52 und 54 eliminiert
das Erfordernis für ein
Schmiersystem auf Ölbasis
und hat deshalb wenig Wartung für
das Energieerzeugungssystem 10 zur Folge. Eine planmäßige Wartung
würde primär in dem
Austausch des Zünders 27,
des Filters 59 und von Katalysatorelementen in dem Brenner 24 bestehen.
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Das Energieerzeugungssystem 10 arbeitet in
einem üblichen
Wärmerückgewinnungs-Brayton-Zyklus.
Der Brayton-Zyklus kann bei einem relativ kleinen Druckverhältnis (3,8)
arbeiten, um den Gesamtwirkungsgrad zu maximieren; denn es gilt
in Wärmerückgewinnungs-Zyklen,
je kleiner das Druckverhältnis,
desto enger ist die Turbinenabgastemperatur an der Einlasstemperatur.
Dies gestattet eine Wärmezufuhr
zum Zyklus bei hoher Temperatur und, gemäß dem Gesetz von Carnot, werden
die entropischen Verluste verringert, die mit der Zufuhr von Wärme zu dem
Zyklus verbunden sind. Diese Wärmezufuhr
bei hoher Temperatur hat einen erhöhten Wirkungsgrad des Gesamtzyklus
zur Folge. Luft wird in einem einstufigen Radialverdichter auf 3,8
bar verdichtet. Die verdichtete Luft kann zum Rekuperator 22 geleitet
werden, wo die Temperatur der verdichteten Luft unter Verwendung
der Abwärme
von dem Turbinenabgas erhöht
wird. Die Temperatur des Abgases aus der Temperatur ist auf etwa
704,4°C (1300°F) begrenzt,
um zu helfen, dass die Lebensdauer des Rekuperators 22 verlängert wird.
Für Abgastemperaturen über 704,4°C (1300°F) kann der Rekuperator 22 aus
Superlegierurngen anstatt aus rostfreiem Stahl hergestellt werden.
Der Rekuperator 22 kann für einen Wirkungsgrad von etwa
85% oder 90% ausgelegt sein, was von den ökonomischen Notwendigkeiten
des Kunden abhängt.
In der effizientesten Konfiguration und unter Verwendung der 90%
Rekuperation beträgt
der resultierende Gesamtwirkungsgrad des Zyklus 30%, wodurch eine
hohe Heizwert-Erwärmungsrate
von etwa 11.900 BTU/kWh für
Diesel erzielt wird.
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Nachdem sie in dem Rekuperator 22 erwärmt worden
ist, wird die verdichtete Luft zum Brenner 24 geleitet,
wo zusätzliche
Wärme zugeführt wird, um
die Temperatur der verdichteten Luft auf 898,9°C (1650°F) zu erhöhen. Ein nach einer üblichen
Konstruktion ausgelegter Brenner 24 kann einen NOx Wert von we niger als 25 PPM erzielen, und
ein Brenner 24, der einen Katalysator verwendet kann eine NOx Rate erzielen, die praktisch nicht mehr
feststellbar ist (übliche
NOx Sensoren sind auf einen 2 bis 3 PPM
Erfassungsbereich begrenzt). Das eine hohe Enthalpie aufweisende
Gas wird dann durch die Turbine 14 expandiert. Der Verdichter 12,
die Turbine 14, der Generator 16 und die einzige
Welle 18 – das
einzige sich bewegende Teil in dem Triebwerkskern 50 – rotiert
bei hohen Drehzahlen von etwa 80.000 U/Min. oder mehr. Die entstehende
hohe Frequenz von etwa 1200 Hertz wird mit dem Wechselrichter 38 auf Netz-kompatible 50 oder 60 Perioden
gesenkt. Es entsteht eine hohe Leistungsdichte, die durch ein geringes
Gewicht (etwa ein Drittel der Größe von einem vergleichbaren
Diesel-Generator) und eine kleine Grundfläche (beispielsweise etwa 90
cm × 150
cm bei einer Höhe
von 180 cm) typisiert ist.
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Die hohe Leistungsdichte und das
geringe Gewicht der Technologie wird möglich gemacht durch die Hochgeschwindigkeitskomponenten,
die große
Energiemengen bei Verwendung von einem Minimum an Material gestatten.
