DE19833420C1

DE19833420C1 - Elektromechanischer Energiewandler mit mitlaufender Verbrennungsturbine

Info

Publication number: DE19833420C1
Application number: DE1998133420
Authority: DE
Inventors: Harald Gosebruch
Original assignee: Piller GmbH
Current assignee: Piller Group GmbH
Priority date: 1998-07-24
Filing date: 1998-07-24
Publication date: 1999-10-28
Anticipated expiration: 2018-07-25

Abstract

Zum Bereitstellen einer unterbrechungsfreien Stromversorgung unter Verwendung einem einen Rotor (10) aufweisenden, als Motor oder als Generator betreibbaren elektromechanischen Energiewandler (6) und einer eine Welle (11) ausweisenden Brennkraftmaschine (7), wird eine Versorgungsspannung, deren Unterbrechungen zu überbrücken sind, an den elektromechanischen Energiewandler (6) angelegt, um diesen als Motor zu betreiben. Die Welle (11) der Brennkraftturbine (7) wird drehfest an den Rotor (10) des elektromechanischen Energiewandlers angekoppelt, so daß die Welle (11) und der Rotor (11) mit derselben Drehzahl umlaufen. Der Gasdruck in der Brennkraftturbine (7) wird reduziert, solange die Versorgungsspannung vorliegt. Wenn die Versorgungsspannung ausfällt, wird der Gasdruck in der Brennkraftturbine (7) auf einen Betriebsdruck erhöht und die Brennkraftturbine (7) wird zum Betreiben des elektromechanischen Energiewandlers (6) als Generator angefahren.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer unterbrechungsfreien Stromversorgung unter Verwendung eines einen Rotor aufweisenden, als Motor oder als Generator betreibbaren elektromechanischen Energiewandlers und einer eine Welle aufweisenden Brennkraftmaschine, wobei der Rotor an die Welle ankoppelbar ist. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer unterbrechungsfreien Stromversorgung mit einem einen Rotor aufweisenden, als Motor oder als Generator betreibbaren elektromechanischen Energie wandler und einer eine Welle aufweisenden Brennkraftmaschine. Der elektromechanische Energiewandler kann eine elektrische Synchron- oder Asynchronmaschine sein.

Bei der Bereitstellung einer unterbrechungsfreien Stromversor gung geht es vielfach darum, das teilweise oder vollständige Zusammenbrechen eines Stromnetzes zu kompensieren, indem ein Generator den nicht aus dem Stromnetz zur Verfügung stehenden Strom bereitstellt. Dabei ist insbesondere für längerfristige Ausfälle des Stromnetzes eine Brennkraftmaschine zum Antreiben des Generators erforderlich.

Die Erfindung befaßt sich konkret mit einer Anordnung, bei dem der Generator von einem elektromechanischen Energiewandler ausgebildet wird, der als Motor betrieben wird, solange beispielsweise das Stromnetz die erforderliche Versorgungs spannung liefert. Auf diese Weise wird in dem umlaufenden Rotor des elektromechanischen Energiewandlers kinetische Energie gespeichert, die zum Überbrücken kurzzeitiger Ausfälle der Versorgungsspannung genutzt werden kann. Bei längerfristigen Ausfällen wird eine Brennkraftmaschine angefahren und mit ihrer Welle an den Rotor des elektromechanischen Energiewandlers angekoppelt, damit diese über einen längeren Zeitraum als Generator betrieben werden kann.

Das Anfahren der Brennkraftmaschine erfordert einen gewissen Zeitraum, bis sie auf eine solche Drehzahl gebracht ist, daß sie an den Rotor des elektromechanischen Energiewandlers angekoppelt werden kann. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß es sich bei der Brennkraftmaschine typischerweise um einen Dieselmotor handelt, der in der Regel nur sehr selten angefahren wird, so daß sehr kurze Anfahrzeiten nicht immer eingehalten werden können. Bei Vorrichtung mit einem elektromechanischen Energiewandler und einem Dieselmotor besteht zudem eine Schwierigkeit in der Erreichung einer hohen Leistungsdichte, was die Baugröße und das Gewicht der Vorrichtung anbelangt. Bei den typischen Drehzahlen eines Dieselmotors erreicht ein elektromechanischer Energiewand ler nur eine geringe Leistungsdichte. Ein zusätzliches Getriebe zwischen dem elektromechanischen Energiewandler und dem Diesel motor wirkt sich seinerseits nachteilig auf die Leistungsdichte aus. Auch die Dieselmotoren selbst weisen eine vergleichsweise geringe Leistungsdichte auf. Gerade bei einem Leistungsbedarf im Megawattbereich ergeben sich so sehr große und schwere Vorrich tungen. Hinzu kommt, daß die Dieselmotoren solcher Vorrichtungen beim Anfahren und auch im Betrieb Erreger kräftiger Schwingungen sind, die in aufwendiger Weise gedämpft werden müssen oder die zumindest eine aufwendige Lagerung der Vorrichtung erfordern.

