小型渦輪機發電系統的製作方法

2023-05-31 04:03:06 1

專利名稱：小型渦輪機發電系統的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及小型渦輪機發電系統，特別涉及分模塊式、可配電的發電設備。
美國電力研究院(EPRI)是長期研究國內電能利用的單位，它預測，到2006年高達40％的新發電設備都有配電式發電機。在世界的很多地方，電力基礎設施(傳輸和分配線路)的缺乏將會大大的促進配電式發電技術商品化，這是因為中心電廠不僅每千瓦發電費用較高，而且還必須配置昂貴的基礎設施來將發出的電輸送給用戶。
小的、多種燃料的、分模塊式可配電的小型渦輪機發電設備可以緩解世界上很多地方都存在的電網在下午「電壓降低」和「燈火管制」的狀況。簡單且單獨的運動部件設計概念使得保養維修技術含量低，低的總體成本使其在世界上一些資金缺乏地區有廣泛的市場。此外，根據美國著重於電力分管和世界在這方面的趨勢，電力消費者不僅有權選擇電力服務的合適方法，還可有效選擇新的成本花費方式。已經轉讓給本發明的受讓人的美國專利4754607，公開了一種適用於利用廢熱發電的小型渦輪機發電系統。
為了使這一設備在商業上吸引消費者，必須對它的某些方面加以改進，例如提高燃油效率，減小尺寸和重量，降低熱特性，噪音，維修和成本費用。
本發明可認為是一包括發電機和繞單軸旋轉的渦輪機的小型渦輪機發電系統。燃燒產生的熱膨脹氣體通過渦輪膨脹，這樣，渦輪機產生的渦輪功用以驅動發電機。小型渦輪機發電系統還包括以預加應力聯接渦輪機和發電機的單軸，以便讓發電機與渦輪機的旋轉相協調，從而用渦輪機輸出的機械能發電。
系統的發電非常靈活，發電機輸出的變頻率交流電可整流成直流電。直流電再由轉換器轉化成選定頻率的交流電。


圖1是本發明的發電系統的方框圖；圖2是發電系統的核心發動機的橫剖面圖。
圖1示出了本發明的發電系統10。發電系統10包括壓氣機12，渦輪機14和發電機16。發電機16以懸臂方式裝在壓氣機12上。壓氣機12，渦輪14和發電機16能繞單軸18旋轉。雖然壓氣機2，渦輪14和發電機16可裝在分開的軸上，但是使壓氣機12，渦輪14和發電機16繞單根公共軸18旋轉可提高發電系統10的緊湊性和可靠性。
軸18可由自動加壓空氣軸承支承，如箔片軸承(foil bearing)。如圖2所示，軸18由軸頸箔片軸承76和78及止推箔片軸承80支承。箔片軸承取消了可分式軸承所需的潤滑系統，使維修工作減少。
由壓氣機12的入口進入的空氣被壓縮，由壓氣機12的出口出來的壓縮空氣流過間壁間壁換熱器22的冷卻側的冷流通道20。在間壁換熱器22中，壓縮空氣吸收熱量，這加強了燃燒。由間壁換熱器22的冷卻側出來的熱壓縮空氣供給燃燒室24。
燃料也供給燃燒室24。氣體燃料和液體燃料均可使用。用氣體燃料時，任何合適的氣體燃料均可。可選用的燃料包括柴油，原始氣體燃料(flairgas)，廢氣，汽油，粗汽油，丙烷，JP-8，甲烷，天然氣和其他人造氣體。
燃料的流量由流量控制閥26控制，燃料由噴嘴28注入燃燒室24。
在燃燒室24中，燃料和壓縮空氣混合，並由點火器27點燃進行放熱反應。在優選實施例中，燃燒室24包含有合適的、能使高溫高壓燃料空氣混合物在工作條件下燃燒的催化劑。一些公知的用於燃燒室24中的催化劑包括鉑，鈀以及帶有活性鎳和鈷元素的金屬氧化物催化劑。
