PL195679B1 - Mikroturbinowy układ wytwarzający energię elektryczną - Google Patents

Abstract

1. Mikroturbinowy układ wytwarzający energię elektryczną zawierający turbinę przetwarzającą energię cieplną gazów na energię mechaniczną, przetwornik energii przetwarzający energię mechaniczną wytwarzaną przez turbinę na energię elektryczną oraz wał łączący turbinę z przetwornikiem energii, znamienny tym, że jeden wał (75) łączący łączy turbinę (14) z przetwornikiem energii (16) w stanie wstępnie obciążonym tak, że wirnik (34) przetwornika energii (16) obraca się synchroniczne z wirnikiem (64) turbiny (14)

Description

Przedmiotem wynalazku jest mikroturbinowy układ wytwarzający energię elektryczną, a w szczególności modułowy, zdecentralizowany zespół wytwarzania energii.

Znane jest z opisu patentowego US nr 4 754 607, do którego ma prawo Zgłaszający niniejszego wynalazku, mikroturbinowe urządzenie do wytwarzania energii nadające się do równoczesnego wytwarzania energii różnymi sposobami.

Warunkiem uznania tych zespołów przez użytkowników za atrakcyjne jest poprawa rozwiązań technicznych w takich dziedzinach jak zwiększenie sprawności wykorzystania paliwa, zmniejszenie wymiarów i ciężaru oraz obniżenie emisji termicznej, hałasu, częstotliwości konserwacji i kosztów.

United States Electric Power Research Institute (EPRI) zajmujący się badaniami krajowych instalacji elektrycznych przewiduje, że do roku 2006 około 40% wszystkich nowych instalacji do wytwarzania energii elektrycznej będą stanowiły generatory zdecentralizowane. W wielu częściach świata brak infrastruktury elektrycznej (takiej jak linie przesyłowe i rozdzielcze) znacznie przyspieszy komercjalizację technologii zdecentralizowanego wytwarzania energii, ponieważ scentralizowane elektrownie nie tylko są droższe pod względem ceny za jeden kilowat wytwarzanej energii, ale również wymagają droższej zainstalowanej infrastruktury w celu dostarczenia energii do użytkowników.

Małe, wielopaliwowe, modułowe, mikroturbinowe zespoły prądnicowe mogłyby przyczynić się do złagodzenia obecnego popołudniowego ograniczania zużycia energii elektrycznej i jej wyłączania, jakie występuje w wielu częściach świata. Prosta koncepcja oparta na pojedynczym ruchomym zespole mogłaby umożliwić konserwację wymagającą niskich umiejętności technicznych i niskich kosztów całkowitych, co mogłoby przyczynić się do rozszerzenia sprzedaży w tych częściach świata, gdzie nie ma środków kapitałowych. Ponadto, mając na uwadze istniejący w Stanach Zjednoczonych Ameryki nacisk na wyjęcie energetyki spod kontroli państwa oraz światowe tendencje w tym kierunku, użytkownicy energii elektrycznej powinni mieć nie tylko prawo do wyboru prawidłowej metody usług elektrycznych, ale również nowy, efektywny ekonomicznie wybór spośród istniejących możliwości.

Mikroturbinowy układ wytwarzający energię elektryczną zawierający turbinę przetwarzającą energię cieplną gazów na energię mechaniczną, przetwornik energii przetwarzający energię mechaniczną wytwarzaną przez turbinę na energię elektryczną oraz wał łączący turbinę z przetwornikiem energii, według wynalazku charakteryzuje się tym, że jeden wał łączący łączy turbinę z przetwornikiem energii w stanie wstępnie obciążonym tak, że wirnik przetwornika energii obraca się synchroniczne z wirnikiem turbiny.

Korzystnie, mikroturbinowy układ zawiera ponadto komorę spalania wytwarzającą energię cieplną gazów poprzez zapłon mieszanki powietrza z paliwem, układ paliwowy doprowadzający paliwo do komory spalania, sprężarkę sprężającą powietrze wlotowe i doprowadzającą sprężone powietrze do komory spalania, sprzężoną z turbiną odbierającą ogrzane powietrze uwolnione ze spalania, przy czym sprężarka jest sprzężona z turbiną i przetwornikiem energii w stanie wstępnie obciążonym na wale pozwalającym na synchroniczne obracanie się wirującej części sprężarki i wirującej części turbiny.