Zur Stromversorgung von Verkehrsflugzeugen bei abgeschalteten Triebwerken ist eine Vorrichtung mit einem Generator bekannt, dessen Rotor drehfest mit der Welle einer Brennkraftturbine verbunden ist. Bei den typischen Drehzahlen einer Brennkraft turbine im Bereich einiger 10.000 U/min weist diese Vorrichtung eine sehr hohe Leistungsdichte auf. Der Generator kann als Motor zudem zum Starten der Brennkraftturbine verwendet werden. Die bekannten Stromversorgungsvorrichtungen für Verkehrsflugzeuge weisen eine Leistung in der Größenordnung von 100 bis 200 kW auf.

Aus der US 5,481,145 ist eine Vorrichtung mit einer Gasturbine und einem Generator bekannt, bei der die Welle der Gasturbine mit dem Rotor des Generators drehfest verbunden ist. Diese Vorrichtung ist zur Erzeugung von Strom im Megawattbereich geeignet. Die Gasturbine der bekannten Vorrichtung ist keine Brennkraftturbine, sondern eine passive Gasturbine, die durch zuvor komprimiertes, sich ausdehnendes Gas angetrieben wird.

Aus der US 4,077,748 ist eine Turbomaschinenanlage mit einem elektromechanischen Energiewandler, einem Verdichter und einer Gasturbine bekannt, wobei der Verdichter eine Welle aufweist, die drehfest an den Rotor des elektromechanischen Energiewand lers angekoppelt ist. Der Verdichter wird von dem elektromecha nischen Energiewandler angetrieben, um Luft zu komprimieren und in einen Druckluftspeicher einzupumpen. Wenn der elektromecha nische Energiewandler als Generator betrieben werden soll, dient zu seinem Antrieb die Gasturbine, die nicht als Brennkraft turbine sondern als passive Gasturbine ausgebildet ist und die mit Druckluft aus dem Druckluftspeicher angetrieben wird. Zur Vereinfachung des Aufbaus der bekannten Vorrichtung wird vorgeschlagen, auch die Welle der Gasturbine starr mit dem Rotor des elektromechanischen Energiewandlers zu verbinden. Um die Leistungsverluste durch den mitlaufenden Verdichters bei dem Betrieb des elektromechanischen Energiewandlers als Generator unter Antrieb durch die Gasturbine zu reduzieren, ist es vorgesehen, die eingangsseitige Luftzufuhr zu dem Verdichter zu sperren, so daß sich ein Unterdruck in dem Verdichter ausbildet. Der Unterdruck soll aber nicht so klein sein, daß durch den sogenannten "Rotating Stall"-Effekt Beschädigungen des Verdich ters auftreten können. Bezüglich der mitlaufenden Gasturbine beim Betrieb des elektromechanischen Energiewandlers als Motor zum Antreiben des Verdichters wird darauf verwiesen, daß die Ventilationsverluste durch die Gasturbine zumindest bei großen Ladeverhältnissen der Turbomaschinenanlage nur klein sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art aufzuzeigen, mit denen eine unterbrechungsfreie Stromversorgung bereitgestellt werden kann, die sich durch eine hohe Leistungsdichte beim Betrieb des elektromechanischen Energiewandlers als Generator und durch geringe Leistungsverluste beim Betrieb des elektro mechanischen Energiewandlers als Motor auszeichnet. Dabei sollen sowohl das Verfahren als auch die Vorrichtung nicht nur für die klassischen Anwendungen einer unterbrechungsfreien Strom versorgung geeignet sein, bei denen der elektromechanische Energiewandler nur im Notfall als Generator betrieben wird. Vielmehr sollen sich auch Anwendungen eröffnen, bei denen der von der Brennkraftmaschine angetriebene und als Generator betriebene elektromechanische Energiewandler eine alternative Stromquelle beispielsweise zu Akkumulatoren darstellt oder zur Leistungsspitzenabdeckung dient.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Verfahren zum Bereit stellen einer unterbrechungsfreien Stromversorgung unter Verwendung eines einen Rotor aufweisenden, als Motor oder als Generator betreibbaren elektromechanischen Energiewandlers und einer eine Welle aufweisenden Brennkraftturbine durch die Schritte gelöst:

