DE68919829T2

DE68919829T2 - Generator mit gasturbine.

Info

Publication number: DE68919829T2
Application number: DE68919829T
Authority: DE
Inventors: Hideo Kawamura
Original assignee: Isuzu Ceramics Research Institute Co Ltd
Current assignee: Isuzu Ceramics Research Institute Co Ltd
Priority date: 1988-10-20
Filing date: 1989-10-20
Publication date: 1995-04-27
Anticipated expiration: 2009-10-21
Also published as: DE68919829D1; EP0394481A4; JPH02112629A; US5432383A; EP0394481B1; WO1990004883A1; EP0394481A1; JP2717558B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Generatorsystem, welches an der Kraftabgabewelle einer Gasturbine befestigt wird und insbesondere auf ein elektrisches Generatorsystem für eine Gasturbine, welche elektrische Ausgangsleistung zum Antreiben von Rädern erzeugt, so daß ein Kraftfahrzeug angetrieben wird.
Gasturbinen, welche rotierende mechanische Ausgangsleistung, basierend auf Verbrennungsgasen, erzeugen, welche nach der Verbrennung von Kraftstoff erzeugt und bei hoher Temperatur unter Hochdruck zugeführt werden, sind mechanisch einfacher ausgestaltet und einfacher zu handhaben als Dampfturbinen- und Kolbenmaschinen. Da Gasturbinen eine hohe PS-Zahl bereitstellen, qualitativ minderwertigen Kraftstoff einsetzen können und wenig anfällig für Beschädigungen oder Vibrationen sind, werden sie als Hauptantriebsmotoren für elektrische Generatoren und Schiffe eingesetzt.
Bei einer Anwendungsform wird eine Gasturbine als Antriebsmotor für Automobile verwendet, welche einer großen Bandbreite an variierenden Lasten ausgesetzt werden. Insbesondere wird ein elektrischer Generator mit einer drehbaren Welle und einer Gasturbine verbunden und die durch den Generator erzeugte elektrische Ausgangsleistung einem auf der Antriebswelle der Räder montiertem elektrischen Motor zugeführt, wodurch das Automobil angetrieben wird.
Ein Variieren in Abhängigkeit von Laständerungen an der Gasturbine ist für die Rotationsgeschwindigkeit der Gasturbine nicht vorteilhaft. Der mit der Gasturbine verbundene elektrische Generator wird folglich immer mit einer Ausgangsleistung von der Gasturbine beaufschlagt, wenn sich diese mit hoher Geschwindigkeit dreht. Sofern der elektrische Generator nicht groß dimensioniert ist, kann er ein Kraftfahrzeug nicht mit geeignetem Wirkungsgrad antreiben. Wird ein kleiner bemessener Generator in Abhängigkeit vom Kraftfahrzeug verwendet, kann er nicht in ausreichendem Maße die Ausgangsleistung von der mit hoher Geschwindigkeit drehenden Turbine absorbieren.
Wenn die Turbine mit hoher Geschwindigkeit dreht, wie in Fig. 2 der beigefügten Zeichnungen dargestellt, wird der effektive Wirkungsgrad der Ausgangsleistung eines elektrisch mit der Turbine gekoppelten Generators höher, wenn die am elektrischen Generator anliegende Last höher ist, aber nimmt ab, wenn der elektrische Generator einer aufgeteilteren Last ausgesetzt wird. Wenn ein einziger elektrischer Generator den kompletten Belastungsbereich abdecken soll, dann verfehlt folglich ein derartiges System, den Wirkungsgrad des Generators zu erhöhen.
CH-A-445555 offenbart eine Gasturbine, bei der die Ausgangsleistung eines elektrischen Generators einem elektrischen, ein Fahrzeugrad antreibenden, Motor zugeführt wird.
In Anbetracht der vorgenannten Probleme ist es Aufgabe der Erfindung, ein elektrisches Generatorsystem zu schaffen, welches effektiv die Ausgangsleistung einer bei hoher Geschwindigkeit drehenden Gasturbine absorbieren kann, unabhängig davon, ob die mit dem Generatorsystem verbundene Last groß oder klein ist.
Gemäß der Erfindung ist ein elektrisches Generatorsystem für eine Gasturbine vorgesehen, bei welchem die Turbine durch die von einer Verbrennungsvorrichtung zugeführteh Abgasenergie angetrieben und die Ausgangsleistung von einem elektrischen Generator, welcher auf einer Turbinenwelle montiert ist, einem radantreibenden elektrischen Motor zugeführt wird, so daß ein Kraftfahrzeug bewegt wird, wobei das elektrische Generatorsystem gekennzeichnet ist durch mehrere elektrische Generatoren, welche auf einer Welle einer Gasturbine zum Trennen und Lagern der Ausgangsleistung der Turbine und zum Erzeugen darauf basierender elektrischer Energie montiert sind, durch Erfassungsmittel zum Erfassen der an dem fahrenden Kraftfahrzeug auftretenden Last, und durch Lastverteilungsmittel zum Aufbringen von Lasten auf die Generatoren in einem hohen Wirkungsgrad-Bereich in Abhängigkeit von einem Signal von den Erfassungsmitteln.
Bei dem erfindungsgemäßen elektrischen Generatorsystem sind die elektrischen Generatoren auf die drehbare Welle der durch Abgasenergie angetriebenen Turbine montiert, so daß die Ausgangsleistung der Turbine durch die elektrischen Generatoren geteilt und getragen wird. Die elektrischen Generatoren werden, zu jedem Zeitpunkt, wahlweise mit einem hohen Wirkungsgrad betrieben, in Abhängigkeit von der Rotationsgeschwindigkeit des Rades, und die erzeugte elektrische Energie wird dem elektrischen Motor zum Antreiben des Rades zugeführt.
In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 ein Blockdiagramm, welches ein elektrisches Generatorsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt; und