Korzystnie, sprężarka znajduje się pomiędzy turbiną a przetwornikiem energii.

Korzystnie, mikroturbinowy układ zawiera ponadto rekuperator połączony ze sprężarką, przy czym w skład rekuperatora wchodzi pierwszy kanał, odbierający sprężone powietrze o wysokiej temperaturze ze sprężarki i doprowadzający pochodzące z gorącej strony układu rekuperatora sprężone powietrze o wyższej temperaturze do komory spalania oraz drugi kanał odbierający z turbiny gazy wylotowe o wysokiej temperaturze i odprowadzający powietrze wylotowe o niższej temperaturze.

Korzystnie, przetwornik energii zawiera prądnicę napędzaną przez turbinę, wytwarzającą prąd przemienny.

Korzystnie, przetwornik energii zawiera ponadto prostownik połączony z prądnicą, prostujący prąd przemienny wytwarzany przez prądnicę.

Korzystnie, przetwornik energii zawiera ponadto przekształtnik, który jest połączony z prostownikiem odbierający prąd stały z prostownika i przekształcający prąd stały na prąd zmienny o zadanej częstotliwości.

Korzystnie, częstotliwość prądu przemiennego jest niezależna od prędkości turbiny.

Korzystnie, mikroturbinowy układ zawiera ponadto elementy podpierające, korzystnie w postaci podstawy, wlot paliwa, wlot powietrza, sprężarkę, rekuperator, komorę spalania, turbinę, przetwornik energii z prądnicą, prostownik i przekształtnik.

PL 195 679 B1

Korzystnie, w komorze spalania znajduje się element katalityczny zawierający katalizator dla całkowitego utleniania mieszanki paliwowej.

Korzystnie, w turbinie znajduje się kanał wylotowy gazów spalinowych, a w sprężarce kanał wlotowy powietrza, który jest prostopadły do kanału wylotowego gazów spalinowych z turbiny.

Korzystnie, mikroturbinowy układ zawiera pierwsze i drugie poprzeczne łożysko foliowe podtrzymujące wał, przy czym te pierwsze i drugie poprzeczne łożyska foliowe znajdują się po przeciwnych stronach przetwornika energii, zaś turbina ma wirnik przymocowany do końca wału, a pomiędzy przetwornikiem energii a turbiną jest usytuowane wzdłużne łożysko foliowe.

Korzystnie, mikroturbinowy układ zawiera ponadto sprężarkę z wirnikiem napędzanym przez wał łączący.

Korzystnie, wał łączący jest wstępnie obciążony.

Mikroturbinowy układ wytwarzający energię elektryczną zawierający moduł wirujący złożony z wirnika sprężarki, wirnika prądnicy, wirnika turbiny i wału łączącego, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera wstępnie obciążony wał łączący, który to wał łączący przechodzi przez otwory w wirniku przetwornika energii i wirniku sprężarki, przy czym jeden koniec wału łączącego jest przymocowany do wirnika turbiny oraz zespół komory spalania, dostarczający gorące rozszerzające się gazy do wirnika turbiny, a także zespół wymiennika ciepła zawierający rekuperator ogrzewający powietrze sprężone w wirniku sprężarki.

Korzystnie, mikroturbinowy układ zawiera ponadto zespół wyposażenia elektronicznego regulujący przepływ paliwa do komory spalania.

Korzystnie, wirnik turbiny jest pozbawiony otworu.

Korzystnie, mikroturbinowy układ zawiera moduł wirujący, w skład którego wchodzi tarcza wirnika sprężarki, wirnik przetwornika energii, wirnik turbiny oraz wstępnie obciążony wał łączący, przechodzący przez otwory w wirniku przetwornika energii i wirniku sprężarki, przy czym jeden koniec wału łączącego jest przymocowany do wirnika turbiny.

Zaleta wynalazku polega na tym, że w skład mikroturbinowego urządzenia wytwarzającego energię elektryczną wchodzi przetwornik energii, korzystnie prądnica oraz turbina, które można napędzać jednym wałem. Gorące, rozprężające się gazy spalinowe przepływają przez turbinę, a wytwarzana wskutek tego przez turbinę energia służy do napędu prądnicy. W skład mikroturbinowego urządzenia do wytwarzania energii wchodzi ponadto pojedynczy wał łączący turbinę z prądnicą w układzie wstępnie obciążonym/naprężonym, co umożliwia synchroniczne obracanie się prądnicy i turbiny, a tym samym wykorzystanie energii mechanicznej turbiny do wytwarzania energii elektrycznej.