- Anlegen einer Versorgungsspannung, deren Unterbrechungen zu überbrücken sind, an den elektromechanischen Energiewandler, um diesen als Motor zu betreiben;
- drehfestes Ankoppeln der Welle der Brennkraftturbine an den Rotor des elektromechanischen Energiewandlers, so daß die Welle und der Rotor mit derselben Drehzahl umlaufen;
- Reduzieren des Gasdrucks in der Brennkraftturbine, solange die Versorgungsspannung vorliegt; und
- Erhöhen des Gasdrucks in der Brennkraftturbine auf einen Betriebsdruck, Anfahren der Brennkraftturbine und Betreiben des elektromechanischen Energiewandlers als Generator, wenn die Versorgungsspannung ausfällt.

Durch das Betreiben des elektromechanischen Energiewandlers mit der Versorgungsspannung als Motor wird kinetische Energie gespeichert, die beim Ausfall der Versorgungsspannung sofort zur Verfügung steht. Diese kinetische Energie kann durch eine Erhöhung der Schwungmasse des Rotors oder durch drehfestes Ankoppeln einer separaten Schwungmasse erhöht werden. Das drehfeste Ankoppeln der Welle der Brennkraftturbine an den Rotor des elektromechanischen Energiewandlers ist konstruktiv besonders einfach lösbar, indem gar keine oder zumindest keine schaltbare Kupplung zwischen dem Rotor des elektromechanischen Energiewandlers und der Welle der Brennkraftturbine vorgesehen wird. Zudem steht die Schwungmasse der Brennkraftturbine für das Überbrücken kurzzeitiger Zusammenbrüche der Versorgungsspannung mit zur Verfügung. Die Leistungsverluste durch die stets mit laufende Brennkraftturbine, d. h. sogenannte Leerlaufverluste, werden durch das Reduzieren des Gasdrucks in der Brennkraft turbine reduziert. Wenn die Brennkraftturbine zum Antreiben des Rotors benötigt wird, damit der elektromechanische Energie wandler als Generator betrieben werden kann, reicht es aus, den Gasdruck in der Brennkraftturbine auf den Betriebsdruck zu erhöhen und die Brennkraftturbine anzufahren. Dabei bedeutet Anfahren hier aber nicht, daß die Brennkraftturbine erst auf Drehzahl gebracht werden muß, da sie sich bereits auf einer Drehzahl im Bereich ihrer Betriebsdrehzahl befindet. Es muß nur die Brennstoffzufuhr gestartet und die Zündung ausgelöst werden. Das Anfahren der Brennkraftturbine ist daher besonders zuver lässig in kurzen Zeiträumen möglich, wobei die volle Leistung der Brennkraftturbine sehr schnell zur Verfügung steht.

Das Erhöhen des Gasdrucks in der Brennkraftturbine bremst die Schaufeln der Brennkraftturbine ab. Dies kann natürlich dadurch kompensiert werden, daß die Brennkraftturbine beim Betrieb des elektromechanischen Energiewandlers als Motor auf einer deutlich höheren Drehzahl gehalten wird, als sie ihrer Betriebsdrehzahl entspricht. Die für das Erhöhen des Gasdrucks in der Brennkraft turbine, ohne die Brennkraftturbine abzubremsen, erforderliche Energie kann aber auch aufgebracht werden, indem die zum Redu zieren des Gasdrucks in der Brennkraftturbine zuvor eingesetzte Energie zurückgewonnen wird.

Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die Brennkraft turbine zum Erhöhen des Gasdrucks zunächst eingangsseitig belüftet wird. Der Unterdruck in der Brennkraftturbine saugt dann Luft aus der Umgebung an. Die dabei auftretenden Beschleu nigungen der Luft kompensieren die Abbremsung der Schaufeln der Brennkraftturbine durch den sich erhöhenden Gasdruck.

