CN102667105B - 具有单轴压缩机和涡轮布置的空气压缩和膨胀系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种具有联合式电动发电机单元和联接到压缩机和膨胀器的单个传动轴的空气压缩和膨胀系统。该系统包括：电动发电机单元；连接到电动发电机单元的传动轴，其构造成将旋转动力传输到电动发电机单元，及从该单元中传输出旋转动力；能选择性地联接到传动轴且围绕传动轴而定位的压缩机系统；及能选择性地联接到传动轴且围绕传动轴而定位的涡轮系统，涡轮系统与压缩机系统定位在电动发电机单元的共同侧。空气压缩和膨胀系统还包括附连到压缩机系统的压缩机离合器和附连到涡轮系统的涡轮离合器。压缩机离合器和涡轮离合器围绕传动轴而同轴地布置，且构造成选择性地将压缩机系统和涡轮系统分别联接到传动轴及使它们与传动轴脱开。

Description

具有单轴压缩机和涡轮布置的空气压缩和膨胀系统

技术领域

本发明的实施例大体涉及空气压缩和膨胀系统，并且更具体而言，涉及具有联合式电动发电机单元和联接到压缩机和膨胀器上的单个传动轴的空气压缩和膨胀系统。

背景技术

空气压缩和膨胀系统在许多行业中用于多种应用。例如，一个这种应用是在生产和存储能量时将空气压缩和膨胀系统用作涡轮机。压缩空气能量存储(CAES)系统典型地包括具有多个压缩机的压缩系，压缩机压缩进气空气，并且将经压缩的进气空气提供给洞穴、地下存储器或其它压缩空气存储构件。然后压缩空气随后被用来驱动涡轮，以产生能量，诸如，例如电能。在CAES系统的压缩阶段的运行期间，经压缩的进气空气典型地被冷却。在膨胀阶段的运行期间，空气通过涡轮从地下存储器中排出，并且膨胀，使得空气在环境压力下离开涡轮。

典型地，CAES系统中的压缩机和涡轮各自通过相应的离合器而连接到发电机/电动机装置上，从而容许在合适的选定的时段期间单独地运行或者压缩机或者涡轮。在电网的电需求的非高峰时期期间(即晚上和周末)，发电机/电动机通过压缩机系的离合器来驱动压缩机系。在这个方案中，发电机/电动机起电动机的作用，从而从电网中提取功率。然后压缩空气被冷却且被输送到地下存储器。在高峰需求时期期间，在涡轮离合器接合的情况下，从存储器中抽取空气，并且然后空气受加热且通过涡轮系而膨胀，以通过驱动发电机/电动机来提供功率。在这个方案中，发电机/电动机起发电机的作用，从而对例如电网提供功率。

在图1中显示了现有技术中已知的CAES系统中的空气压缩和膨胀系统的典型布置。空气压缩和膨胀系统100构造成交替地在压缩模式和膨胀模式中运行，并且包括联合式电动发电机单元102、传动轴104、106、离合器108、110、压缩机系统112和涡轮系统114。

电动发电机单元102通过功率传输线电连接到基本负载功率供应上，并且在压缩运行模式期间从基本负载功率供应中接收功率。在压缩模式中运行期间，电动发电机单元102产生旋转动力，旋转动力经由传动轴104传输到压缩机系统112。离合器108被接合，以将压缩机系统112联接到传动轴104和电动发电机单元102上，从而驱动压缩机系统112压缩空气，压缩空气被存储，以在以后产生动力。

在空气压缩和膨胀系统100切换成膨胀运行模式之后，终止对电动发电机单元102的功率供应，使得旋转动力终止传递到传动轴104，并且不再对压缩机系统112提供动力。然后离合器110被接合，以将涡轮系统114联接到传动轴106和电动发电机单元102上，从而允许动力从涡轮系统114传递到电动发电机单元102。在存储的压缩空气输送到涡轮系统114之后，从涡轮系统114中提供旋转动力，旋转动力经由传动轴106传递到电动发电机单元102。

虽然在空气压缩和膨胀系统100中包括传动轴104、106、离合器108、110、压缩机系统112和涡轮系统114以用来产生动力，但是这也不是没有缺点。例如，多个传动轴104、106和离合器108、110的布置需要许多构件和大量空间。另外，传动轴104、106、离合器108、110、压缩机系统112和涡轮系统114在空气压缩和膨胀系统100中的布置不允许在从压缩运行模式过渡到膨胀运行模式时传递旋转动力。也就是说，在压缩运行模式期间存在于传动轴104中的旋转动力不能传递到传动轴106以在膨胀运行模式期间使用。因而，意识到有可以别的方式利用的动力的损失，该动力是在从压缩运行模式过渡到膨胀运行模式期间传递的这种旋转动力。

