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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE
ANMELDUNGEN
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Diese
Anmeldung bezieht sich auf und beansprucht Priorität von der
vorläufigen
Anmeldung, Serien-Nr. 60/113 851, die am 24. Dezember 1998 eingereicht
wurde.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Turbinen, einschließlich Mikroturbinen,
und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, um die
Leistungsabgabe einer Turbine zu erhöhen
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Mikroturbinen
sind modular verteilte Mehrstoff-Energieerzeugungseinheiten mit
mehrfachen Anwendungen. Sie erfordern nicht die Installierung aufwändiger Infrastruktur,
um Leistung an Endverbraucher zu liefern. Somit wird in Teilen der
Welt, die die Übertragungs-
und Verteilungsleitungen einer fundamentalen elektrischen Infrastruktur
nicht aufweisen, die Vermarktung von Mikroturbinen eine aktivierende
Anwendung sein. In den Vereinigten Staaten und anderen Ländern, die
bereits eine geeignete elektrische Infrastruktur aufweisen, ermöglichen
verteilte Erzeugungseinheiten Verbrauchern von Elektrizität, das kostenwirksamste
Verfahren eines elektrischen Dienstes zu wählen. In vielen Fällen können Mikroturbinen
aufgrund derartiger Gesichtspunkte, wie Energiepreise oder Übertragungsleitungsverluste,
kostenwirksamer als Netzleistung sein. Zusätzlich zu der primären Energieerzeugung
bieten Mikroturbinen ebenfalls eine effiziente Art und Weise, Backup-Leistung
oder ununterbrochene Leistung zu liefern. Weitere Anwendungen existieren
ebenfalls, wie beispielsweise die Verwendung von Fackelgas und Deponiegas,
um Leistung zu erzeugen. Sie können ebenfalls
verwendet werden, um schädliche
Chemikalien aus der Luft zu entfernen, die als Ergebnis eines Herstellungsprozesses
verunreinigt wird.
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Aktuelle
Mikroturbinen-Ausgestaltungen des Standes der Technik benutzen Niederdruckverhältnis-Zyklen
(3–4 Pr(Pexit/Pinlet)) und
stützen
sich primär auf
Rekuperation, um den thermodynamischen Wirkungsgrad zu erhöhen. Um
die Leistung einer Mikroturbine über
das hinaus zu erhöhen,
das durch Erhöhen
der Brenntemperatur erreicht werden kann (die typischerweise zu
einem 10–15%igen
Anstieg in der Leistung auf Kosten von Komponenten-Lebensdauer führt), muss
die Mikroturbine auf eine größere aerodynamische
Strömungsgröße skaliert
werden. Skalierung ist jedoch kostspielig, und obwohl zusätzliche Leistung
bereitgestellt wird, tut wenig, wenn überhaupt, um den Systemwirkungsgrad
zu erhöhen.
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Die
Verwendung der Vorverdichtung in Verbindung mit Zwischenkühlung ist
ein weiteres Verfahren, das verwendet werden kann, um die Leistung
zu erhöhen.
Das US-Patent Nr. 5 553 448 an Farrell u.a. offenbart Systeme, die
einen Niederdruckverdichter, einen Hochdruckverdichter stromabwärts von
dem Niederdruckverdichter, eine Brennkammer, eine Hochdruckturbine
stromabwärts
von der Brennkammer und eine Niederdruckturbine stromabwärts von der
Hochdruckturbine umfassen. Bei dem, was Farrell u.a. als die „Standardkonfiguration" beschreiben, umfassen
Systeme dieser Art doppelkonzentrische Wellen, bei denen die Hochdruckturbine
den Hochdruckverdichter über
eine erste Welle treibt, und die Niederdruckturbine den Niederdruckverdichter
durch eine zweite Welle (die durch die erste Welle läuft) treibt.