燃燒後，燃燒產生的高溫膨脹燃氣導入渦輪14的入口30。入口30具有固定的幾何形狀。燃燒產生的高溫膨脹燃氣在渦輪14中膨脹，從而產生渦輪功。渦輪功依次驅動壓氣機12和發電機16。
渦輪排出氣體流過間壁換熱器22的熱側的熱流通道32。在間壁換熱器22中，熱量由熱側的渦輪排氣傳遞給冷側的壓縮空氣中。這樣，可回收部分燃燒熱量，並用以升高流向燃燒室24的壓縮空氣的溫度。回收了部分熱量後，燃氣排出間壁換熱器22。發電系統10中還可增加額外的熱回收步驟。
發電機16可以是環行纏繞的、兩極無齒(TPTL)無刷永磁鐵電機，它包括永磁鐵轉子34和定子繞組36。旋轉渦輪14產生的渦輪功使得轉子34旋轉。轉子34連接在軸18上，當渦輪功使轉子34旋轉時，定子繞組36感應生成交流電流。渦輪34的轉速可根據系統10上的外部能量需求而改變。變化的渦輪轉速將使發電機16生成的交流電頻率變化(即無控制的頻率)。不管發電機16產生的交流電頻率如何，交流電可由整流器38整流成直流電。然後再由固態電子轉換器40轉化生成固定頻率的交流電。因此，當所需能量減少時，渦輪轉速可降低而不影響交流電輸出頻率。
此外，渦輪轉速降低時由於壓氣機轉速降低、空氣流量減小。因此渦輪入口溫度基本保持不變，這樣在部分載荷時也有高效率。
利用整流器38和轉換器40可使得在確定本發明發電系統所提供的用電眼務時有很大的靈活性。由於任何轉換器40均可選擇，因此交流電的頻率可由消費者選擇。如果直接用頻率無控制的交流電，整流器38和轉換器40也可省去。
發電系統10也可包括蓄電池46，以提供額外儲存的和備用的電能。當電池與轉換器40聯合使用時，能在發電機出故障後提供數小時不間斷的電能。此外，控制器可使電池46在所需負載增加時提供負荷。蓄電池46的大小應能應付系統10所需的峰值載荷。
在發電系統10工作時，由於處於發電機設計的非高效率點，發電機16產生熱量。為了延長發電機16的壽命，也為了收集有用的熱能，壓氣機進口空氣流過發電機16並從發電機16中吸收剩餘的熱量。整流器38和轉換器40也可置於氣流中。空氣從前述熱源中吸熱後，在壓氣機12中壓縮，再於間壁換熱器22中預熱。
控制器42通過控制流入燃燒室24中的燃料量來控制渦輪轉速。控制器42利用傳感器組44產生的傳感信號來確定外界對發電系統10的需求。傳感器組44包括的傳感器如位置傳感器，渦輪轉速傳感器及測量系統10中各種工作溫度和壓力的溫度和壓力傳感器。通過前述傳感器，控制器42控制起動及穩態工作時的最佳性能參數。控制器42還決定電池46中的直流電儲備狀況，調整工作運轉以維持電網供電，電網消耗狀況，並保持電池電量恆定。
開關/起動器控制48可以脫開制動器以起動發電系統10。可以將發電機16用作馬達使壓氣機12開始旋轉。在起動過程中，開關/起動器控制48向發電機16的定子繞組36提供激勵電流。起動功率由電池46提供。在另一選擇方案中，用壓縮空氣裝置起動發電系統10。
圖2所示為發電系統10的「發動機核心」壓氣機12包括有孔的葉輪52，壓氣機渦殼54和擴壓器通道56。進入空氣入口58的空氣由空氣過濾器59過濾，並引入壓氣機渦殼54。流出壓氣機渦殼54的空氣引入間壁換熱器22。