因此，设计一种克服前述缺点的系统和方法将是合乎需要的。

发明内容

本发明的实施例提供一种用于提供具有联合式电动发电机单元和联接压缩机和膨胀器上的单个传动轴的空气压缩和膨胀系统的系统和方法。

根据本发明的一方面，提供一种能够在压缩模式和膨胀模式中运行的空气压缩和膨胀系统。空气压缩和膨胀系统包括：电动发电机单元；单个传动轴，其连接到电动发电机单元上，并且构造成将旋转动力传输给电动发电机单元，以及从电动发电机单元中传输出旋转动力；可选择性地联接到单个传动轴上且围绕该单个传动轴而定位的压缩机系统；以及可选择性地联接到单个传动轴上且围绕该单个传动轴而定位的涡轮系统，涡轮系统与压缩机系统定位在电动发电机单元的共同侧。空气压缩和膨胀系统还包括附连到压缩机系统上且围绕单个传动轴而同轴地布置的压缩机离合器，压缩机离合器构造成选择性地将压缩机系统联接到单个传动轴上，以及使压缩机系统与单个传动轴脱开。空气压缩和膨胀系统进一步包括附连到涡轮系统上且围绕单个传动轴而同轴地布置的涡轮离合器，涡轮离合器构造成选择性地将涡轮系统联接到单个传动轴上，以及使涡轮系统与单个传动轴脱开。

根据本发明的另一方面，阐述一种用于制造用于在相应的压缩运行模式和膨胀运行模式期间压缩气体和使气体膨胀的系统的方法。该方法包括提供构造成产生机械动力和电功率两者的联合式电动发电机单元，以及将单个传动轴联接到电动发电机单元上，其中，单个传动轴联接成接收来自电动发电机单元的旋转动力，以及将旋转动力传输给电动发电机单元。该方法还包括围绕单个传动轴而布置压缩机系统和涡轮系统，以及将压缩机系统和涡轮系统布置在联合式电动发电机单元的共同侧，以分别在压缩运行模式和膨胀运行模式期间压缩气体和使气体膨胀。第一离合器机构围绕传动轴而同轴地布置，并且构造成在压缩运行模式和膨胀运行模式期间，选择性地将压缩机系统联接到单个传动轴上，以及使压缩机系统与单个传动轴脱开，并且第二离合器机构围绕传动轴而同轴地布置，并且构造成在压缩运行模式和膨胀运行模式期间，选择性地将涡轮系统联接到单个传动轴上，以及使涡轮系统与单个传动轴脱开。压缩机和涡轮系统以及第一离合器机构和第二离合器机构的所提供的布置允许单个传动轴在压缩运行模式和膨胀运行模式之间过渡期间恒定地旋转。

根据本发明的又一方面，提供一种用于压缩气体和使气体膨胀且能够在压缩模式和膨胀模式中运行的系统。该系统包括构造成产生机械动力和电功率两者的联合式电动发电机单元，以及传动轴，传动轴连接到电动发电机单元上，并且构造成将旋转动力传输给电动发电机单元，以及从电动发电机单元中传输出旋转动力，其中，传动轴在压缩运行模式和膨胀运行模式中的各个期间沿一致的方向旋转。该系统还包括：压缩机系统，其定位在传动轴上，并且构造成在被来自传动轴的旋转动力驱动时，选择性地压缩气体；涡轮系统，其定位在传动轴上，并且构造成选择性地使气体膨胀，以对传动轴提供旋转动力；可促动式离合器，其附连到压缩机系统上，以选择性地将压缩机系统联接到传动轴上，以及使压缩机系统与传动轴脱开；以及自由轮离合器，其附连到涡轮系统上，以自动地将涡轮系统联接到传动轴上，以及自动地使涡轮系统与传动轴脱开。在从压缩运行模式过渡到膨胀运行模式期间，传动轴继续沿一致的方向旋转。