Farrell u.a. geben vor, diese Ausgestaltung durch Eliminieren der
doppelkonzentrischen Wellen zu verbessern und sowohl den Hochdruckverdichter als
auch den Niederdruckverdichter mit der Hochgeschwindigkeitsturbine
anzutreiben. Der Hochdruckverdichter wird direkt, der Niederdruckverdichter über ein
drehzahlverringerndes Getriebe angetrieben. Farrell u.a. nehmen
ebenfalls einen Zwischenkühler zwischen
dem Niederdruckverdichter und dem Hochgeschwindigkeits-Druckverdichter
auf, um die Leistung des Hochdruckverdichters um näherungsweise die
Leistungsmenge zu verringern, die erforderlich ist, um den Niederdruckverdichter
zu betreiben.
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Mehrfache
Verdichterstufen, wie beispielsweise oben beschrieben, arbeiten
optimal (d.h. mit dem höchsten
Wirkungsgrad und mechanischer Integrität), wenn sie bei unterschiedlichen
Wellendrehzahlen laufen. Wie in der Technik verstanden wird, verengt
die Verdichtung der ersten Stufe die Luftströmung, wobei die aerodynamisch
korrigierte Strömung
(Wc) in die zweite Stufe verringert wird, wie es durch die folgende
Beziehung angegeben wird: Wc = Wa(√Tr1)/Pr1 , wobei
Wc die korrigierte Strömung
an dem Austritt der ersten Verdichtungsstufe, Wa die tatsächliche physikalische
Strömung,
Tr1 das Temperaturverhältnis über die erste Stufe der Verdichtung
und Pr1 das Druckverhältnis über die erste Stufe der Verdichtung ist.
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Für eine gegebene
Strömungsgröße wird
die optimale Wellendrehzahl mit Ausgestaltungs-Konventionen bestimmt,
die auf dem Gebiet verstanden werden. Wenn das Verhältnis von
korrigierten Strömungen
W1/W2 (in diesem
Fall Wa/Wc) zunimmt, werden die optimalen Wellendrehzahlen für die beiden
Verdichter progressiv unähnlich.
Eine Zunahme des Druckverhältnisses
der ersten Stufe verschlechtert diese Wirkung. Obwohl die Zunahme
des Temperaturverhältnisses
der ersten Stufe dazu beitragen kann, die Unähnlichkeit zwischen optimalen
Wellendrehzahlen um einen kleinen Betrag zu verringern, hat die
Zunahme des Temperaturverhältnisses
der ersten Stufe ebenfalls die Konsequenz des Verringerns des thermodynamischen
Wirkungsgrads der ersten Stufe, was den Gesamtmaschinen-Wirkungsgrad
verringert.
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Zwischenkühlung erhöht die Leistung
und bietet die Möglichkeit,
den Maschinenwirkungsgrad durch Verringern der Temperatur von dem
Ablass der ersten Verdichtungsstufe vor dem Einlass in die zweite
Verdichtungsstufe zu erhöhen.
Diese Temperaturverringerung hat zumindest drei bemerkenswerte Konsequenzen.
Zuerst verringert sie die Einlasstemperatur der kalten Seite des
Rekuperators, wobei ermöglicht
wird, dass der Rekuperator sogar bei höheren Zyklusdruckverhältnissen
kühler
laufen kann. Zweitens erhöht
die Temperaturverringerung wesentlich die Unähnlichkeit zwischen optimalen
Wellendrehzahlen, was die Verwendung eines Getriebes oder eines
anderen Mechanismus erfordern kann, um die Verdichter der ersten
und zweiten Stufe mit unterschiedlichen Drehzahlen zu drehen. Drittens verringert
es die Verdichtungsarbeit. Somit offenbaren Farrell u.a. die Verwendung
eines Getriebes zwischen den ersten und zweiten Stufen, um die Wellendrehzahl
der ersten Stufe bezogen auf die zweite zu verringern. Auf ähnliche
Weise offenbart das an Rice erteilte US-Patent Nr. 4 896 499 die
Verwendung einer getrennten Niederdruckverdichter-Turbinenwelle, die
konzentrisch in einer hochdruckverdichteten Turbinenwelle positioniert
ist, wobei die beiden Wellen bei unterschiedlichen Drehzahlen laufen,
um es dem Niederdruckverdichter zu ermöglichen, langsamer als der
Hochdruckverdichter zu laufen.