Urządzenie wytwarzające energię elektryczną tego typu jest bardzo uniwersalne. Przemienny prąd elektryczny o zmiennej częstotliwości, wytwarzany przez prądnicę może być poddany prostowaniu do uzyskania prądu stałego. Następnie ten stały prąd elektryczny można przekształcać za pomocą przekształtnika na prąd przemienny o wybranej częstotliwości.

Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania przedstawiono na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy mikroturbinowego układu do wytwarzania energii elektrycznej według wynalazku, fig. 2 - zespół napędowy do urządzenia do wytwarzania energii elektrycznej, w przekroju.

Mikroturbinowy układ wytwarzający energię elektryczną według wynalazku pokazano w zalecanym przykładzie wykonania na fig. 1, na której układ 10 wytwarzający energię elektryczną posiada sprężarkę 12, turbinę 14 oraz przetwornik energii 16, korzystnie prądnicę. Przetwornik energii 16 jest wolnonośny względem sprężarki 12. Sprężarka 12, turbina 14 i przetwornik energii 16 mogą obracać się na jednym wale 18. Pomimo, że sprężarka 12, turbina 14 i przetwornik energii 16 mogą być osadzone na oddzielnych wałach, to zastosowanie pojedynczego wspólnego wału 18 do obracania części wirujących sprężarki 12, turbiny 14 i przetwornika energii 16 przyczynia się do zwartości i niezawodności układu 10 do wytwarzania energii elektrycznej.

Wał 18 może być podparty na samociśnieniujących łożyskach powietrznych, przykładowo łożyskach foliowych. Jak widać na fig. 2, wał 18 jest podparty na poprzecznych łożyskach foliowych 76 i 78, pierwszym i drugim oraz na wzdłu ż nych ł o ż yskach foliowych 80. Ł o ż yska foliowe eliminują konieczność stosowania oddzielnego układu smarowania łożysk oraz zmniejszają częstość zabiegów konserwacyjnych.

Powietrze wpływające do wlotu sprężarki 12 jest sprężane. Sprężone powietrze wypływające z wylotu sprężarki 12 jest tłoczone pierwszymi kanałami 20 strony zimnej rekuperatora 22. W rekuperatorze 22 sprężone powietrze ogrzewa się, co poprawia spalanie. Ogrzane, sprężone powietrze wypływające z zimnej strony rekuperatora 22 jest doprowadzane do komory spalania 24.

PL 195 679 B1

Do tej komory spalania 24 doprowadza się również paliwo. Można używać zarówno paliwa gazowe jak i ciekłe. W gazowym trybie pracy można używać dowolne paliwa gazowe nadające się do tego celu. Jako paliwa można stosować olej napędowy, gaz gnilny, gazy odlotowe, benzynę, naftę, propan, JP-8, metan, gaz ziemny i inne gazy wytwarzane sztucznie.

Przepływ paliwa reguluje się zaworem regulacyjnym 26 natężenia przepływu. Paliwo wtryskuje się do komory spalania 24 za pomocą dyszy wtryskowej 28.

Wewnątrz komory spalania 24 paliwo miesza się ze sprężonym powietrzem, a następnie jest ono zapalane przez zapłonnik 27 w reakcji egzotermicznej. W zalecanym przykładzie wykonania w komorze spalania 24 znajduje się odpowiedni katalizator zdolny do spalania sprężonej, mającej wysoką temperaturę mieszanki paliwa z powietrzem w warunkach technologicznych. Do niektórych znanych katalizatorów nadających się do stosowania w komorze spalania 24 należą platyna, pallad, jak również katalizatory na bazie tlenków metali z aktywnymi pierwiastkami niklem i kobaltem.

Po spaleniu, gorące, rozprężające się gazy powstałe w procesie spalania płyną ku dyszy wlotowej 30 turbiny 14. Dysza wlotowa 30 ma ustaloną na stałe geometrię. Gorące, rozprężające się gazy powstałe podczas spalania przepływają przez turbinę 14, w wyniku czego w turbinie wytwarzana jest energia mechaniczna. Z kolei wytworzona przez turbinę energia jest przekazywana do sprężarki 12 i prą dnicy 16.