Um einen Unterdruck in der Brennkraftturbine ausbilden zu können, muß die Brennkraftturbine abgedichtet werden. Die Abdichtung muß aber auch sehr schnell wieder aufgehoben werden können, um die Brennkraftturbine anzufahren. Diese Bedingungen können leichter erfüllt werden, wenn zum Reduzieren des Gas drucks in der Brennkraftturbine der Gasdruck in der Umgebung der Brennkraftturbine reduziert wird. Das heißt, es wird ein spezielles Unterdruckgehäuse ausgebildet, das einerseits die Ausbildung des Unterdrucks in der Brennkraftturbine ermöglicht und andererseits eine rasche Belüftung der Brennkraftturbine zum Anfahren der Brennkraftturbine erlaubt.

Wenn ein solches Unterdruckgehäuse nur die Brennkraftturbine umgibt, muß eine Drehdurchführung für die Welle der Brennkraft turbine zu dem Rotor des elektromechanischen Energiewandlers vorgesehen sein. Um eine solche Durchführung zu vermeiden, kann zum Reduzieren des Gasdrucks in der Umgebung der Brennkraft turbine der Gasdruck in einem den elektromechanischen Energie wandler und die Brennkraftturbine umgebenden Unterdruckgehäuse reduziert werden. Auf diese Weise können auch Energieverluste durch Wirbelbildung an dem Rotor des elektromechanischen Energiewandlers reduziert werden.

Zum Reduzieren des Gasdrucks nur in der Brennkraftturbine oder auch in der Umgebung der Brennkraftturbine kann eine Axialpumpe drehfest an den Rotor des elektromechanischen Energiewandlers angekoppelt werden. Beim Anfahren der Brennkraftturbine kann die Axialpumpe eingangsseitige gesperrt werden. Es ist aber auch unschädlich, wenn die Axialpumpe in solchen Fällen mitläuft, da ihre Leistungsaufnahme im Vergleich zu der von der Brennkraft turbine erzeugten Leistung typischerweise nur sehr gering ist.

Eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer unterbrechungsfreien Stromversorgung, mit einem einen Rotor aufweisenden, als Motor oder als Generator betreibbaren elektromechanischen Energie wandler und einer eine Welle aufweisenden Brennkraftturbine löst die erfindungsgemäße Aufgabe, wenn der elektromechanische Energiewandler zum Anschluß an eine Versorgungsspannung vorge sehen ist, deren Unterbrechungen zu überbrücken sind, wobei die Welle der Brennkraftturbine drehfest an den Rotor des elektro mechanischen Energiewandlers angekoppelt ist, so daß die Welle und der Rotor mit derselben Drehzahl umlaufen, wobei Mittel vorgesehen sind, die den Gasdruck in der Brennkraftturbine reduzieren, solange die Versorgungsspannung vorliegt, und wobei eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die den Gasdruck in der Brennkraftturbine auf einen Betriebsdruck erhöht und die Brenn kraftturbine anfährt, um den elektromechanischen Energiewandler als Generator zu betreiben, wenn die Versorgungsspannung ausfällt. Dabei kann der Rotor des elektromechanischen Energiewandlers bzw. die Welle der Brennkraftturbine mit einer zusätzlichen Schwungmasse versehen sein, deren kinetische Energie zum Überbrücken von Unterbrechungen der Versorgungs spannung und zum Erhöhen des Gasdrucks in der Brennkraftturbine oder auch zum Anfahren der Brennkraftturbine zusätzlich zur Verfügung steht. Die Vorrichtung ist im übrigen nicht nur als Notstromversorgung und damit als Ergänzung zu einem üblichen Stromnetz geeignet. Bei der Versorgungsspannung kann es sich auch um die Ausgangsspannung von Akkumulatoren beispielsweise eines U-Boots handeln, wobei die Brennkraftturbine dann den üblichen Dieselmotor zum Betreiben eines Generators bei aufgetauchtem U-Boot ersetzt. Die Vorrichtung hat dabei gegenüber dem Stand der Technik die wesentlichen Vorteile, daß sie eine sehr große Leistungsdichte im Vergleich zur Kombination eines Generators mit einem Dieselmotor aufweist, d. h. nur ein geringes Gewicht besitzt und nur einen geringen Bauraum benötigt, und daß die durch die Brennkraftturbine angeregten Schwingungen des U-Boots verglichen mit einem Dieselmotor überhaupt geringer sind und in einem viel höheren Frequenz bereich liegen, in dem eine Dämpfung oder Dämmung leichter möglich ist.