渦輪14包括渦輪渦殼60，多個固定噴嘴葉片62和無孔渦輪64。由燃燒室24出來的熱膨張燃氣進入渦輪渦殼60，再通過噴嘴葉片62將熱膨脹燃氣引入渦輪64。渦輪14排出的燃氣通過排氣擴壓器66離開渦輪14，這樣可降低渦輪排氣溫度和噪音。
發電機16的轉子34包括由稀土材料(如釤，鈷)製成的磁體68。磁體68由非磁性材料(如鉻鎳鐵合金718)製成的包容套筒70包圍。定子繞組36裝在發電機殼體73內。轉子34有孔和選定的與孔表面相接觸的包容套筒(未表示)。導電線72由定子繞組36引出並截止於電導線接線柱74，接線柱固定在基座79上。基座79支承燃料入口，空氣入口58，壓氣機12，渦輪14，發電機16，間壁換熱器22，燃燒室24，整流器38和轉換器40，使得系統10能成為緊湊的組合設備。
如圖2所示，單軸18作為聯接軸75，它從轉子34和壓氣機葉輪52的孔中伸出。聯接軸75很細，直徑近似為0.25英寸到0.5英寸。孔有間隙，能讓聯接軸75從轉子34和葉輪52中伸出。不過，聯接軸75不能從渦輪64中伸出。而是將聯接軸75固定在渦輪64上。聯接軸75可通過惰性氣體焊接(inertiaweld)聯接在渦輪盤的中心。這樣，渦輪64是無孔的，沒有使聯接軸75伸出的孔。沒有孔可以減小渦輪64的應力。
由聯接軸75夾緊聯在一起時，壓氣機葉輪52，渦輪64和轉子34成為單個部件一起旋轉。然而在高的工作溫度和旋轉速度下，葉輪52，渦輪64和轉子34有膨脹和相互分開的趨勢，它們的接觸面趨向於不接觸。聯接軸75在工作時的撓曲也使接觸面趨向於分離。為保持葉輪52，渦輪64和轉子34的接觸面在高轉速(80000轉/分以上)時的相互接觸，對聯接軸75預加載荷。例如，由鉻鎳鐵合金718製成的聯接軸75可加上大約90％屈服強度的預應力。在裝配過程中，對聯接軸75預加載荷，葉輪52和轉子34在聯接軸75上滑動，螺母77固定在聯接軸75的螺紋端。擰入螺母77使得聯接軸75的應力得以維持。
旋轉件52，64，34和75在徑向上由內側和外側的軸頸箔片軸承76和78支承，旋轉件52，64，34和75在軸向上由止推箔片軸承80支承。
發動機核心50有多個冷卻孔，其中孔82和84用以向定子繞組40中流入冷卻劑。孔86和88用以向箔片軸承76，78和80中流入冷卻劑。
發電系統10可以製成幾個主要組件，如旋轉組件，換熱組件，燃燒室組件和電子組件。每一個組件都比較輕和比較緊湊。組件能重裝在一起而不破壞液體管路。使用箔片軸承76，78和80不需要油基潤滑系統，因此發電系統10的維修工作減少。定期維修主要是更換點火器27，過濾器59和燃燒室24中的催化劑觸媒。
發電系統10以傳統的布雷頓回熱循環(Brayton cycle)形式工作。布雷頓循環可在較低的壓力比(例如3.8)下工作而使總體效率最大。因為，在回熱循環中，壓力比越低，渦輪排氣溫度越接近進口溫度。根據卡諾定律，這可使熱量在高溫時加入到工作循環中並減少向工作循環供熱時的熵損。這樣的高溫加熱的結果是增加了整個工作循環的效率。