根据以下详细描述和附图，将使多种其它特征和优点显而易见。

附图说明

附图示出了目前构想到的用于执行本发明的优选实施例。

在图中：

图1是本领域已知的空气压缩和膨胀系统的示意性框图。

图2是根据本发明的实施例的空气压缩和膨胀系统的示意性框图。

图3是根据本发明的另一个实施例的空气压缩和膨胀系统的示意性框图。

图4是压缩空气能量存储(CAES)系统的示意性框图，该系统结合了根据本发明的实施例的图2的空气压缩和膨胀系统。

具体实施方式

根据本发明的实施例，提供一种空气压缩和膨胀系统，其具有联合式电动发电机单元和联接到压缩机和膨胀器上的单个传动轴。

参照图2，显示了根据本发明的实施例的空气压缩和膨胀系统10。空气压缩和膨胀系统10构造成交替地在操作员确定的压缩模式和膨胀模式中运行。空气压缩和膨胀系统10包括联合式电动发电机单元12、单个传动轴14、压缩机离合器16和涡轮离合器18、压缩机系统20和涡轮系统22。如图2中显示的那样，压缩机系统20和涡轮系统22各自围绕传动轴14而同轴地定位，以及定位在电动发电机单元12的同一侧，使得能在空气压缩和膨胀系统10中采用单个传动轴14。类似地，压缩机离合器16和涡轮离合器18中的各个围绕传动轴14而同轴地定位，其中，压缩机离合器16定位在压缩机系统20和传动轴14之间，而涡轮离合器18则定位在涡轮系统22和传动轴14之间。定位在传动轴14上的同轴离合器16、18消除了使压缩机系统20和涡轮系统安装在单独的轴上的需要，而是改为允许在空气压缩和膨胀系统10中使用单个传动轴14。

在压缩运行模式期间，电动发电机单元12通过功率传输线24电连接到基本负载功率源上，并且从基本负载功率源中接收功率。电功率的输入导致电动发电机单元12在电动机模式中运行，从而响应于电功率而产生旋转动力的机械输出。旋转动力传递到传动轴14，从而导致传动轴旋转。在空气压缩和膨胀系统10在压缩模式中运行之后，压缩机离合器16被接合，从而将压缩机系统20联接到传动轴14和电动发电机单元12上。因而压缩机系统20被旋转动力驱动而压缩对其供应的空气，其中，压缩空气被发送到存储装置26，例如便于以后使用。

在空气压缩和膨胀系统10在压缩模式中运行期间，涡轮离合器18处于分开状态，使得涡轮系统22保持与传动轴14和电动发电机单元12脱开。因而不会导致涡轮系统22在压缩运行模式期间旋转，因为其不会接收来自传动轴14和电动发电机单元12的旋转动力。

当期望空气压缩和膨胀系统10在膨胀运行模式中运行时，终止给电动发电机单元12的电功率，并且从存储装置26中取回空气，以使其膨胀。在膨胀运行模式中，涡轮离合器18被接合，使得涡轮系统22接合到传动轴14和电动发电机单元12上。另外，压缩机离合器16分开，使得压缩机系统20与传动轴14和电动发电机单元12脱开。

在切换到膨胀运行模式之后，从存储装置26中取回之前被压缩的空气，并且将其提供给涡轮系统22，这导致涡轮系统22产生旋转动力。在涡轮系统22联接到传动轴14上时，传动轴接收旋转动力，并且将这个动力传递给电动发电机单元12。在膨胀运行模式期间，电动发电机单元12在发电机模式中运行，并且从而响应于从涡轮系统22中接收到的旋转动力输出而产生电功率。

根据本发明的示例性实施例，电动发电机单元12和传动轴14构造成使得传动轴14在压缩运行模式和膨胀运行模式中的各个期间沿恒定的、一致的方向旋转。因此，在本发明的示例性实施例中，压缩机离合器16和涡轮离合器18分别构造成为可促动式离合器和自由轮离合器(即自同步式离合器)。可促动式离合器16构造成如空气压缩和膨胀系统10的操作员所确定的那样选择性地将压缩机系统20联接到传动轴14上，以及使压缩机系统20与传动轴14脱开。自由轮离合器18构造成基于运行模式和传动轴14的速度，自动地将涡轮系统22联接到传动轴14上，以及自动地使涡轮系统22与传动轴14脱开。

在空气压缩和膨胀系统10的运行中，操作员能供应输入，以确定系统是在压缩运行模式中还是在膨胀运行模式中运行。操作员可借助于例如连接到电动发电机单元12和可促动式离合器16上的控制器28来提供这种输入。在控制器28的输入命令系统10在压缩运行模式中运行之后，可促动式离合器16被命令接合，使得压缩机系统20联接到传动轴14上。在压缩运行模式期间，自由轮离合器18处于分开状态，使得涡轮系统22与传动轴14脱开。

