CN1277343A - 小型涡轮机发电系统 - Google Patents

Abstract

一种小型涡轮机发电系统(10)包括发电机(16),涡轮(14)和发电机(16)与涡轮(14)之间的压气机(12)。涡轮(14),压气机(12)和发电机(16)由联接轴(75)固定在一起。联接轴有预应力,使得涡轮(14),发电机(16)和压气机(12)的接触面在系统高速,高温工作时保持接触。

Description

小型涡轮机发电系统

本发明一般涉及小型涡轮机发电系统，特别涉及分模块式、可配电的发电设备。

美国电力研究院(EPRI)是长期研究国内电能利用的单位，它预测，到2006年高达40％的新发电设备都有配电式发电机。在世界的很多地方，电力基础设施(传输和分配线路)的缺乏将会大大的促进配电式发电技术商品化，这是因为中心电厂不仅每千瓦发电费用较高，而且还必须配置昂贵的基础设施来将发出的电输送给用户。

小的、多种燃料的、分模块式可配电的小型涡轮机发电设备可以缓解世界上很多地方都存在的电网在下午“电压降低”和“灯火管制”的状况。简单且单独的运动部件设计概念使得保养维修技术含量低，低的总体成本使其在世界上一些资金缺乏地区有广泛的市场。此外，根据美国着重于电力分管和世界在这方面的趋势，电力消费者不仅有权选择电力服务的合适方法，还可有效选择新的成本花费方式。已经转让给本发明的受让人的美国专利4754607，公开了一种适用于利用废热发电的小型涡轮机发电系统。

为了使这一设备在商业上吸引消费者，必须对它的某些方面加以改进，例如：提高燃油效率，减小尺寸和重量，降低热特性，噪音，维修和成本费用。

本发明可认为是一包括发电机和绕单轴旋转的涡轮机的小型涡轮机发电系统。燃烧产生的热膨胀气体通过涡轮膨胀，这样，涡轮机产生的涡轮功用以驱动发电机。小型涡轮机发电系统还包括以预加应力联接涡轮机和发电机的单轴，以便让发电机与涡轮机的旋转相协调，从而用涡轮机输出的机械能发电。

系统的发电非常灵活，发电机输出的变频率交流电可整流成直流电。直流电再由转换器转化成选定频率的交流电。

图1是本发明的发电系统的方框图；

图2是发电系统的核心发动机的横剖面图。

图1示出了本发明的发电系统10。发电系统10包括压气机12，涡轮机14和发电机16。发电机16以悬臂方式装在压气机12上。压气机12，涡轮14和发电机16能绕单轴18旋转。虽然压气机2，涡轮14和发电机16可装在分开的轴上，但是使压气机12，涡轮14和发电机16绕单根公共轴18旋转可提高发电系统10的紧凑性和可靠性。

轴18可由自动加压空气轴承支承，如箔片轴承(foil bearing)。如图2所示，轴18由轴颈箔片轴承76和78及止推箔片轴承80支承。箔片轴承取消了可分式轴承所需的润滑系统，使维修工作减少。

由压气机12的入口进入的空气被压缩，由压气机12的出口出来的压缩空气流过间壁间壁换热器22的冷却侧的冷流通道20。在间壁换热器22中，压缩空气吸收热量，这加强了燃烧。由间壁换热器22的冷却侧出来的热压缩空气供给燃烧室24。

燃料也供给燃烧室24。气体燃料和液体燃料均可使用。用气体燃料时，任何合适的气体燃料均可。可选用的燃料包括柴油，原始气体燃料(flairgas)，废气，汽油，粗汽油，丙烷，JP-8，甲烷，天然气和其他人造气体。

燃料的流量由流量控制阀26控制，燃料由喷嘴28注入燃烧室24。

在燃烧室24中，燃料和压缩空气混合，并由点火器27点燃进行放热反应。在优选实施例中，燃烧室24包含有合适的、能使高温高压燃料空气混合物在工作条件下燃烧的催化剂。一些公知的用于燃烧室24中的催化剂包括铂，钯以及带有活性镍和钴元素的金属氧化物催化剂。

燃烧后，燃烧产生的高温膨胀燃气导入涡轮14的入口30。入口30具有固定的几何形状。燃烧产生的高温膨胀燃气在涡轮14中膨胀，从而产生涡轮功。涡轮功依次驱动压气机12和发电机16。

涡轮排出气体流过间壁换热器22的热侧的热流通道32。在间壁换热器22中，热量由热侧的涡轮排气传递给冷侧的压缩空气中。这样，可回收部分燃烧热量，并用以升高流向燃烧室24的压缩空气的温度。回收了部分热量后，燃气排出间壁换热器22。发电系统10中还可增加额外的热回收步骤。