Bei der Vorrichtung kann ein die Brennkraftturbine aufnehmendes Unterdruckgehäuse vorgesehen sein, das durch die Mittel, die den Gasdruck in der Brennkraftturbine reduzieren, ausgepumpt wird. Dabei sind die Mittel, die den Gasdruck in der Brennkraftturbine reduzieren, typischerweise so angeschlossen, daß sie das Unter druckgehäuse auspumpen und so den Gasdruck in der Brennkraft turbine mittelbar beeinflussen.

Das Unterdruckgehäuse kann auch den elektromechanischen Energiewandler aufnehmen.

Die Mittel, die den Gasdruck in der Brennkraftturbine reduzie ren, weisen vorzugsweise eine drehfest an den Rotor angekoppelte Axialpumpe auf. Die Axialpumpe kann ein Ventil aufweisen, mit dem die Saugseite der Axialpumpe absperrbar ist.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau der neuen Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 den Aufbau der Vorrichtung in einer zweiten Ausfüh rungsform beim Betrieb des elektromechanischen Energiewandlers als Motor,

Fig. 3 das Erhöhen des Gasdrucks in der Brennkraftturbine bei der Vorrichtung gemäß Fig. 2,

Fig. 4 die Vorrichtung gemäß den Fig. 2 und 3 beim Betreiben des elektromechanischen Energiewandlers als Generator und

Fig. 5 eine dritte Ausführungsform der Vorrichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 1 dient zum unter brechungsfreien Versorgen eines Verbrauchers 2 mit Strom. Der Verbraucher 2 ist über Leitungen 3 und einen Schalter 4 an einer Wechselstromquelle 5 angeschlossen. Die Wechselstromquelle 5 kann ein öffentliches Stromnetz, ein Generator oder auch ein Akkumulator mit nachgeschaltetem Wechselrichter sein. Die Vor richtung 1 dient zum Überbrücken von Ausfällen der Wechsel stromquelle 5. Sie weist als wesentliche Bestandteile einen elektromechanischen Energiewandler 6 und eine Brennkraftturbine 7 auf. Der elektromechanische Energiewandler 6 kann sowohl als Motor als auch als Generator betrieben werden. Bei geschlossenem Schalter 4 und aktiver Wechselstromquelle 5 wird der elektro mechanische Energiewandler 6 als Motor betrieben, wobei er über Zuleitungen 8 mit den Leitungen 3 zwischen dem Schalter 4 und dem Verbraucher 2 verbunden ist. Die Zuleitungen 8 laufen durch eine Steuereinrichtung 9. Wenn die Wechselstromquelle 5 aus fällt, öffnet die Steuereinrichtung 9 den Schalter 4, und der elektromechanische Energiewandler 6 wird als Generator betrieben. Energiequelle ist dabei zunächst die kinetische Energie eines Rotors 10 des elektromechanischen Energiewandlers 6. Parallel wird die Brennkraftturbine 7 angefahren, deren Welle 11 drehfest mit dem Rotor 10 verbunden ist. Das heißt, auch beim Betreiben des elektromechanischen Energiewandlers 6 als Motor läuft die Welle 11 der Brennkraftturbine 7 mit der gleichen Drehzahl wie der Rotor 10 des elektromechanischen Energie wandlers 6 um. Sie befindet sich damit bereits auf einer Drehzahl, die mit ihrer Betriebsdrehzahl identisch ist oder zumindest in deren Nähe liegt. Um bei diesem Leerlaufen der Brennkraftturbine 7 Energieverluste durch Wirbelbildung an den Schaufelrädern 12 der Brennkraftturbine 7 zu reduzieren, wird der Gasdruck in der Brennkraftturbine 7 während des Betriebs des elektromechanischen Energiewandlers 6 reduziert. Zum Anfahren der Brennkraftturbine wird der Gasdruck in der Brennkraftturbine auf den Betriebsdruck erhöht, Brennstoff 13 zugeführt und die Zündung der Brennkraftturbine ausgelöst. Der Typ des Brennstoff 13 richtet sich nach dem speziellen Typ der Brennkraftmaschine und schließt grundsätzlich Erdgas, Kerosin, Benzin und Diesel sowie weitere übliche und weniger übliche Brennstoffe ein. Der von dem elektromechanischen Energiewandler 6 in seinem Betrieb als Generator erzeugte Strom wird durch die Steuereinrichtung 9 unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftturbine 7 bzw. des elektromechanischen Energiewandlers 6 auf die gewünschte Fre quenz für den Verbraucher 2 gebracht. Aufgrund ihrer sehr hohen Betriebsdrehzahl von typischerweise 30.000 bis 40.000 U/min können der elektromechanische Energiewandler 6 und die Brenn kraftturbine 7 auch bei einer erreichbaren Leistung von über 1 MW sehr kompakt und leicht gehalten werden. Gleichzeitig erfolgt weder im Betrieb des elektromechanischen Energiewandlers 6 als Motor noch im Betrieb als Generator eine nennenswerte Schwin gungsanregung durch die Vorrichtung 1. Voraussetzung hierfür ist allein, daß der Rotor 10 und die Welle 11 mit den Schaufelrädern 12 ausreichend gut gewuchtet sind. Verbleibende Unwuchten, die bezüglich der Stabilität der Vorrichtung 1 zu tolerieren sind, führen auch nur zu sehr hochfrequenten Schwingungsanregungen, daß eine Dämpfung bzw. Dämmung leicht möglich ist. Die Reduktion des Gasdrucks in der Brennkraftturbine 7 während des Betriebs des elektromechanischen Energiewandlers 6 als Motor darf nicht so weit betrieben werden, daß sich die verbleibende Strömung in der Brennkraftturbine von den Schaufelrädern 12 dynamisch ab löst. Bei diesem sogenannten Rotating Stall-Effekt treten lokal sehr große Kräfte auf, die zu Beschädigungen der Brennkraft turbine führen können.