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Die
Arten der Anordnungen, die bei Farrell u.a. und Rice gezeigt werden,
und weitere Beispiele von Energieerzeugungssystemen mit zwischengekühlten Gasturbinen
beinhalten die Verwendung zusätzlicher
beweglicher Teile (z.B. konzentrischen Wellen, veränderliche
Leitschaufel-Geometrie oder Getriebe) und erzeugen nachteilige Komplexitäten beim
Bewältigen
der Unähnlichkeit
zwischen optimalen Verdichterwellendrehzahlen der ersten und zweiten
Stufe. Derartige Anordnungen verringern den Systemwirkungsgrad aufgrund
zusätzlicher
parasitärer
Verluste, wie beispielsweise Leckage oder Reibung.
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Die
US-A-4 244 191 offenbart ein Energieerzeugungssystem mit einer ersten
doppelseitigen radialen Niederdruckverdichterstufe und einer zweiten einseitigen
radialen Hochdruckverdichterstufe, wobei beide Stufen mit einem
Verdichtungsverhältnis
von 1:3 arbeiten, und ferner einen dazwischenliegenden Kühler zwischen
den Stufen.
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Die
GB 791240 A offenbart
ein Energieerzeugungssystem mit:
einer ersten Welle (
16);
einem
ersten Verdichter (
32,
36);
einem zweiten
Verdichter (
20), der stromabwärts von dem ersten Verdichter
angeordnet ist;
einer Turbine (
15);
einer ersten
Leitung, die die ersten und zweiten Verdichter miteinander verbindet;
und
einer zweiten Leitung (
10), die den zweiten Verdichter
mit der Turbine untereinander verbindet, wobei jeder der ersten
und zweiten Verdichter und die Turbine mit der ersten Welle verbunden
sind, wobei die ersten und zweiten Verdichter und die Turbine mit
der gleichen Drehzahl drehbar sind;
wobei die ersten und zweiten
Verdichter von ungleichartigen (axialen/radialen) Typen sind;
wobei
der zweite Verdichter ausgestaltet ist, um bei einem höheren Druckverhältnis als
der erste Verdichter zu arbeiten.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zum Erhöhen
der Leistungsabgabe und des Wirkungsgrades eines Turbinen-Energieerzeugungssystems
ohne Skalieren, die Verwendung von konzentrischen Wellen, variabler
Leitschaufel-Geometrie oder Getrieben bereitzustellen. Genauer gesagt
ist in dem Fall von Mikroturbinen die vorliegende Erfindung ausgestaltet,
um einen großen Anstieg
in der Leistung (d.h. 3–10
Mal größer als
eine existierende Mikroturbine) zu ermöglichen, während Zykluswirkungsgrad-Verbesserungen (d.h. 10%–15%) bei
relativ niedrigen Kosten und ohne Erfordern der Skalierung einer
derartigen Mikroturbine bereitgestellt werden.
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Es
ist eine zusätzliche
Aufgabe der Erfindung, die Leistungsabgabe und den Wirkungsgrad eines
herkömmlichen
Mikroturbinen-Energieerzeugungssystems zu erhöhen, während die Kosten je Leistungseinheit
des Systems verringert wird.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Verbessern
eines herkömmlichen
Turbinen-Energieerzeugungssystems durch Integrieren einer Vorverdichterstufe
an derselben Welle wie die Hochdruckverdichterstufe bereitzustellen.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorverdichterstufe
an einem herkömmlichen
Turbinen-Energieerzeugungssystem oder einem Mikroturbinen-Energieerzeugungssystem
durch die Hinzufügung
eines Niederdruckverdichters zu der gleichen Welle wie der Hochdruckverdichter
bereitzustellen, wobei der Niederdruckverdichter und der Hochdruckverdichter
von unähnlichen
(einander verschiedenen) Strömungsarten
sind.
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Es
ist ebenfalls eine Aufgabe der Erfindung, mechanische Beschränkungen
von Verdichterrädern durch
Verwenden eines kombinierten Axial-/Radialverdichters oder alternativ eines
axialen Strömungsverdichters
in einer Vorverdichterstufe zu vermeiden, die zu einem Turbinen-Energieerzeugungssystem oder
einem Mikroturbinen-Energieerzeugungssystem hinzugefügt wird,
das eine zentrifugale Hochdruckverdichterstufe verwendet.