Gazy spalinowe z turbiny płyną drugimi kanałami 32 części gorącej rekuperatora 22. Wewnątrz rekuperatora 22 ciepło gazów wylotowych z turbiny 14 po stronie gorącej jest przekazywane sprężonemu powietrzu po stronie zimnej. W ten sposób pewna ilość ciepła ze spalania jest odzyskiwana i zuż ywana do podwyż szenia temperatury sprężonego powietrza pł yną cego do komory spalania 24. Po oddaniu części swojego ciepła gazy wypływają z rekuperatora 22. Do układu 10 do wytwarzania energii elektrycznej można dodać dodatkowe stopnie odzyskiwania ciepła.

Przetwornik energii 16 lub prądnica może być nawinięta pierścieniowo, dwubiegunową, bezkłową (TPTL), bezszczotkową maszyną z magnesem trwałym mającą wirnik 34 z magnesu trwałego i uzwojenie 36 stojana. Energia turbiny wytwarzana przez wirującą turbinę 14 jest wykorzystywana do obracania wirnika 34. Wirnik 34 jest osadzony na wale 18. Podczas obracania się wirnika 34 napędzanego przez turbinę, w uzwojeniu 36 stojana wzbudza się prąd przemienny. Prędkość wirnika 34 można zmieniać w zależności od zapotrzebowania zewnętrznego na energię układu 10. Zmiany prędkości obrotowej turbiny wywołują zmiany częstotliwości prądu przemiennego (tj. częstotliwości prądu nieprzetworzonego) wytwarzanego przez prądnicę. Bez względu na częstotliwość prądu przemiennego wytwarzanego przez prądnicę, prąd ten można prostować do prądu stałego za pomocą prostownika 38, a następnie przetwarzać za pomocą półprzewodnikowego elektronicznego przekształtnika 40 na prąd przemienny o stałej częstotliwości. W związku z tym, w razie mniejszego zapotrzebowania na energię, można zmniejszyć prędkość obrotową turbiny bez wpływu na częstotliwość wyjściowego prądu przemiennego.

Ponadto, zmniejszając prędkość turbiny zmniejsza się strumień powietrza ze względu na mniejszą prędkość obrotową sprężarki. W rezultacie, temperatura na wlocie turbiny pozostaje w zasadzie stała, co umożliwia utrzymanie wysokiej sprawności przy obciążeniu częściowym.

Dzięki prostownikowi 38 i przekształtnikowi 40 układ energetyczny według wynalazku jest bardzo uniwersalny pod względem dostarczania energii elektrycznej. Ponieważ można wybrać dowolny przekształtnik 40, użytkownik może sam wybrać częstotliwość prądu przemiennego. Jeżeli wykorzystuje się bezpośrednio prąd przemienny o nieprzekształconych częstotliwościach, można również wyeliminować prostownik 38 i przekształtnik 40.

W skład układu 10 wytwarzającego energię może również wchodzić akumulator 46 zapewniający dodatkowe magazynowanie i rezerwę energetyczną. W przypadku używania tego układu łącznie z przekształ tnikiem 40, cał y ukł ad moż e zapewnić nieprzerwane zasilanie w godzinach po ewentualnej awarii prądnicy. Ponadto odpowiedni sterownik zapewnia doprowadzanie energii przez akumulator 46 w razie wzrostu zapotrzebowania na energię. Akumulator 46 można dobrać wielkością w taki sposób, żeby kompensował zapotrzebowanie na energię dostarczaną przez układ 10 w okresach szczytowego obciążenia.

Podczas pracy układu 10 wytwarzającego energię, w przetworniku energii 16 powstaje ciepło w wyniku, przykładowo, jej niedoskonałości konstrukcyjnych. W celu przedłużenia żywotności prądnicy lub przetwornika energii 16, jak również wykorzystania ciepła użytkowego, strumień powietrza wpływający wlotem do sprężarki 12 płynie przez przetwornik energii 16 przejmując od niej nadmiar ciepła. Również prostownik 38 i przekształtnik 40 można umieścić w strumieniu powietrza. Po przejęciu ciepła

PL 195 679 B1 ze wspomnianych źródeł, strumień powietrza jest sprężany w sprężarce 12 i dodatkowo podgrzewany w rekuperatorze 22.