Während Fig. 1 nur den prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung 1 zeigt, ohne näher auf die Reduzierung des Gasdrucks in der Brennkraftturbine 7 einzugehen, betrifft die in den Fig. 2 bis 4 dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung 1 ein konkretes Prinzip, wie der Gasdruck in der Brennkraftturbine 7 reduziert und bei Bedarf gezielt wieder erhöht werden kann. Die Brenn kraftturbine 7 ist dabei von einem Unterdruckgehäuse 14 umgeben. Die Wandung des Unterdruckgehäuses 14 wird zum Teil von der Wandung der Brennkraftturbine 7 selbst ausgebildet. Die Welle 11 der Brennkraftturbine 7 tritt durch eine Drehdurchführung 15 aus dem Unterdruckgehäuse 14 zu dem Rotor 10 des elektromechanischen Energiewandlers 6 hin aus. Das Unterdruckgehäuse 14 wird von einer Axialpumpe 16, die drehfest an die Welle 11 der Brenn kraftturbine 7 angekoppelt ist, ausgepumpt. Das Auspumpen kann über alle Betriebszustände der Vorrichtung 1 hinweg erfolgen.

Die Steuereinrichtung 9 gemäß Fig. 1 kann beim Betrieb des elektromechanischen Energiewandler 6 als Generator die Axialpumpe 16 aber auch eingangsseitig sperren, um die mit ihrem Betrieb verbundene Verlustleistung zu reduzieren und um die Axialpumpe 16 vor den heißen Austrittsgasen der Brennkraft turbine 7 zu schützen.

Fig. 2 zeigt die Vorrichtung 1 beim Betrieb des elektromecha nischen Energiewandlers 6 als Motor. Dabei sind Luftzufuhrklap pen 17 des Unterdruckgehäuses 14 an der Lufteintrittsseite der Brennkraftturbine 7 ebenso geschlossen wie eine Abgasaustritts klappe 18 an der Abgasaustrittsseite der Brennkraftturbine 7. Das Absaugen von Gas aus dem Unterdruckgehäuse 14 durch die Axi alpumpe 16 führt damit zu einer Reduktion des Gasdrucks in dem Unterdruckgehäuse 14 und somit auch in der Brennkraftturbine 7.