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Noch
eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine herkömmliche
Mikroturbine durch Hinzufügen
einer Vorverdichterstufe und Zwischenkühlung mit einer minimalen Anzahl
von zusätzlichen Komponenten
zu verbessern.
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Die
obigen Aufgaben der Erfindung sind lediglich Beispiele von Aufgaben
und sollten nicht ausgelegt werden, den Schutzumfang der Erfindung
einzuschränken.
Beide der oben angegebenen Beispiele und weitere Aufgaben der Erfindung
werden aus der Erfindung offensichtlich werden, wie sie nachstehend
beschrieben und beansprucht wird.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird ein Energieerzeugungssystem gemäß Anspruch 1
bereitgestellt. Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Erzeugen elektrischer
Energie aus Kraftstoff gemäß Anspruch
6 bereitgestellt.
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Um
die Leistung in einem Turbinen-Energieerzeugungssystem zu erhöhen, wird
eine Vorverdichterstufe gefolgt von einem Zwischenkühler zu
einem herkömmlichen
Turbinen-Energieerzeugungssystem hinzugefügt. Eine zusätzliche
Welle, die aus einer direkt mit einem Generator gekoppelten Leistungsturbine
besteht, wird ebenfalls hinzugefügt,
um Leistung von dem System zu extrahieren. Durch Benutzen der vorliegenden
Erfindung kann die Leistung des herkömmlichen Systems dramatisch
erhöht
werden (in einer Größenordnung
von 3 bis 10 Mal) und der Wirkungsgrad 10–15% angehoben werden, während die
Kosten je Leistungseinheit wesentlich abnehmen. Diese Vorteile werden
am besten in einem Zyklus erhalten, der ebenfalls rekuperiert wird.
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Komplexitäten, die
typischerweise einer Zwischenkühlungsstufe
zugeordnet sind, wie beispielweise die Verwendung eines Getriebes
oder anderem Mechanismus, um die optimalen Wellendrehzahlen der
Nieder- und Hochdruckverdichterwellen anzupassen, werden durch die
Verwendung von ungleichartigen Verdichtertypen vermieden. Bei einer Ausführungsform
ist der Niederdruckvorverdichter ein kombinierter Axial-/Radialverdichter
und der Hochdruckverdichter ein Radialverdichter. Bei einer anderen
Ausführungsform umfasst
der Niederdruckverdichter einen oder mehrere Axialverdichter und der
Hochdruckverdichter einen Radialverdichter.
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Die
Verwendung eines kombinierten Axial-/Radialverdichters in der Niederdruckverdichtungsstufe überwindet
ebenfalls die mechanischen Einschränkungen, die mit Radialverdichtern
existieren würden,
wenn derartige Radialverdichter an der gleichen Welle wie eine Vorverdichterstufe
einer Mikroturbine des Standes der Technik heute verwendet werden
würde.
Mit Zwischenkühlung
würde ein
Radialverdichter nicht im Stande sein, der Drehzahl zu widerstehen,
die erforderlich ist, wenn er auf der gleichen Welle wie der Hochdruckverdichter
in einer Mikroturbine integriert werden müsste.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Die
Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden klarer
mit Bezug auf die ausführliche
Beschreibung und den Zeichnungen verstanden werden, in denen zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm, das eine Luftströmung
durch ein Mikroturbinen-Energieerzeugungssystem
darstellt, das in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
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2 ein
Schema des Mikroturbinen-Energieerzeugungssystems, das in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
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3 ein
Teilquerschnitt eines zweistufigen Radialverdichters;
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4 ein
Teilquerschnitt eines kombinierten Axial-/Radialverdichters mit
Zwischenkühlung;
und
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5 eine
teilweise weggeschnittene, teilweise schematische Seitenansicht
eines Mikroturbinen-Energieerzeugungssystems, das in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Mit
Bezug auf die in 1 und 2 dargestellte
Ausführungsform
saugt das Mikroturbinen-Energieerzeugungssystem 11 Umgebungsluft über eine Vorverdichterstufe 13 an.