Sterownik 42 reguluje prędkość obrotową turbiny regulując ilość paliwa płynącego do komory spalania 24. Sterownik 42 korzysta z sygnałów czujnika wytwarzanych przez zespół czujników 44 w celu określenia zewnętrznego zapotrzebowania na energię wytwarzaną przez układ 10. W skład zespołu czujników 44 mogą wchodzić takie czujniki jak czujniki położenia, czujniki prędkości turbiny oraz różnorodne czujniki temperatury i ciśnienia do pomiaru temperatur i ciśnień roboczych w układzie 10. Korzystając ze wspomnianych czujników, sterownik 42 reguluje zarówno rozruch, jak i optymalne parametry podczas pracy ustalonej. Sterownik 42 może również określać stan naładowania akumulatora 45 i regulować pracę ukł adu w celu podtrzymania warunków energetycznych sieci, obciążenia sieci oraz stałego obciążenia akumulatora.

Bezpoślizgowy rozruch układu 10 do wytwarzania energii można przeprowadzać za pomocą przełącznika SW/sterownika rozruchowego 48. Rozruch sprężarki 12 można przeprowadzić w ten sposób, że przetwornik energii 16, korzystnie prądnica, jest wykorzystany jako silnik. Podczas rozruchu przełącznik SW/sterownik rozruchowy 48 doprowadza prąd wzbudzenia do uzwojeń 36 stojana prądnicy. Energia rozruchowa jest doprowadzana z akumulatora 46. Alternatywnie, można zastosować zbiornik sprężonego powietrza do napędu układu 10 do wytwarzania energii.

Na figurze 2 przedstawiono „zespół napędowy” 50 układu 10 wytwarzania energii. W skład sprężarki 12 wchodzi wirnik 52 z otworem, ślimacznica 54 sprężarki oraz dyfuzorowy kanał 56. Powietrze wpływające wlotem 58 jest filtrowane za pomocą filtra 59 powietrza i kierowane do wężownicy 54 sprężarki. Powietrze wypływające ze ślimacznicy 54 sprężarki jest kierowane do rekuperatora 22.

W skład turbiny 14 wchodzi przestrzeń ślimacznicy 60 turbiny, liczne nieruchome łopatki kierownicze 62 oraz niewydrążony wirnik 64 turbiny. Gorące, rozprężające się gazy, wypływające z komory spalania 24, są kierowane do przestrzeni ślimacznicy 60 turbiny i na łopatki kierownicze 62, które zmieniają ich kierunek i prowadzą na wirnik 64 turbiny. Gazy wylotowe z turbiny wypływają z turbiny 14 przez dyfuzor wylotowy 66, w którym zmniejsza się ich temperaturę i powodowany przez nie hałas.

Wirnik 34 przetwornika energii 16 zawiera magnesy 68 wykonane z materiału ziem rzadkich, na przykład z kobaltu samarowego. Magnesy 68 są otoczone tuleją ograniczającą 70 wykonaną z materiału niemagnetycznego, na przykład z Inconelu 718. Uzwojenia 36 stojana są umieszczone w obudowie 73 prądnicy. W wirniku 34 znajduje się otwór oraz opcjonalnie tuleja ograniczająca (nie pokazana) stykająca się z powierzchnią otworu. Z uzwojeń 36 stojana wychodzą przewody energetyczne 72 kończące się kołkiem 74 przymocowanym do podstawy 79. Podstawa 79 stanowi podparcie wlotu paliwa, wlotu powietrza 58, sprężarki 12, turbiny 14, przetwornika energii 16, rekuperatora 40, co umożliwia nadanie układowi 10 zwartej postaci (kompletnego modułu).

Pojedynczy wał 18 pokazano na fig. 2 jako wał 75 łączący, który przechodzi przez otwory w wirniku 34 i wirniku 52 sprężarki. Wał 75 łączący jest cienki i mą średnicę około 6,35 mm do 12,7 mm (0,25 cała do 0,5 cala). W otworach jest luz, dzięki któremu wał 75 łączący może przejść przez wirnik 34 i wirnik 52. Jednakże wał 75 łączący nie przechodzi przez wirnik 64 turbiny. Natomiast wał 75 łączący jest przymocowany do wirnika 64 turbiny. Wał 75 łączący można przymocować do środka piasty wirnika turbiny techniką spawania w osłonie gazu obojętnego. Zatem wirnik 64 turbiny 14 nie jest wydrążony, w tym sensie, że nie ma w nim otworu, przez który przechodziłby wał 75 łączący. Eliminacja takiego otworu zmniejsza naprężenia w wirniku 64 turbiny.