以下的數值是一個例子。空氣由一級離心壓氣機壓縮到3.8巴。壓縮空氣導入間壁換熱器22，並在間壁換熱器中用渦輪排氣的廢熱提高壓縮空氣的溫度。為了利於延長間壁換熱器22的壽命，渦輪排氣溫度限制為大約1300°F。由於排氣溫度大約為1300°F，可由超級合金代替不鏽鋼製造間壁換熱器22。根據消費者的經濟需要可將間壁換熱器22的效率設計為85％或90％。在最有效的結構中，用90％的回熱效率，整個工作循環網的效率為30％，用柴油產生高熱值時熱耗率大約為11900BTU/kWh。
在間壁換熱器22中加熱後，壓縮空氣被導入燃燒室24，在燃燒室中附加熱使壓縮空氣的溫度增加到1650°F。燃燒室24按傳統設計產生的諾克斯水平低於25ppm。使用催化劑的燃燒室24產生的諾克斯比實際上是不可測的(市場上的諾克斯感受器限制為2-3ppm的探測範圍)。高熱焓的燃氣再通過渦輪14膨脹。葉輪52，渦輪64，轉子34和聯接軸75一發動機核心50中的唯一運動件一作為一個整體元件在大約80000rpm或更高的高轉速下旋轉。結果發電機輸出頻率大約為1200hz，再由轉換器40將頻率減為與電網相適應的50或60周。這樣即可成為典型的輕重量(大約為類似的柴油發電機大小的三分之一)和小尺寸(例如，大約為3英尺×5英尺×6英尺高)的高功率發電機。
通過利用最少的材料傳遞大功率的高速元件，使得大功率輕重量在技術上成為可能。這些元件完全被整裝在防風化的外殼中。發電系統10「插上即可運轉」，只需要略多提供一些清潔燃料，液體或固體。
這裡公開的發電系統10可用多種燃料，包括天然氣，柴油和JP-8。發電系統10熱特性低，產生的噪音小。使用氣體軸承取消了油基軸承所需的潤滑系統。發電系統10由於單獨移動部件的設計，可靠性高和維護要求最少。使用固態電子轉換器可改變系統10的交流電輸出。由於組件設計和整裝設計而裝配更方便，同時由於系統10隻有一個運動部分，主要部件易於接近，因此維修方便。發動機核心50的長，寬和高可以調節，以適應寬範圍變化的尺寸要求。
發電系統10比內燃機更小，更輕，燃油效率更高並具有更低的熱特性，噪音，維護和成本負擔。因此，由於它的低安裝成本、高效率、高可靠性和簡單，維修成本低，與類似大小的發電機相比，發電系統10運行費用和固定成本更低。
發電系統10有各種可能的用途。這些用途包括脫開電網以單獨供電，併入電網以削平峰值，持續負載或基本維護載荷，意外情況備用和不間斷供電，用作原動機(例如泵，空調)和機動複合運載工具。
本發明並不局限於上述的特定實施例。例如，本發明的結構也可沒有發電機16。渦輪功可直接輸出和應用，作為致冷系統的機械驅動。因此，本發明可按照下面的權利要求進行解釋。
權利要求
1.用以發電的小型渦輪機發電系統，包括一個用以將燃氣熱能轉化為機械能的渦輪；一個將渦輪產生的機械能轉化為電能的能量轉換器；一個單軸，它將渦輪和能量轉換器以預應力聯接在一起，使得能量轉換器和渦輪一起旋轉，由此利用渦輪輸出的機械能發電。
2.根據權利要求1所述的小型渦輪機發電系統，還包括一個燃燒室，它通過點燃空氣和燃料的混合物產生燃氣熱能；一個將燃料供給燃燒室的燃料供給部分；一個壓縮進口空氣並將壓縮空氣供給燃燒室的壓氣機；渦輪接受燃燒釋放的熱空氣；上述壓氣機以預應力通過軸使壓氣機和渦輪及能量轉換器結合在一起，使得壓氣機與渦輪一起旋轉，由此利用渦輪輸出的機械能驅動壓氣機。
3.根據權利要求2所述的小型渦輪機發電系統，其特徵在於壓氣機位於渦輪和能量轉換器之間。