Diese Vorverdichterstufe 13 erhöht die Turbinenluftströmung um
näherungsweise
das zwei- bis vierfache. Die Luftströmung in die Mikroturbinen-Verdichterstufe 17 muss
die gleiche sein, wobei unbedeutende Verluste aufgrund irgendeiner
Luft-Leckage ausgeschlossen werden. Somit wird, wenn eine Vorverdichterstufe
mit einem Druckverhältnis
von 3:1 verwendet wird und die Austrittsströmung dem Einlass der Mikroturbinen-Verdichterstufe 17 angepasst
ist, drei Mal soviel Luft verglichen mit einer Mikroturbinen-Verdichterstufe
verwendet, der keine Vorverdichterstufe vorangeht.
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Die
Druckluftströmung
wird von der Vorverdichterstufe 13 zu dem Zwischenkühler 15 geleitet, wo
sie auf nahezu Umgebungsbedingungen abgekühlt wird. Die gekühlte Luft
geht dann zu dem Einlass (nicht gezeigt) des Verdichters 17 der
Mikroturbine 19 weiter. Die Luft wird in dem Verdichter 17 weiter verdichtet,
dann in kalten Seitendurchgängen
(nicht gezeigt) eines Rekuperators 21 mit Abwärme vorgewärmt und
weiter in der Brennkammer 23 erwärmt, bei der Kraftstoff mit
Luft gemischt und die resultierende Kraftstoff-Luft-Mischung verbrannt
wird. Das heiße
Brenngas wird dann durch eine radiale Turbine 25 expandiert.
Das Gas strömt
dann durch die Leistungswellenturbine 27, die Arbeit aus
dem Gas extrahiert. Die extrahierte Arbeit wird bei einer Ausführungsform
zu einer elektrischen Maschine 29 (z.B. einem Hochgeschwindigkeits-Permanentmagnetgenerator)
transferiert, mit der Elektrizität
erzeugt wird. Die Arbeit könnte
alternativ in mechanische Arbeit über bekannte Mittel, wie beispielsweise
rotierende Komponenten (z.B. ein Antriebsstrang) oder über Verdichtungsmittel
transferiert werden. Nachdem Arbeit extrahiert worden ist, tritt
das heiße
Gas durch heiße Seitendurchgänge (nicht
gezeigt) des Rekuperators 21, wobei die Abwärme von
der Strömung
extrahiert wird, bevor sie an die Atmosphäre abgegeben wird.
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Die
Wechselbeziehung der Grundkomponenten des Systems 11 wird
in 2 dargestellt. Die Luftströmung ist die gleiche, wie in 1 dargestellt ist.
Wie ersichtlich ist, umfasst der Zwischenkühler 15 typischerweise
einen Ventilator und einen Motor 31. Bei der dargestellten
Ausführungsform
umfasst die Mikroturbine 19 ebenfalls einen Anwurfmotor 33.
Bei dieser Ausführungsform
sind der Anwurfmotor 33, der Verdichter 17 und
die Turbine 25 alle an der gleichen Welle 35 angebracht.
In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung ist der Vorverdichter 13 ebenfalls
an der Welle 35 angebracht, sodass jede Umdrehung der Turbine 25 eine ähnliche
Umdrehung in dem Verdichter 17, dem Motor 33 und
dem Vorverdichter 13 erzeugt. Die dargestellte Mikroturbine 19 umfasst
ebenfalls ein Kraftstoffventil 37, eine Kraftstoffleitung 39,
die das Ventil 37 mit der Brennkammer 23 verbindet,
und eine Kraftstoffleitung 41 (die mit der Kraftstoffquelle
verbunden ist).
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Es
wurde entdeckt, dass die Verwendung von unähnlichen Verdichtertypen für den Vorverdichter 13 und
den Verdichter 17 die direkte Kopplung des Vorverdichters 13 mit
der Welle 35 ohne ein dazwischenliegendes drehzahlverringerndes
Getriebe ermöglicht.
Die vorliegende Erfindung überwindet
die der Zwischenkühlung
eines Gasturbinenmotors zugeordneten Probleme durch Benutzen eines
Verdichters der ersten Stufe (Vorverdichter) mit einer kombinierten
axialen/radialen Konfiguration, und des Verdichters der zweiten
Stufe 17 mit einer radialen Konfiguration, sodass beide
Verdichter an der gleichen Welle mit der gleichen Drehzahl laufen.