在控制器28的输入命令系统10在膨胀运行模式中运行之后，可促动式离合器16被命令分开，使得压缩机系统20与传动轴14脱开，以及压缩机系统停止接收来自传动轴的旋转动力。在从压缩运行模式过渡到膨胀运行模式期间，传动轴14继续旋转。自由轮离合器18构造成在膨胀阶段期间在涡轮系统的速度变得与传动轴的速度同步之后，自动地使涡轮系统22与传动轴14接合。也就是说，在切换到膨胀运行模式之后，对涡轮系统22提供压缩空气，从而导致涡轮系统22开始旋转。在涡轮系统22的旋转速度变得与传动轴14的速度同步之后，自由轮离合器18自动地将涡轮系统接合到传动轴上。因而，在过渡到膨胀运行模式之后，可促动式离合器16和自由轮离合器18的布置允许传动轴14的、在压缩运行模式期间产生的旋转动力被空气压缩和膨胀系统10保存和利用。

仍然参照图2，显示了根据本发明的示例性实施例的压缩机系统20和涡轮系统22的构造和布置。压缩机系统20包括低压压缩机30和高压压缩机32，以及用以将空气引入到低压压缩机30中的输入管道34、用以将空气从低压压缩机30传递到高压压缩机32的连接管道36，以及用以从高压压缩机32中排出空气的输出管道38。输入管道34定位在低压压缩机30的外边缘40上，而输出管道38则定位在压缩机系统的在低压压缩机30和高压压缩机32之间的区域中。低压压缩机30和高压压缩机32定位成邻近彼此，并且在传动轴上布置成具有相反的流向。将低压压缩机30和高压压缩机32布置成具有相反的流向允许补偿/分散压缩机级所产生的轴向力，降低轴承负载，以及允许用一个离合器(即压缩机离合器16)联接多个压缩机级。

类似于压缩机系统20，涡轮系统22包括低压涡轮42和高压涡轮44，以及用以将压缩空气引入到高压涡轮44中的输入管道46、用以将空气从高压涡轮44传递到低压涡轮42的连接管道48，以及用以从低压涡轮42中排出空气的输出管道50。输入管道46定位在涡轮系统的在低压涡轮42和高压涡轮44之间的区域中，而输出管道50则定位在涡轮系统22的外边缘52上。低压涡轮42和高压涡轮44定位成邻近彼此，并且在传动轴上布置成具有相反的流向。将低压涡轮42和高压涡轮44布置成具有相反的流向允许补偿和/或分散膨胀级所产生的轴向力，降低轴承负载，以及允许用一个离合器(即压缩机离合器18)联接多个膨胀级。

虽然图2中显示的压缩机系统20和涡轮系统22分别由低压压缩机30和高压压缩机32以及低压涡轮42和高压涡轮44形成，但是认识到的是，压缩机系统20和涡轮系统22可包括更多或更少数量的压缩机/涡轮。因而，认识到的是，压缩机系统20可由单个压缩机单元或三个或更多个压缩机单元形成。类似地，涡轮系统22可由单个涡轮单元或三个或更多个涡轮单元形成。因而空气压缩和膨胀系统10不限于图2的具体实施例，并且可根据本发明的实施例来修改压缩机系统20和涡轮系统22。

现在参照图3，根据本发明的另一个实施例，压缩和膨胀系统54包括电动发电机单元12和传动轴14，传动轴14构造使得传动轴14在压缩运行模式期间沿第一方向旋转，以及在膨胀运行模式期间沿相反的第二方向旋转。因此，附连到压缩机系统20上的压缩机离合器56和附连到涡轮系统22上的涡轮离合器58分别构造成为自由轮离合器(即自同步式离合器)和可促动式离合器。自由轮离合器56构造成基于运行模式和传动轴14的速度，自动地将压缩机系统20联接到传动轴14上，以及自动地使压缩机系统20与传动轴14脱开。可促动式离合器58构造成按照来自空气压缩和膨胀系统10的操作员的输入所确定的那样选择性地将涡轮系统22联接到传动轴14上，以及使涡轮系统22与传动轴14脱开。