4.根據權利要求2所述的小型渦輪機發電系統，還包括用於加熱壓縮空氣混合物、與壓氣機相連的間壁換熱器，該間壁換熱器還包括第一和第二通道，第一通道接受由壓氣機流出的高溫壓縮空氣並將熱端更高溫度的壓縮空氣供給燃燒室，第二通道接受渦輪流出的高溫排氣並使排氣溫度降低。
5.根據權利要求2所述的小型渦輪機發電系統，其特徵在於能量轉換器包括一發電機，該發電機由渦輪發出的機械功驅動，並在渦輪驅動時產生交流電。
6.根據權利要求5所述的小型渦輪機發電系統，其特徵在於能量轉換器還包括與發電機耦合的整流器，以將發電機產生的交流電整流。
7.根據權利要求6所述的小型渦輪機發電系統，其特徵在於能量轉換器還包括與整流器耦合的轉換器，它接受整流器產生的直流電並將其轉換為預先選定頻率的交流電。
8.根據權利要求7所述的小型渦輪機發電系統，其特徵在於上述交流電的頻率與渦輪速度無關。
9.根據權利要求2所述的小型渦輪機發電系統，還包括支承燃料進口、空氣進口、壓氣機、間壁換熱器、燃燒室、渦輪、發電機、整流器和轉換器的裝置，使得系統作為組裝件而存在。
10.根據權利要求2所述的小型渦輪機發電系統，其特徵在於燃燒室包括能使燃料和空氣混合物充分反應和氧化的催化媒。
11.根據權利要求2所述的小型渦輪機發電系統，其特徵在於渦輪包括排氣通道，壓氣機包括與渦輪排氣通道正交的進氣通道。
12.一種小型渦輪機發電系統，它包括旋轉組件，該旋轉組件包括通過單軸以預應力配合在一起的功率輸出輪和發電轉子，以有利於非破壞性的高轉速。
13.一種小型渦輪機發電系統，包括一個旋轉組件，該旋轉組件包括葉輪，發電機轉子，渦輪和預應力聯接軸，該聯接軸從轉子和葉輪的孔中伸出，聯接軸的一端固定在渦輪上；一個向渦輪提供熱膨脹燃氣的燃燒室組件；一個加熱由葉輪壓縮的空氣的熱交換組件，。
14.根據權利要求13所述的系統，還包括一個用以控制燃燒室的燃料流量的電子組件。
15.根據權利要求13所述的系統，其特徵在於渦輪是無孔的。
16.一種小型渦輪機發電系統的旋轉組件，該旋轉組件包括一個葉輪；一個發電機轉子；一個渦輪；一個預應力聯接軸，它從轉子和葉輪的孔中伸出，聯接軸的一端固定在渦輪上。
17.一種小型渦輪機發電系統的發動機核心，該發動機核心包括一個單軸；一個發電機，該發電機包括殼體和轉子，轉子可繞軸旋轉；第一和第二軸頸箔片軸承以支撐軸，上述第一和第二軸頸軸承位於發電機的相對端；渦輪，它包括固定在軸一端的渦輪和軸向支撐軸的止推箔片軸承；上述止推箔片軸承位於發電機和渦輪之間。
18.根據權利要求17所述的發動機核心，還包括一臺壓氣機，該壓氣機包括繞軸旋轉的葉輪。
19.根據權利要求18所述的發動機核心，其特徵在於對軸預加應力。
全文摘要
一種小型渦輪機發電系統(10)包括發電機(16),渦輪(14)和發電機(16)與渦輪(14)之間的壓氣機(12)。渦輪(14),壓氣機(12)和發電機(16)由聯接軸(75)固定在一起。聯接軸有預應力,使得渦輪(14),發電機(16)和壓氣機(12)的接觸面在系統高速,高溫工作時保持接觸。
文檔編號F23R3/00GK1277343SQ9910953
公開日2000年12月20日 申請日期1999年6月11日 優先權日1999年6月11日
發明者R·尼姆斯, P·奧布裡恩, T·埃默森, J·登克 申請人:聯合訊號公司