Vorzugsweise ist der Vorverdichter 13 ein transsonischer
kombinierter Axial-/Radialverdichter mit hohem Wirkungsgrad des
im US-Patent Nr. 4 678 398 an Dodge u.a. offenbarten Typs, dessen
Offenbarung durch Bezug aufgenommen ist, obwohl andere kombinierte
Axial-/Radialverdichter verwendet werden können.
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Die
Ausgestaltung von Dodge u.a. ist vorteilhaft, da sie am besten den
spezifischen Drehzahlen der Verdichtertypen angepasst ist. Spezifische
Drehzahlen können
durch die Beziehung: NS =
N(Q/(H)0,75)ausgedrückt werden, wobei Ns die spezifische
Drehzahl; N die U/min der Welle; Q die Einlassvolumenströmung/Auslassvolumenströmung; und
(H)0,75 die Verdichtungs-Enthalpie ist,
die gleich Cp(T)J/kg (BTU/lbm) ist, wobei T der Temperaturanstieg
(TAuslass – TEinlass)
und Cp die spezifische Wärme
ist.
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Es
gibt viele Anwendungen, bei denen zwei radiale Verdichterstufen
gemeinsam an der gleichen Welle laufen, um Druckverhältnisse
in dem Bereich von 9:1 bis 13:1 zu erhalten. Die vordere Stufe wird auf
eine höhere
als die optimale spezifische Drehzahl getrieben, was sich in größere als
gewünschte
Einlass- und Auslassbereiche übersetzt.
Umgekehrt wird die hintere Stufe auf eine niedrigere als die gewünschte spezifische
Drehzahl getrieben, was sich in kleinere als gewünschte Einlass- und Auslassbereiche übersetzt.
Die Wirkung auf die Geometrie wird in 3 gezeigt.
Diese Divergenz in der spezifischen Drehzahl und die resultierende
Wirkung auf die Schaufelgeometrie begrenzt das praktische Druckverhältnis, das
erreicht werden kann. Insbesondere weist die Schaufelanordnung 51 (schattiert)
in der vorderen Stufe eine alles andere als gewünschte Radiusänderung
in der Spitze auf, und die Schaufelanordnung 53 (schattiert)
in der hinteren Stufe weist kleinere Schaufeldurchgänge und
eine längere
Meridional-Strömungslänge auf,
die Reibung und Spaltverluste verschlimmern. Wie dargestellt, ist
Ns (vordere Stufe) = 85 und Ns (hintere
Stufe)= 48. Wenn ein Zwischenkühler
zwischen den beiden Stufen eingefügt wird, werden die spezifischen
Drehzahlen noch ungleichartiger, und die Fähigkeit, zwei radiale Stufen
an einer einzigen Welle aufzuweisen, wird unpraktisch. Ns (hintere
Stufe) fällt
auf ungefähr
35 ab, wie durch den gestrichelten Bereich in 3 angegeben
ist.
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Die
kombinierte radiale/axiale Stufe von Dogde u.a. optimiert sich bei
einer viel höheren
spezifischen Drehzahl, was sowohl der Vorverdichterstufe 13 als
der Radialstufe 17 ermöglicht,
bei nahe optimalen spezifischen Drehzahlen, sogar wenn zwischengekühlt, ohne
die nachteiligen geometrischen Wirkungen zu laufen. Mit Bezug auf 4 umfasst der
kombinierte Radial-/Axialverdichter der Vorverdichterstufe 13 einen
Einlass 61, eine Platte 63, einen Diffusionsabschnitt 65 und
eine Spirale 69. Die Platte 63 umfasst eine Mehrzahl
von Schaufeln 67. Die Spirale 69 wird zu dem Zwischenkühler 15 geleitet.
Der Radialverdichter der Mikroturbinen-Verdichterstufe 17 umfasst
ein Plenum 71, eine Platte 73, einen Diffusor 75 und
eine Spirale 77. Das Plenum 71 empfängt Luft
von dem Zwischenkühler 15.
Die Platte 73 umfasst Schaufeln 79 und Splitter-Schaufeln 81. Die
Spirale 77 ist mit dem Rekuperator 21 verbunden.