发电机16可以是环行缠绕的、两极无齿(TPTL)无刷永磁铁电机，它包括永磁铁转子34和定子绕组36。旋转涡轮14产生的涡轮功使得转子34旋转。转子34连接在轴18上，当涡轮功使转子34旋转时，定子绕组36感应生成交流电流。涡轮34的转速可根据系统10上的外部能量需求而改变。变化的涡轮转速将使发电机16生成的交流电频率变化(即无控制的频率)。不管发电机16产生的交流电频率如何，交流电可由整流器38整流成直流电。然后再由固态电子转换器40转化生成固定频率的交流电。因此，当所需能量减少时，涡轮转速可降低而不影响交流电输出频率。

此外，涡轮转速降低时由于压气机转速降低、空气流量减小。因此涡轮入口温度基本保持不变，这样在部分载荷时也有高效率。

利用整流器38和转换器40可使得在确定本发明发电系统所提供的用电眼务时有很大的灵活性。由于任何转换器40均可选择，因此交流电的频率可由消费者选择。如果直接用频率无控制的交流电，整流器38和转换器40也可省去。

发电系统10也可包括蓄电池46，以提供额外储存的和备用的电能。当电池与转换器40联合使用时，能在发电机出故障后提供数小时不间断的电能。此外，控制器可使电池46在所需负载增加时提供负荷。蓄电池46的大小应能应付系统10所需的峰值载荷。

在发电系统10工作时，由于处于发电机设计的非高效率点，发电机16产生热量。为了延长发电机16的寿命，也为了收集有用的热能，压气机进口空气流过发电机16并从发电机16中吸收剩余的热量。整流器38和转换器40也可置于气流中。空气从前述热源中吸热后，在压气机12中压缩，再于间壁换热器22中预热。

控制器42通过控制流入燃烧室24中的燃料量来控制涡轮转速。控制器42利用传感器组44产生的传感信号来确定外界对发电系统10的需求。传感器组44包括的传感器如：位置传感器，涡轮转速传感器及测量系统10中各种工作温度和压力的温度和压力传感器。通过前述传感器，控制器42控制起动及稳态工作时的最佳性能参数。控制器42还决定电池46中的直流电储备状况，调整工作运转以维持电网供电，电网消耗状况，并保持电池电量恒定。

开关/起动器控制48可以脱开制动器以起动发电系统10。可以将发电机16用作马达使压气机12开始旋转。在起动过程中，开关/起动器控制48向发电机16的定子绕组36提供激励电流。起动功率由电池46提供。在另一选择方案中，用压缩空气装置起动发电系统10。

图2所示为发电系统10的“发动机核心”压气机12包括有孔的叶轮52，压气机涡壳54和扩压器通道56。进入空气入口58的空气由空气过滤器59过滤，并引入压气机涡壳54。流出压气机涡壳54的空气引入间壁换热器22。

涡轮14包括涡轮涡壳60，多个固定喷嘴叶片62和无孔涡轮64。由燃烧室24出来的热膨张燃气进入涡轮涡壳60，再通过喷嘴叶片62将热膨胀燃气引入涡轮64。涡轮14排出的燃气通过排气扩压器66离开涡轮14，这样可降低涡轮排气温度和噪音。

发电机16的转子34包括由稀土材料(如钐，钴)制成的磁体68。磁体68由非磁性材料(如铬镍铁合金718)制成的包容套筒70包围。定子绕组36装在发电机壳体73内。转子34有孔和选定的与孔表面相接触的包容套筒(未表示)。导电线72由定子绕组36引出并截止于电导线接线柱74，接线柱固定在基座79上。基座79支承燃料入口，空气入口58，压气机12，涡轮14，发电机16，间壁换热器22，燃烧室24，整流器38和转换器40，使得系统10能成为紧凑的组合设备。

如图2所示，单轴18作为联接轴75，它从转子34和压气机叶轮52的孔中伸出。联接轴75很细，直径近似为0.25英寸到0.5英寸。孔有间隙，能让联接轴75从转子34和叶轮52中伸出。不过，联接轴75不能从涡轮64中伸出。而是将联接轴75固定在涡轮64上。联接轴75可通过惰性气体焊接(inertiaweld)联接在涡轮盘的中心。这样，涡轮64是无孔的，没有使联接轴75伸出的孔。没有孔可以减小涡轮64的应力。