Fig. 2 ein Diagramm, welches den Ausgangswirkungsgrad eines Generators mit Bezug auf dessen Rotationsgeschwindigkeit darstellt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Gasturbine 1 und elektrische Generatoren, welche auf der Welle der Gasturbine 1 montiert sind. Die Gasturbine 1 wird mit Abgasenergie von einer Verbrennungsvorrichtung (nicht dargestellt) versorgt und dabei angetrieben. Die mit 11 gekennzeichnete Turbinenwelle wird drehbar durch Lager 12 getragen. Auf der Turbinenwelle 11 ist ein Turbinenrad 2, ein Kompressor 3, ein erster elektrischer Generator 4 und ein zweiter elektrischer Generator 5 montiert. Das Turbinenrad 2 wird durch die Abgasenergie angetrieben und erzeugt drehende mechanische Ausgangsleistung, welche den Kompressor 3 zum Zuführen von Luft zu der Verbrennungsvorrichtung antreibt. Die ersten und zweiten elektrischen Generatoren 4, 5 werden elektrisch mit einem mit einem Rad 8 gekoppelten elektrischen Motor 7 verbunden, durch eine Steuereinrichtung 6 (wird später beschrieben), so daß die erzeugte elektrische Leistung von den ersten und zweiten elektrischen Generatoren 4,5 zum elektrischen Motor 7 übertragen wird. Während nur ein Räderpaar 8 und elektrischen Motor 7 dargestellt ist, sind jeweils elektrischen Motoren den Rädern eines Kraftfahrzeuges zum Antreiben des Kraftfahrzeuges zugeordnet.
Die ersten und zweiten elektrischen Generatoren 4,5 weisen jeweils Rotoren 42, 52 und korrespondierende Statoren 41, 51 auf, welche jeweils den Rotoren 42, 52 zugeordnet sind. Die Generatoren 4,5 sind zum Trennen und Lagern der Turbinenausgangsleistung angeordnet. Die Generatoren 4,5 umfassen beispielsweise eher induktionsartige Generatoren als drehbare magnetartige Generatoren, so daß die Generatoren hitzebeständig sind. Die Steuereinrichtung 6 ist zwischen den Generatoren 4,5 und dem Motor 7 verbunden und umfaßt eine Steuereinheit in Form eines Mikrocomputers zum Steuern beider oder eines der ersten und zweiten Generatoren 4,5 zum Erzeugen von wechselstromelektrischer Energie, in Abhängigkeit von Laständerungen am fahrenden Kraftfahrzeug und eine Lastverteilungseinheit zum Umwandeln der erzeugten wechselstromelektrischen Energie.
Der Motor 7 ist direkt mit der drehbaren Achse des Rades 8 verbunden. Der Motor 7 wird mit wechselstromelektrischer Energie durch die Steuereinrichtung 6 beaufschlagt. Dem Motor 7 ist ein Geschwindigkeitsdetektor 71 zugeordnet, welcher die Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors 7 mißt, um die Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeuges zu erfassen. Ein erfaßtes Signal von dem Geschwindigkeitssensor 71 wird der Steuereinrichtung 6 zugeführt.
Die Betriebsweise des derart aufgebauten elektrischen Generatorsystems wird nachfolgend beschrieben.
Das Turbinenrad 2 wird durch die Abgas-Energie von der Verbrennungsvorrichtung gedreht und der Kompressor 3 wird durch das Drehmoment des Turbinenrads 2 rotiert, um Luft der Verbrennungsvorrichtung zuzuführen, so daß die Kraftstoffverbrennung in der Verbrennungsvorrichtung fortfährt. Die erzeugte elektrische Ausgangsleistung von den ersten und zweiten Generatoren 4,5 wird durch die Steuereinrichtung 6 dem Motor 7 zugeführt. Die direkt mit den Rädern 8 gekoppelten Motoren 7 drehen die Räder 8, um das Kraftfahrzeug zu bewegen.
Die Reisegeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs wird durch den Geschwindigkeitsdetektor 71 erfaßt, und das erfaßte Signal an die Steuereinrichtung 6 angelegt.
Wenn das vom Geschwindigkeitsdetektor 71 erfaßte Signal der Steuereinheit der Steuereinrichtung 6 zugeführt wird, bewirkt die Steuereinheit eine vorgegebene arithmetische Operation mit dem Signal und führt einen Steuerbefehl einer elektrischen Leistungswandlereinheit zu, welche Überblendschalter und einen Wandler aufweist, gemäß einer in einem Speicher gespeicherten Steuerprozedur. Die Ausgangsleistungen der beiden Generatoren werden gesammelt und dem Motor 7 durch die Steuereinrichtung 6 zugeführt, in Abhängigkeit von dem vom Geschwindigkeitsdetektor 71 erfaßten Signal.
Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit gering oder die Fahrzeuglast niedrig ist, wird beispielsweise die Ausgangsleistung von nur einem der ersten Generatoren 4 und der zweiten Generatoren 5 umgewandelt und dem Motor 7 zugeführt. Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit oder die Fahrzeuglast hoch ist, werden die Ausgangsleistungen von beiden, dem ersten und zweiten Generator 4,5 umgewandelt und dem Motor 7 zugeführt.
Die Steuereinrichtung 6 bestimmt somit die auf das fahrende Kraftfahrzeug wirkende Last, in Abhängigkeit von den erfaßten, der Steuereinheit 6 zugeführten, Signalen und im Speicher gespeicherter Daten. Wenn die Fahrzeuglast hoch ist, addiert die Steuereinrichtung 6 die erzeugten Ausgangsleistungen von den ersten und zweiten Generatoren 4,5 und führt die Summe der elektrischen Ausgangsleistung durch die Leistungswandlereinheit dem Motor 7 zu.
Wenn die auf der Basis des erfaßten Signals bestimmte Fahrzeuglast niedrig ist, wird lediglich eine der elektrischen Ausgangsleistungen des ersten und zweiten Generators 4,5 dem Motor 7 zugeführt.
Während der Motor direkt mit dem Rad verbunden ist, um das Kraftfahrzeug im obigen Ausführungsbeispiel zu bewegen, kann der Motor auf einer drehbaren Welle montiert sein, welche Differentialgetriebe zum Bewegen des Kraftfahrzeugs antreibt.
Obwohl ein bestimmtes bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt und beschrieben wurde, ist es verständlich, daß viele Veränderungen und Modifikationen möglich sind, ohne den Umfang der beigefügten Ansprüche zu verlassen.
Das erfindungsgemäße elektrische Generatorsystem für Gasturbinen kann elektrische Energie mit hohem Wirkungsgrad in einem kompletten Lastbereich von einer niedrigen Last zu einer hohen Last erzeugen. Da das elektrische Generatorsystem die mechanische Ausgangsleistung von der Turbine teilen kann und, basierend auf der geteilten mechanischen Ausgangsleistung, elektrische Energie erzeugen kann, kann es Hochgeschwindigkeitsrotationen der Gasturbine bewältigen, ohne einen einzelnen großdimensionierten elektrischen Generator einzusetzen.