Ideale spezifische Drehzahlen betragen 65 für den Radialverdichter
und 100 für
den kombinierten Radial-/Axialverdichter. Die in 4 dargestellte
Vorverdichterstufe 13 weist ebenfalls das geeignete optimale
Druckverhältnis
von 3:1 auf, um die zwischengekühlte
radiale Mikroturbinen-Verdichterstufe 17 mit einer einzigen
Stufe vorzuverdichten. Der Auslass der Vorverdichterstufe 13 ist
bei der dargestellten Ausführungsform
ist etwas außenbords,
was die Sammlung in der Spirale 69 zur Leitung an den Zwischenkühler 15 erleichtert.
Wie er hier verwendet wird, bezieht sich der Begriff „Leitung" auf einen Kanal,
auf eine Spirale, einen Diffusor, ein Rohr oder einen Schlauch und
umfasst bekannte Systeme zum Leiten von einer Luft- oder Gasströmung oder
zum Ermöglichen
des Durchgangs von Luft oder Gas durch ein Energieerzeugungssystem. „Leitungssystem" bedeutet eine Leitung
oder ein System von Leitungen.
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Bei
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die Mikroturbine 19 zweckmäßigerweise
eine Modifikation einer Mikroturbine, wie beispielsweise einer,
die nun von Honeywell Power Systems Inc. unter dem Handelsnamen
ParallonTM 75 vermarktet wird.
Bei dieser Ausführungsform
treibt die ursprüngliche
radiale Turbine 25 der ParallonTM 75 nun
den Vorverdichter 13 sowie auch den ursprünglichen
Mikroturbinen-Verdichter 17. Der elektrische Starter/Generator
an und um die ursprüngliche
Mikroturbinenwelle 35 wird durch den Anwurfmotor 33 ersetzt,
und der größere elektrische
Generator 29 wird an und um die hinzugefügte Welle 47 angebracht.
Der Zwischenkühler 15 verringert
die Temperatur zwischen den Verdichtungsstufen (13 und 17) um
etwa 150 bis 200 Grad Fahrenheit (65,6 bis 93,3 Grad Celsius), wobei
die Leistung um ungefähr
25% verringert wird, die erforderlich ist, um die Luft zu verdichten,
und ermöglicht
wird, dass die ursprüngliche einstufige
radiale Turbine 25 eine ausreichende Leistung aufweist,
um beide Verdichtungsstufen anzutreiben, ohne zusätzliche
Stufen zu erfordern.
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Die
Leistungsturbine 27, die entweder axial, radial oder kombiniert
axial/radial ist, ist mit dem rotierenden Abschnitt des Generators 29 über die
Welle 47 verbunden. Die Turbine 27 ist mit der
Mikroturbine 19 über
ein geeignetes Leitungssystem gekoppelt, wobei ein Beispiel davon
in 5 dargestellt ist.
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Der
Generator 29 kann eine ringgewickelte, zweipolige zahnlose
(TPTL), bürstenlose
elektrische Permanentmagnet-Maschine mit einem Permanentmagnet-Rotor
und Stator-Wicklungen oder eine andere geeignete magnetische elektrische
Maschine mit einem Permanentmagnet-Rotor und Stator sein. Der Rotor
ist bezogen auf die Stator-Wicklungen drehbar. Die durch die sich
drehende Leistungsturbine 27 erzeugte Wellenleistung wird
verwendet, um den Rotor zu drehen, der an der Welle 47 angebracht ist.
Wenn der Rotor durch die Turbinenleistung gedreht wird, wird ein
Wechselstrom in den Stator-Wicklungen induziert. Es sei bemerkt,
dass, obwohl hier auf einen elektrischen Generator Bezug genommen
wird, der an und um eine drehbare Welle angebracht ist, es ersichtlich
ist, dass lediglich der sich drehende Abschnitt des elektrischen
Generators tatsächlich
an der drehbaren Welle angebracht ist.
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Die
Drehzahl der Turbine 27 kann in Übereinstimmung mit externen
Energiebedürfnissen
variiert werden, die an das System 11 gestellt werden.