在空气压缩和膨胀系统54的运行中，操作员供应输入，以诸如借助于例如控制器28来确定系统是在压缩运行模式在还是在膨胀运行模式中运行，控制器28连接到电动发电机单元12和可促动式离合器上。在控制器28的输入命令系统54在压缩运行模式中运行之后，可促动式离合器58被命令分开，使得涡轮系统22与传动轴14脱开。传动轴14在压缩阶段中被电动发电机单元12驱动，并且自由轮离合器56用来在压缩阶段期间在传动轴14达到期望速度之后自动地使压缩机系统20与传动轴14接合。在从压缩运行模式过渡到膨胀运行模式期间，诸如当传动轴的速度达到某个阈值旋转速度时，自由轮离合器56自动地使压缩系统20与传动轴14分开。而且在过渡到膨胀运行模式期间，传动轴14的旋转被中断，并且控制器28对可促动式离合器58提供输入以使其接合，从而将涡轮系统22联接到传动轴14上，以对传动轴提供旋转动力，以及导致传动轴沿与压缩阶段相反的方向旋转。

参照图4，显示了根据本发明的实施例的示例性压缩空气能量存储(CAES)系统60的框图。CAES系统60包括空气压缩和膨胀系统，诸如图2中显示和描述的空气压缩和膨胀系统10，而且还包括压缩空气存储容积62。

根据本发明的实施例，在压缩运行模式(即压缩阶段)期间，电动发电机单元12驱动传动轴14。传动轴14又驱动压缩系统20(其包括低压压缩机30和高压压缩机32)，使得一定量的环境空气进入环境空气进口34，并且被压缩系统20压缩。低压压缩机30通过压缩机路径36而联接到高压压缩机32上。根据本实施例，低压压缩机30压缩环境空气。然后压缩环境空气沿着压缩机路径36传送到高压压缩机32，在高压压缩机32中，环境空气进一步被压缩，然后沿着压缩空气路径38将压缩空气提供给压缩空气存储容积或洞穴62。

虽然在本实施例中显示了仅两个压缩机30、32，但是构想到的是，压缩系统20可包括不止两个压缩机。类似于压缩机路径36，具有不止两个压缩机的实施例将包括通过各个压缩机的压缩机路径，从而为空气通过压缩系统提供通路。

根据本实施例，在压缩空气存储在洞穴62中之前，压缩空气传送通过冷却单元64，在压缩空气存储在洞穴中之前，冷却单元64从压缩空气中移除热。通过在存储之前从压缩空气中移除热，洞穴62的完整性得到保护。构想到的是，可沿着压缩机路径36利用诸如中间冷却器(未显示)的其它冷却器，以在空气行进通过压缩系统20时冷却空气。

在压缩空气存储在压缩空气存储容积62中之后，能允许压缩空气沿着出口路径46传送，在出口路径46中，通过加热单元66再次加热压缩空气。在压缩空气经再加热之后，压缩空气沿着出口路径46前进到涡轮系统22。由于涡轮系统22的构造的原因，允许压缩空气在穿过涡轮系统22时膨胀；从而，导致涡轮系统22旋转。构想到的是，涡轮系统22包括用以促进产生动力的一个或多个涡轮，诸如低压涡轮42和高压涡轮44。涡轮系统22的旋转导致传动轴14旋转。进而，传动轴14驱动电动发电机单元12，从而导致该单元起发电机的作用而发电。进一步构想到的是，可将额外的加热器或燃烧器置于涡轮系统22的级前面，以及置于涡轮系统22的级之间。

在备选实施例中，CAES系统60是包括热能量存储(TES)系统TES系统68的绝热系统。在这种实施例中，沿着压缩空气路径38传送到洞穴62的压缩空气穿过TES系统68，TES系统68从压缩空气中移除热。热由TES系统68存储，并且在沿着出口路径46传送的压缩空气传送通过系统68时，热随后被传递回到压缩空气。在这种实施例中，可避免对加热单元66的需要。

虽然在图3中显示的压缩机系统20和涡轮系统22分别由低压压缩机30和高压压缩机32以及低压涡轮42和高压涡轮44形成，但是，认识到压缩机系统20和涡轮系统22可包括更多或更少数量的压缩机/涡轮。另外，认识到在CAES系统60中在压缩机系统20的级和涡轮系统22的级之间分别可包括额外的冷却单元64和/或加热单元66。备选地，认识到在CAES系统60中在压缩机系统20的级和涡轮系统22的级之间可包括额外的TES系统68。