Zum Anfahren der Brennkraftturbine 7 werden gemäß Fig. 3 die Luftzufuhrklappen 17 von der hier nicht dargestellten Steuerein richtung 9 gemäß Fig. 1 geöffnet, so daß Luft 19 von außen in die Brennkraftturbine 7 eintreten kann. Die Luft 19 wird durch den Unterdruck in dem Unterdruckgehäuse 14 angesaugt und durch die Brennkraftturbine 7 hindurchgesaugt. Die damit einhergehende Beschleunigung der angesaugten Luft 19 stellt eine Energierück gewinnung der zuvor zum Auspumpen des Unterdruckgehäuses 14 aufgewandten Energie dar. Die rückgewonnene Energie wird dazu benutzt, die Abbremsung der Schaufelräder 12 der Brennkraft turbine 7, die mit dem ansteigenden Gasdruck in der Brennkraft turbine 7 einhergeht, zu kompensieren. Dabei bleibt die Abgas austrittsklappe 18 noch geschlossen, weil in dem abgasaustritts seitigen Teil des Unterdruckgehäuses 14 zunächst noch ein Unter druck vorliegt.

Sobald die Brennkraftturbine 7 angefahren ist und Abgas 20 ausstößt, öffnet sich die Abgasaustrittsklappe 18 automatisch, da jetzt in dem abgasaustrittsseitigen Teil des Unterdruck gehäuses 14 ein Überdruck vorliegt. Dies ist in Fig. 4 darge stellt.

Bei der Ausführungsform der Vorrichtung 1 gemäß den Fig. 1 bis 4 befindet sich der elektromechanische Energiewandler 6 außer halb des Unterdruckgehäuses 14. Fig. 5 zeigt eine Ausführungs form der Vorrichtung 1, bei der auch der elektromechanische Energiewandler 6 innerhalb des Unterdruckgehäuses 14 angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, daß die Drehdurchführung 15 zwischen der Brennkraftturbine 7 und dem elektromechanischer Energie wandler 6 entfallen kann. Darüber hinaus läuft auch der Rotor 10 des elektromechanischen Energiewandlers 6 unter reduziertem Gasdruck um, so daß auch hier Energieverluste durch Wirbel bildung reduziert werden. Zudem ist der Rotor 10 des elektro mechanischen Energiewandlers 6 gemäß Fig. 5 mit einem zusätzlichen Schwungrad 21 drehfest verbunden, das zusätzliche kinetische Energie speichert. Auch die Wirbelbildung beim Umlaufen des Schwungrads 21 wird durch die Druckreduktion in dem Unterdruckgehäuse 14 reduziert. Die Axialpumpe 16 ist hier an der der Brennkraftturbine 7 abgekehrten Rückseite des elektrom echanischen Energiewandlers 6 angeordnet. Das Unterdruckgehäuse 14 umschließt den elektromechanischen Energiewandler 6 und die Brennkraftturbine 7 unter Ausbildung von zwei als Unterdruck speicher dienenden Bereichen 22 und 23. Zur Abtrennung dieser Bereiche sind Luftströmungsdrosseln 24 und 25 zwischen der Wandung des elektromechanischen Energiewandlers 6 bzw. der Brennkraftturbine 7 und der Wandung des Unterdruckgehäuses 14 vorgesehen. Bei dem sich über sehr lange Zeiträume erstreckenden Auspumpen des Unterdruckgehäuses 14 mit der Axialpumpe 16 machen sich die Luftströmungsdrosseln 24 und 25 letztlich kaum bemerk bar. Sie haben aber eine wichtige Funktion beim Erhöhen des Gasdrucks in der Brennkraftturbine 7 und beim Anfahren der Brennkraftturbine 7. Die Luftströmungsdrossel 24 stellt sicher, daß der Unterdruck in dem Bereich 22 des Unterdruckgehäuses 14 auch dann nicht zusammenbricht, wenn die Luftzufuhrklappen 17 geöffnet werden. Auf diese Weise bleibt im Bereich des elektro mechanischen Energiewandlers 6 und insbesondere der Schwungmasse 21 ein gewisser Unterdruck erhalten. Damit wird dafür gesorgt, daß ein plötzlicher Druckanstieg im Bereich des elektromecha nischen Energiewandlers 6 und des Schwungrads 21 nicht zu einer Abbremsung des Rotors 10 führt. Die Luftströmungsdrossel 25 stellt sicher, daß der in dem Bereich 23 herrschende Unterdruck beim Öffnen der Luftzufuhrklappen 17 im wesentlichen durch die Brennkraftturbine 7 hindurch ausgeglichen wird, so daß die in dem Unterdruck gespeicherte Energie zum abbremsungsfreien Erhöhen des Gasdrucks in der Brennkraftturbine genutzt werden kann.