Variationen in der Drehzahl der Welle 47 werden eine Variation
in der Frequenz (d.h. wilde Frequenzen) des durch den elektrischen
Generator 29 erzeugten Wechselstroms erzeugen. Ungeachtet
der Frequenz des durch den elektrischen Generator 29 erzeugten Wechselstroms
kann der Wechselstrom in Gleichstrom gleichgerichtet und dann durch
einen Gleichrichter/Inverter (nicht gezeigt) invertiert werden,
um Wechselstrom mit der gewünschten
festen Frequenz und Qualität
zu erzeugen. Demgemäß kann,
wenn weniger Leistung erforderlich ist, die Turbinendrehzahl verringert
werden, ohne die Frequenz der Wechselstromleistung zu beeinflussen.
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Das
System 11 umfasst ebenfalls eine elektrische Steuereinheit 91,
eine Vielfalt von herkömmlichen
Temperatur- und Drucksensoren, einen Inverter/Gleichrichter, eine
elektronische Maschinensteuerung, Kabelbäume, eine Umschließung, Ausblaseventile,
eine Isolierung und ein Schaltfeld. Für die Zwecke dieser Erfindung
können
diese Komponenten aus einer Vielfalt von herkömmlichen Komponenten dieser
Art gewählt
werden; daher werden sie nicht dargestellt. Wie ein Fachmann ebenfalls
erkennen wird, kann das System 11 nützlicherweise einen Gaslagerkreislauf
umfassen. Beispielsweise sind bei einer Ausführungsform Wellen 35 und 47 zumindest teilweise
in Luftlager (ebenfalls als Gaslager bekannt) zum Tragen in der
radialen Richtung positioniert. Die Wellen 35 und 47 werden
ebenfalls axial bei einer derartigen Ausführungsform durch Luftschublager
getragen. Das System 11 kann ebenfalls einen Gasverdichterkreislauf
umfassen, wenn Niederdruck-Erdgas verwendet wird. Ein Kühlkreislauf
kann ebenfalls für
den Generator 29 enthalten sein.
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Obwohl
Mikroturbinen des Standes der Technik radiale Verdichter in einzelnen
Verdichtungsstufenzyklen verwenden und daher keine Verdichterstufe aufweisen,
liefert die vorliegende Erfindung ebenfalls eine Lösung für eine mechanische
Barriere, die eine Vorverdichterstufe ansonsten bei dem Aufbau und
Betrieb der Mikroturbinen darstellen würde. Bei einer typischen Mikroturbine
liegt das Druckverhältnis
von einstufiger Druckluft zu Einlassluft typischerweise in dem Bereich
von 3–5.
Wenn ein herkömmlicher
radialer Verdichter für
eine Vorverdichterstufe bei einer derartigen Mikroturbine verwendet werden
würde,
müsste
die Raddrehzahl an dem Auslass des Rotors erheblich größer als
die Radspitzendrehzahl des Hochdruckverdichters sein. Eine derartige
Drehzahl würde übermäßig hoch
sein und unzweifelhaft den mechanischen Ausfall des Verdichters
verursachen.
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Die
vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren und einen Aufbau für die erfolgreiche
Integration eines Vorverdichters 13 an der Welle einer
herkömmlichen
Mikroturbine (die eine einzige Verdichterstufe, eine einzige Turbinenstufe,
einen Permanentmagnet-Rotor und eine einzige Welle aufweist, die
jeweils den Verdichter, die Turbine und den Rotor bezogen zueinander
festlegt) und vermeidet mechanischen Ausfall des Vorverdichterrades.
Dies ist so, weil, wie angegeben, der Verdichter der ersten Stufe
der vorliegenden Erfindung ein kombinierter Radial-/Axialverdichter
ist. Derartige Verdichter weisen eine verkürzte Auslass-Schaufelhöhe bezogen
auf den Radialverdichter auf und behalten dadurch eine Radspitzendrehzahl
im Betrieb aufrecht, die innerhalb der mechanischen Grenzen des
Verdichters liegt.
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Obwohl
die Zeichnungen und die begleitende Beschreibung die bevorzugte
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben haben, sollte es
für einen
Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Änderungen in der Form der Erfindung
durchgeführt
werden können,
die in dem Schutzumfang liegen, wie er durch die Ansprüche definiert
ist.