虽然在上面论述了实施空气压缩和膨胀系统10以在CAES系统60中使用，但是，认识到本发明的实施例可在许多系统中的任一个中实施。因而认识到本发明的实施例能够在上面未具体描述或阐述的其它类型的系统中实施。

因此，根据本发明的一个实施例，提供空气压缩和膨胀系统，其能够在压缩模式和膨胀模式中运行。空气压缩和膨胀系统包括：电动发电机单元；单个传动轴，其连接到电动发电机单元上，并且构造成将旋转动力传输到电动发电机单元，以及从电动发电机单元中传输出旋转动力；选择性地可联接到单个传动轴上且围绕单个传动轴而定位的压缩机系统；以及选择性地可联接到单个传动轴上且围绕单个传动轴而定位的涡轮系统，涡轮系统与压缩机系统定位在电动发电机单元的共同侧。空气压缩和膨胀系统还包括附连到压缩机系统上且围绕单个传动轴而同轴地布置的压缩机离合器，压缩机离合器构造成选择性地将压缩机系统联接到单个传动轴上，以及使压缩机系统与单个传动轴脱开。空气压缩和膨胀系统进一步包括附连到涡轮系统上且围绕单个传动轴而同轴地布置的涡轮离合器，涡轮离合器构造成选择性地将涡轮系统联接到单个传动轴上，以及使涡轮系统与单个传动轴脱开。

根据本发明的另一个实施例，阐述了一种用于制造用于在相应的压缩运行模式和膨胀运行模式期间压缩气体和使气体膨胀的系统的方法。该方法包括提供构造成产生机械动力和电功率两者的联合式电动发电机单元，以及将单个传动轴联接到电动发电机单元上，其中该单个传动轴联接成接收来自电动发电机单元的旋转动力，以及将旋转动力传输到电动发电机单元。该方法还包括围绕单个传动轴而布置压缩机系统和涡轮系统，以及将压缩机系统和涡轮系统布置在联合式电动发电机单元的共同侧，以分别在压缩运行模式和膨胀运行模式期间压缩气体和使气体膨胀。第一离合器机构围绕传动轴而同轴地布置，并且构造成在压缩运行模式和膨胀运行模式期间选择性地将压缩机系统联接到单个传动轴上，以及使压缩机与单个传动轴脱开，并且第二离合器机构围绕传动轴而同轴地布置，并且构造成在压缩运行模式和膨胀运行模式期间选择性地将涡轮系统联接到单个传动轴上，以及使涡轮系统与单个传动轴脱开。压缩机和涡轮系统以及第一离合器机构和第二离合器机构的所提供的布置允许单个传动轴在压缩运行模式和膨胀运行模式之间过渡期间恒定地旋转。

根据本发明的又一个实施例，提供一种用于压缩气体和使气体膨胀的系统，该系统用于压缩气体和使气体膨胀，并且能够在压缩模式和膨胀模式中运行。该系统包括：构造成产生机械动力和电功率两者的联合式电动发电机单元；以及传动轴，其连接到电动发电机单元上，并且构造成将旋转动力传输到电动发电机单元，以及从电动发电机单元中传输出旋转动力；其中，在压缩运行模式和膨胀运行模式中的各个期间，传动轴沿一致的方向旋转。该系统还包括：定位在传动轴上的压缩机系统，其构造成在被来自传动轴的旋转动力驱动时选择性地压缩气体；涡轮系统，其定位在传动轴上，并且构造成选择性地使气体膨胀，以对传动轴提供旋转动力；可促动式离合器，其附连到压缩机系统上，以选择性地将压缩机系统联接到传动轴上，以及使压缩机系统与传动轴脱开；以及自由轮离合器，其附连到涡轮系统上，以自动地将涡轮系统联接到传动轴上，以及使涡轮系统与传动轴脱开。传动轴在从压缩运行模式过渡到膨胀运行模式期间继续沿一致的方向旋转。

本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及实行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有不异于权利要求的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构要素，则它们意于处在权利要求的范围之内。

Claims (21)