由联接轴75夹紧联在一起时，压气机叶轮52，涡轮64和转子34成为单个部件一起旋转。然而在高的工作温度和旋转速度下，叶轮52，涡轮64和转子34有膨胀和相互分开的趋势，它们的接触面趋向于不接触。联接轴75在工作时的挠曲也使接触面趋向于分离。为保持叶轮52，涡轮64和转子34的接触面在高转速(80000转/分以上)时的相互接触，对联接轴75预加载荷。例如，由铬镍铁合金718制成的联接轴75可加上大约90％屈服强度的预应力。在装配过程中，对联接轴75预加载荷，叶轮52和转子34在联接轴75上滑动，螺母77固定在联接轴75的螺纹端。拧入螺母77使得联接轴75的应力得以维持。

旋转件52，64，34和75在径向上由内侧和外侧的轴颈箔片轴承76和78支承，旋转件52，64，34和75在轴向上由止推箔片轴承80支承。

发动机核心50有多个冷却孔，其中孔82和84用以向定子绕组40中流入冷却剂。孔86和88用以向箔片轴承76，78和80中流入冷却剂。

发电系统10可以制成几个主要组件，如旋转组件，换热组件，燃烧室组件和电子组件。每一个组件都比较轻和比较紧凑。组件能重装在一起而不破坏液体管路。使用箔片轴承76，78和80不需要油基润滑系统，因此发电系统10的维修工作减少。定期维修主要是更换点火器27，过滤器59和燃烧室24中的催化剂触媒。

发电系统10以传统的布雷顿回热循环(Brayton cycle)形式工作。布雷顿循环可在较低的压力比(例如3.8)下工作而使总体效率最大。因为，在回热循环中，压力比越低，涡轮排气温度越接近进口温度。根据卡诺定律，这可使热量在高温时加入到工作循环中并减少向工作循环供热时的熵损。这样的高温加热的结果是增加了整个工作循环的效率。

以下的数值是一个例子。空气由一级离心压气机压缩到3.8巴。压缩空气导入间壁换热器22，并在间壁换热器中用涡轮排气的废热提高压缩空气的温度。为了利于延长间壁换热器22的寿命，涡轮排气温度限制为大约1300°F。由于排气温度大约为1300°F，可由超级合金代替不锈钢制造间壁换热器22。根据消费者的经济需要可将间壁换热器22的效率设计为85％或90％。在最有效的结构中，用90％的回热效率，整个工作循环网的效率为30％，用柴油产生高热值时热耗率大约为11900BTU/kWh。

在间壁换热器22中加热后，压缩空气被导入燃烧室24，在燃烧室中附加热使压缩空气的温度增加到1650°F。燃烧室24按传统设计产生的诺克斯水平低于25ppm。使用催化剂的燃烧室24产生的诺克斯比实际上是不可测的(市场上的诺克斯感受器限制为2-3ppm的探测范围)。高热焓的燃气再通过涡轮14膨胀。叶轮52，涡轮64，转子34和联接轴75一发动机核心50中的唯一运动件一作为一个整体元件在大约80000rpm或更高的高转速下旋转。结果发电机输出频率大约为1200hz，再由转换器40将频率减为与电网相适应的50或60周。这样即可成为典型的轻重量(大约为类似的柴油发电机大小的三分之一)和小尺寸(例如，大约为3英尺×5英尺×6英尺高)的高功率发电机。

通过利用最少的材料传递大功率的高速元件，使得大功率轻重量在技术上成为可能。这些元件完全被整装在防风化的外壳中。发电系统10“插上即可运转”，只需要略多提供一些清洁燃料，液体或固体。

这里公开的发电系统10可用多种燃料，包括天然气，柴油和JP-8。发电系统10热特性低，产生的噪音小。使用气体轴承取消了油基轴承所需的润滑系统。发电系统10由于单独移动部件的设计，可靠性高和维护要求最少。使用固态电子转换器可改变系统10的交流电输出。由于组件设计和整装设计而装配更方便，同时由于系统10只有一个运动部分，主要部件易于接近，因此维修方便。发动机核心50的长，宽和高可以调节，以适应宽范围变化的尺寸要求。

发电系统10比内燃机更小，更轻，燃油效率更高并具有更低的热特性，噪音，维护和成本负担。因此，由于它的低安装成本、高效率、高可靠性和简单，维修成本低，与类似大小的发电机相比，发电系统10运行费用和固定成本更低。

发电系统10有各种可能的用途。这些用途包括脱开电网以单独供电，并入电网以削平峰值，持续负载或基本维护载荷，意外情况备用和不间断供电，用作原动机(例如泵，空调)和机动复合运载工具。