Die Einheit ist vollständig
in sich selbst geschlossen in einem wettersicheren Mantel. Das Energieerzeugungssystem 10 ist in
der "plug and play" Technologie ausgeführt und
erfordert wenig mehr als eine Zufuhr von sauberem Brennstoff, Flüssigkeit
oder Gas.
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Somit wurde ein höchst effizientes Energieerzeugungssystem 10 offenbart.
Obwohl die Turbine 14 von Natur aus eine instabile Turbine 14 ist,
arbeitet sie in einem stabilden System 10. Die Turbine 14 kann
bei oder nahe maximaler Einlasstemperatur betrieben werden, trotzdem
gibt es keinen Strömungsabriss
(Stall), wenn eine Bedarfssteigerung erfüllt wird. Da die Turbine bei
maximaler Einlasstemperatur betrieben wird, wird der thermische
Wirkungsgrad des Systems maximiert und Emissionen werden reduziert.
Wenn eine Bedarfssteigerung durch die Energiespeichervorrichtung
erfüllt
wird, kann die elektrische Leistungsabgabe des Generators gesenkt
werden. Somit wird die Turbinenlast unabhängig von dem Systemlastbedarf
gesteuert.
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Das Mikroturbinen-Energieerzeugungssystem 10 kann
viele Brennstoffe verwenden, einschließlich Erdgas, Diesel und JP-8.
Das Energieerzeugungssystem 10 hat eine kleine thermische
Signatur und eine minimale Lärmerzeugung.
Die Verwendung von Luftlagern eliminiert das Erfordernis für ein Schmiersystem
auf Ölbasis.
Das elektrische Energieerzeugungssystem 10 hat eine hohe
Betriebssicherheit und minimale Service-Anforderungen aufgrund der
Konstruktion mit einem einzigen sich bewegenden Teil. Die Verwendung
von einem elektronischen Festkörper-Wechselrichter
gestattet, dass das System 10 eine variable AC Ausgangsleistung
liefert. Die Installation ist einfach aufgrund einer modularen und
in sich geschlossenen Konstruktion, und der Service ist einfach,
weil das System 10 ein einziges bewegtes Teil und Hauptteile
hat, die einfach zugänglich
sind. Die Breite, Länge
und Höhe
von dem Triebwerkskern 50 kann eingestellt werden, um in
eine breite Vielfalt von Abmessungserfordernissen zu passen.
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Das Energieerzeugungssystem 10 ist
kleiner, leichter, ist Brennstoff-effizienter und hat weniger thermische
Signatur, Lärm,
Wartung und Kostennachteile als vergleichbare Triebwerke mit Innenverbrennung.
Aufgrund seiner niedrigen ersten Anfangskosten, der geringen Installationskosten,
des hohen Wirkungsgrades, der hohen Betriebssicherheit und der einfachen
billigen Wartung sorgt deshalb das elektrische Energieerzeugungssystem 10 für geringere
Betriebs- und Festkosten als Energieerzeugungstechnologien vergleichbarer
Größe.
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Es gibt viele und diverse mögliche Anwendungen
für das
Energieerzeugungssystem 10. Die Anwendungsmöglichkeiten
umfassen eine Verwendung in netzlosen Anwendungen zur alleinstehenden Energieerzeugung,
Netzanwendungen zum Spitzenausgleich, Lastfolge- oder Basislastservice,
Notunterstützung
und nicht unterbrechbare Energieversorgung, Arbeitsmaschinenanwendungen
(z. B. Pumpe, Klimaanlage) und Automobil-Hybridfahrzeuge.
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Die Erfindung ist nicht auf die oben
offenbarten speziellen Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Beispielsweise könnte
ein Schwungrad als eine Energiespeichervorrichtung anstelle der Batterie 46 verwendet
werden. Wenn spitzenleistung gefordert wird, gestattet das Trägheitsmoment
von dem Schwungrad, daß zusätzliche
Energie geliefert und eine zusätzliche
Last an dem elektrischen Generator 16 angeordnet wird,
ohne daß die
Turbine 16 blockiert. Deshalb ist die vorliegende Erfindung
gemäß den Ansprüchen ausgelegt,
die folgen.