1.一种能够在压缩模式和膨胀模式中运行的空气压缩和膨胀系统，所述空气压缩和膨胀系统包括：

电动发电机单元；

单个传动轴，其连接到所述电动发电机单元上，并且构造成将旋转动力传输给所述电动发电机单元，以及从所述电动发电机单元中传输出旋转动力；

能够选择性地联接到所述单个传动轴上且围绕所述单个传动轴而定位的压缩机系统；

能够选择性地联接到所述单个传动轴上且围绕所述单个传动轴而定位的涡轮系统，所述涡轮系统与所述压缩机系统定位在所述电动发电机单元的共同侧；

围绕所述单个传动轴而同轴地布置且附连到所述压缩机系统上的压缩机离合器，所述压缩机离合器构造成选择性地将所述压缩机系统联接到所述单个传动轴上，以及使所述压缩机系统与所述单个传动轴脱开；以及

围绕所述单个传动轴而同轴地布置且附连到所述涡轮系统上的涡轮离合器，所述压缩机离合器构造成选择性地将所述涡轮系统联接到所述单个传动轴上，以及使所述涡轮系统与所述单个传动轴脱开。

2.根据权利要求1所述的空气压缩和膨胀系统，其特征在于，所述压缩机离合器包括构造成选择性地将所述压缩机系统联接到所述传动轴上以及使所述压缩机系统与所述传动轴脱开的可促动式离合器；以及

其中，所述涡轮离合器包括构造成自动地将所述涡轮系统联接到所述传动轴上以及使所述涡轮系统与所述传动轴脱开的自由轮离合器。

3.根据权利要求2所述的空气压缩和膨胀系统，其特征在于，所述传动轴在各个压缩阶段和膨胀阶段期间沿单个方向旋转。

4.根据权利要求2所述的空气压缩和膨胀系统，其特征在于，所述自由轮离合器构造成在所述膨胀阶段期间在所述涡轮系统的旋转速度变得与所述传动轴的旋转速度同步之后自动地使所述涡轮系统与所述传动轴联接。

5.根据权利要求1所述的空气压缩和膨胀系统，其特征在于，所述压缩机离合器包括构造成自动地使所述压缩机系统与所述传动轴联接和脱开的自由轮离合器；以及

其中，所述涡轮离合器包括构造成选择性地使所述涡轮系统与所述传动轴联接和脱开的可促动式离合器。

6.根据权利要求5所述的空气压缩和膨胀系统，其特征在于，所述传动轴在所述压缩阶段期间沿第一方向旋转，并且在所述膨胀阶段期间沿与所述第一方向相反的第二方向旋转。

7.根据权利要求1所述的空气压缩和膨胀系统，其特征在于，所述压缩系统包括：

低压压缩机；以及

定位在所述低压压缩机的附近的高压压缩机；

其中，所述低压压缩机和所述高压压缩机在所述传动轴上布置成具有相反的流向。

8.根据权利要求7所述的空气压缩和膨胀系统，其特征在于，所述压缩系统进一步包括：

将空气引入到所述低压压缩机中的输入管道，所述输入管道定位在所述压缩系统的外边缘上；

将空气从所述低压压缩机传递到所述高压压缩机的连接管道；以及

从所述高压压缩机中排出空气的输出管道，所述输出管道定位在所述压缩系统的在所述低压压缩机和所述高压压缩机之间的区域中。

9.根据权利要求1所述的空气压缩和膨胀系统，其特征在于，所述涡轮系统包括：

低压涡轮；以及

定位在所述低压涡轮的附近的高压涡轮；

其中，所述低压涡轮和所述高压涡轮在所述传动轴上布置成具有相反的流向。

10.根据权利要求9所述的空气压缩和膨胀系统，其特征在于，所述涡轮系统进一步包括：

将压缩空气引入到所述高压涡轮中的输入管道，所述输入管道定位在所述涡轮系统的在所述低压涡轮和所述高压涡轮之间的区域中；

将空气从所述高压涡轮传递到所述低压涡轮的连接管道；以及

从所述低压涡轮中排出空气的输出管道，所述输出管道定位在所述涡轮系统的外边缘上。

11.根据权利要求1所述的空气压缩和膨胀系统，其特征在于，所述压缩系统和所述涡轮系统在所述传动轴上同轴地对准。

12.根据权利要求1所述的空气压缩和膨胀系统，其特征在于，所述空气压缩和膨胀系统进一步包括控制器，所述控制器构造成选择性地促动所述压缩机离合器和所述涡轮离合器中的一个，以选择性地将所述压缩机系统和所述涡轮系统中的一个联接到所述传动轴上，以及使所述压缩机系统和所述涡轮系统中的一个与所述传动轴脱开。