Bezugszeichenliste

1

- Vorrichtung

2

- Verbraucher

3

- Leitung

4

- Schalter

5

- Wechselstromquelle

6

- elektromechanischer Energiewandler

7

- Brennkraftturbine

8

- Zuleitungen

9

- Steuereinrichtung

10

- Rotor

11

- Welle

12

- Schaufelrad

13

- Brennstoff

14

- Unterdruckgehäuse

15

- Drehdurchführung

16

- Axialpumpe

17

- Luftzufuhrklappe

18

- Abgasaustrittsklappe

19

- Luft

20

- Abgas

21

- Schwungrad

22

- Bereich

23

- Bereich

24

- Luftströmungsdrossel

25

- Luftströmungsdrossel

Claims

1. Verfahren zum Bereitstellen einer unterbrechungsfreien Stromversorgung unter Verwendung eines einen Rotor (10) aufweisenden, als Motor oder als Generator betreibbaren elektromechanischen Energiewandlers (6) und einer eine Welle (11) aufweisenden Brennkraftturbine (7), mit den Schritten:

1. Anlegen einer Versorgungsspannung, deren Unterbrechungen zu überbrücken sind, an den elektromechanischen Energiewandler (6), um diesen als Motor zu betreiben;
2. drehfestes Ankoppeln der Welle (11) der Brennkraftturbine (7) an den Rotor (10) des elektromechanischen Energiewandlers (6), so daß die Welle (11) und der Rotor (10) mit derselben Drehzahl umlaufen;
3. Reduzieren des Gasdrucks in der Brennkraftturbine (7), solange die Versorgungsspannung vorliegt; und
4. Erhöhen des Gasdrucks in der Brennkraftturbine (7) auf einen Betriebsdruck, Anfahren der Brennkraftturbine (7) und Betreiben des elektromechanischen Energiewandlers (6) als Generator, wenn die Versorgungsspannung ausfällt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufbringen von für das Erhöhen des Gasdrucks in der Brennkraft turbine (7) erforderlicher Energie die zum Reduzieren des Gas drucks in der Brennkraftturbine (7) eingesetzte Energie zurück gewonnen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftturbine (7) zum Erhöhen des Gasdrucks zunächst ein gangsseitig belüftet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß zum Reduzieren des Gasdrucks in der Brennkraft turbine (7) der Gasdruck in der Umgebung der Brennkraftturbine (7) reduziert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Reduzieren des Gasdrucks in der Umgebung der Brennkraftturbine (7) der Gasdruck in einem den elektromechanischen Energiewandler (6) und die Brennkraftturbine (7) umgebenden Unterdruckgehäuse (14) reduziert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß zum Reduzieren des Gasdrucks in der Brennkraft turbine (7) eine Axialpumpe (16) drehfest an den Rotor (10) angekoppelt wird.

7. Vorrichtung zum Bereitstellen einer unterbrechungsfreien Stromversorgung, mit einem einen Rotor (10) aufweisenden, als Motor oder als Generator betreibbaren elektromechanischen Energiewandler (6) und einer eine Welle (11) aufweisenden Brennkraftturbine (7), wobei der elektromechanische Energie wandler (6) zum Anschluß an eine Versorgungsspannung vorgesehen ist, deren Unterbrechungen zu überbrücken sind, wobei die Welle (11) der Brennkraftturbine (7) drehfest an den Rotor (10) des elektromechanischen Energiewandlers (6) angekoppelt ist, so daß die Welle (11) und der Rotor (10) mit derselben Drehzahl um laufen, wobei Mittel (16) vorgesehen sind, die den Gasdruck in der Brennkraftturbine (7) reduzieren, solange die Versorgungs spannung vorliegt, und wobei eine Steuereinrichtung (9) vorge sehen ist, die den Gasdruck in der Brennkraftturbine (7) auf einen Betriebsdruck erhöht und die Brennkraftturbine (7) anfährt, um den elektromechanischen Energiewandler (6) als Generator zu betreiben, wenn die Versorgungsspannung ausfällt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Brennkraftturbine (7) aufnehmendes Unterdruckgehäuse (14) vorgesehen ist, das durch die Mittel (16), die den Gasdruck in der Brennkraftturbine (7) reduzieren, ausgepumpt wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterdruckgehäuse (14) auch den elektromechanischen Energiewandler (6) aufnimmt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, die den Gasdruck in der Brennkraftturbine (7) reduzieren, eine drehfest an den Rotor (10) angekoppelte Axialpumpe (16) aufweisen.