Claims

1. Elektrisches Generatorsystem für eine Gasturbine, bei welchem die Turbine durch die von- einer Verbrennungsvorrichtung zugeführten Abgasenergie angetrieben und die Ausgangsleistung von einem elektrischen Generator, welcher auf einer Turbinenwelle montiert ist, einem radantreibenden elektrischen Motor zugeführt wird, so daß ein Kraftfahrzeug bewegt wird, wobei das elektrische Generatorsystem gekennzeichnet ist durch: mehrere elektrische Generatoren (4, 5), welche auf einer Welle (11) einer Gasturbine (1) zum Trennen und Lagern der Ausgangsleistung der Turbine (1) und zum Erzeugen darauf basierender elektrischer Energie montiert sind; Erfassungsmittel (71, 6) zum Erfassen der an dem fahrenden Kraftfahrzeug auftretenden Last; und Lastverteilungsmittel (6) zum Aufbringen von Lasten auf die Generatoren (4, 5) in einem hohen Wirkungsgrad-Bereich, in Abhängigkeit von einem signaf von den Erfassungsmitteln.

2. System nach Anspruch 1, ferner mit: einem Steuermittel (6) zum Steuern der Lastverteilungsmittel, so daß elektrische Ausgangsleistung von den Generatoren (4,5) addiert wird, um das Kraftfahrzeug anzutreiben.

3. System nach Anspruch 2, wobei das Steuermittel (6) die elektrische Ausgangsleistung der Generatoren in Abhängigkeit von Antriebskräften der elektrischen Motoren (7) verteilt, welche jeweils Fahrzeugrädern (8) zugeordnet sind.

4. System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Erfassungsmittel einen Geschwindigkeitsdetektor (71) zum Messen der Rotationsgeschwindigkeit eines Rades (8) umfassen.