13.一种用于制造用于在相应的压缩运行模式和膨胀运行模式期间压缩气体和使气体膨胀的系统的方法，所述方法包括：

提供构造成产生机械动力和电功率两者的联合式电动发电机单元；

将单个传动轴联接到所述电动发电机单元上，所述单个传动轴联接成接收来自所述电动发电机单元的旋转动力，以及将旋转动力传输到所述电动发电机单元；

围绕所述单个传动轴而布置压缩机系统和涡轮系统且将所述压缩机系统和涡轮系统布置在所述联合式电动发电机单元的共同侧，以分别在压缩运行模式和膨胀运行模式期间压缩气体和使气体膨胀；

围绕所述传动轴而同轴地布置第一离合器机构，所述第一离合器机构构造成在所述压缩运行模式和所述膨胀运行模式期间选择性地将所述压缩机系统联接到所述单个传动轴上，以及使所述压缩机与所述单个传动轴脱开；以及

围绕所述传动轴而同轴地布置第二离合器机构，所述第二离合器机构构造成在所述压缩运行模式和所述膨胀运行模式期间选择性地将所述涡轮系统联接到所述单个传动轴上，以及使所述涡轮系统与所述单个传动轴脱开；

其中，所述压缩机和所述涡轮系统以及所述第一离合器机构和所述第二离合器机构的布置允许所述单个传动轴在所述压缩运行模式和所述膨胀运行模式之间过渡期间恒定地旋转。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，提供所述第一离合器机构包括提供联接到所述压缩机系统上的可促动式离合器，以选择性地使所述压缩机系统与所述单个传动轴联接和脱开。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，提供所述第二离合器机构包括提供联接到所述涡轮系统上的自同步式离合器，以自动地使所述涡轮系统与所述传动轴联接和脱开，所述自同步式离合器构造成在所述涡轮系统的旋转速度变得与所述传动轴的旋转速度同步之后自动地使所述涡轮系统与所述传动轴接合。

16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，提供所述压缩系统包括提供低压压缩机和高压压缩机，所述低压压缩机和所述高压压缩机在所述单个传动轴上布置成具有相反的流向；以及

其中，提供所述涡轮系统包括提供低压涡轮和高压涡轮，所述低压涡轮和所述高压涡轮在所述单个传动轴上布置成具有相反的流向。

17.一种用于压缩气体和使气体膨胀且能够在压缩模式和膨胀模式中运行的系统，所述系统包括：

构造成产生机械动力和电功率两者的联合式电动发电机单元；

传动轴，其连接到所述电动发电机单元上，并且构造成将旋转动力传输到所述电动发电机单元，以及从所述电动发电机单元中传输出旋转动力，所述传动轴在所述压缩运行模式和所述膨胀运行模式中的各个期间沿一致的方向旋转；

压缩机系统，其定位在所述传动轴上，并且构造成在被来自所述传动轴的旋转动力驱动时选择性地压缩气体；

涡轮系统，其定位在所述传动轴上，并且构造成选择性地使气体膨胀以对所述传动轴提供旋转动力；

可促动式离合器，其附连到所述压缩机系统上，以选择性地将所述压缩机系统联接到所述传动轴上，以及使所述压缩机系统与所述传动轴脱开；以及

自由轮离合器，其附连到所述涡轮系统上，以自动地将所述涡轮系统联接到所述传动轴上，以及使所述涡轮系统与所述传动轴脱开；

其中，所述传动轴在从所述压缩运行模式过渡到所述膨胀运行模式期间继续沿所述一致的方向旋转。

18.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括控制器，所述控制器构造成交替地在所述压缩模式和所述膨胀模式中运行所述系统。

19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述控制器构造成：

在所述压缩运行模式期间在电动机模式中运行所述联合式电动发电机单元，以及在所述膨胀运行模式期间在发电机模式中运行所述联合式电动发电机单元；

在所述压缩运行模式期间促动所述可促动式离合器，以将所述压缩机系统联接到所述传动轴上；以及

在所述膨胀运行模式期间促动所述可促动式离合器，以使所述压缩机系统与所述传动轴脱开。

20.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，所述自由轮离合器构造成在所述压缩运行模式期间使所述涡轮系统与所述传动轴脱开，以及在所述膨胀运行模式期间将所述涡轮系统联接到所述传动轴上。

21.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述自由轮离合器包括构造成自同步式离合器，所述自同步式离合器在所述涡轮系统的旋转速度变得与所述传动轴的旋转速度同步之后自动地使所述涡轮系统与所述传动轴接合。