本发明并不局限于上述的特定实施例。例如，本发明的结构也可没有发电机16。涡轮功可直接输出和应用，作为致冷系统的机械驱动。因此，本发明可按照下面的权利要求进行解释。

Claims (19)

1.用以发电的小型涡轮机发电系统，包括：

一个用以将燃气热能转化为机械能的涡轮；

一个将涡轮产生的机械能转化为电能的能量转换器；

一个单轴，它将涡轮和能量转换器以预应力联接在一起，使得能量转换器和涡轮一起旋转，由此利用涡轮输出的机械能发电。

2.根据权利要求1所述的小型涡轮机发电系统，还包括：

一个燃烧室，它通过点燃空气和燃料的混合物产生燃气热能；

一个将燃料供给燃烧室的燃料供给部分；

一个压缩进口空气并将压缩空气供给燃烧室的压气机；

涡轮接受燃烧释放的热空气；

上述压气机以预应力通过轴使压气机和涡轮及能量转换器结合在一起，使得压气机与涡轮一起旋转，由此利用涡轮输出的机械能驱动压气机。

3.根据权利要求2所述的小型涡轮机发电系统，其特征在于：压气机位于涡轮和能量转换器之间。

4.根据权利要求2所述的小型涡轮机发电系统，还包括：用于加热压缩空气混合物、与压气机相连的间壁换热器，该间壁换热器还包括第一和第二通道，第一通道接受由压气机流出的高温压缩空气并将热端更高温度的压缩空气供给燃烧室，第二通道接受涡轮流出的高温排气并使排气温度降低。

5.根据权利要求2所述的小型涡轮机发电系统，其特征在于：能量转换器包括一发电机，该发电机由涡轮发出的机械功驱动，并在涡轮驱动时产生交流电。

6.根据权利要求5所述的小型涡轮机发电系统，其特征在于：能量转换器还包括与发电机耦合的整流器，以将发电机产生的交流电整流。

7.根据权利要求6所述的小型涡轮机发电系统，其特征在于：能量转换器还包括与整流器耦合的转换器，它接受整流器产生的直流电并将其转换为预先选定频率的交流电。

8.根据权利要求7所述的小型涡轮机发电系统，其特征在于：上述交流电的频率与涡轮速度无关。

9.根据权利要求2所述的小型涡轮机发电系统，还包括：支承燃料进口、空气进口、压气机、间壁换热器、燃烧室、涡轮、发电机、整流器和转换器的装置，使得系统作为组装件而存在。

10.根据权利要求2所述的小型涡轮机发电系统，其特征在于：燃烧室包括能使燃料和空气混合物充分反应和氧化的催化媒。

11.根据权利要求2所述的小型涡轮机发电系统，其特征在于：涡轮包括排气通道，压气机包括与涡轮排气通道正交的进气通道。

12.一种小型涡轮机发电系统，它包括旋转组件，该旋转组件包括通过单轴以预应力配合在一起的功率输出轮和发电转子，以有利于非破坏性的高转速。

13.一种小型涡轮机发电系统，包括：

一个旋转组件，该旋转组件包括叶轮，发电机转子，涡轮和预应力联接轴，该联接轴从转子和叶轮的孔中伸出，联接轴的一端固定在涡轮上；

一个向涡轮提供热膨胀燃气的燃烧室组件；

一个加热由叶轮压缩的空气的热交换组件，。

14.根据权利要求13所述的系统，还包括一个用以控制燃烧室的燃料流量的电子组件。

15.根据权利要求13所述的系统，其特征在于：涡轮是无孔的。

16.一种小型涡轮机发电系统的旋转组件，该旋转组件包括：

一个叶轮；

一个发电机转子；

一个涡轮；

一个预应力联接轴，它从转子和叶轮的孔中伸出，联接轴的一端固定在涡轮上。

17.一种小型涡轮机发电系统的发动机核心，该发动机核心包括：

一个单轴；

一个发电机，该发电机包括壳体和转子，转子可绕轴旋转；

第一和第二轴颈箔片轴承以支撑轴，上述第一和第二轴颈轴承位于发电机的相对端；

涡轮，它包括固定在轴一端的涡轮和轴向支撑轴的止推箔片轴承；上述止推箔片轴承位于发电机和涡轮之间。

18.根据权利要求17所述的发动机核心，还包括一台压气机，该压气机包括绕轴旋转的叶轮。

19.根据权利要求18所述的发动机核心，其特征在于：对轴预加应力。