Po złączeniu ze sobą poprzez wał 75 łączący, wirnik 52 sprężarki, wirnik 64 turbiny oraz wirnik 34 obracają się jak pojedynczy zespół. Jednakże w wysokich temperaturach roboczych i przy dużych prędkościach obrotowych, wirnik 52 sprężarki, wirnik 64 turbiny oraz wirnik 34 przetwornika energii wykazują tendencje do rozszerzania się pod wpływem ciepła i rozłączania, a ich powierzchnie styku mogą tracić kontakt ze sobą. Również odkształcenia (wyginanie się) wału łączącego 75 podczas pracy jest przyczyną występowania tendencji do rozłączania się tych powierzchni. W celu utrzymania styczności pomiędzy powierzchniami wirnika 52 sprężarki, wirnika 64 turbiny i wirnika 34 przetwornika energii przy dużych prędkościach obrotowych (ok. 1300 obr/sek, 80000 obrotów na minutę i więcej) wał 75 łączący jest wstępnie obciążony. Na przykład, wał 75 łączący wykonany z Inconelu 718 można wstępnie obciążyć siłą rozciągającą do około 90% jego umownej granicy plastyczności. Podczas montażu wał 75 łączący jest wstępnie obciążany, nasuwa się na niego wirnik 52 i wirnik 34, po czym na gwintowany koniec wału 75 łączącego jest nakręcana nakrętka mocująca 77. Naprężenie w wale 75 łączącym utrzymuje się w miarę nakręcania nakrętki 77.

PL 195 679 B1

Wirujący zespół, zawierający wirniki 52, 64, 34 i wał 75 jest podparty w kierunku promieniowym na pierwszym i drugim poprzecznych łożyskach foliowych 76 i 78. Wirujący zespół zawierający wirniki 52, 64, 34 i wał 75 jest podparty w kierunku osiowym na wzdłużnym łożysku foliowym 80.

W zespole napędowym 50 znajdują się różne okna na przepływ chłodziwa. Okna 82 i 84 są przeznaczone na przepływ chłodziwa przez uzwojenia 36 stojana. Istnieją również okna 86 i 88 na przepływ chłodziwa przez poprzeczne i wzdłużne łożyska foliowe 76, 78 i 80.

Układ 10 wytwarzania energii można zbudować z kliku głównych modułów, takich jak moduł obrotowy, moduł wymiennika ciepła, moduł komory spalania oraz moduł wyposażenia elektronicznego. Każdy z tych modułów jest stosunkowo lekki i zwarty. Moduły te można wymieniać nie naruszając przewodów z cieczą. Używanie łożysk foliowych eliminuje konieczność stosowania olejowego układu smarowania i dlatego zmniejsza częstość konserwacji układu 10 do wytwarzania energii. Konserwacja według harmonogramu polega głównie na wymianie elementów składowych zapłonnika 27, filtra 59 i katalizatora w komorze spalania 24.

Układ 10 wytwarzania energii pracuje w konwencjonalnym obiegu Braytona z regeneracją ciepła. Obieg Braytona może być realizowany przy stosunkowo niskim stopniu sprężania (np. 3,8) w celu maksymalizacji całkowitej sprawności; ponieważ w obiegach z regeneracją ciepła im mniejszy stopień sprężania, tym temperatura wylotowa z turbiny jest bliższa temperaturze wlotowej. Umożliwia to doprowadzanie ciepła do obiegu przy wysokiej temperaturze i, zgodnie z prawem Carnota, zmniejsza straty entropii związane z doprowadzaniem ciepła do obiegu. Rezultatem takiego dodawania ciepła przy wysokiej temperaturze jest zwiększenie całkowitej sprawności obiegu układu.

Poniżej podano przykładowe wartości. Powietrze jest sprężane w jednostopniowej sprężarce promieniowej do ciśnienia 3800 Pa (3,8 barów). Sprężone powietrze można skierować do rekuperatora 22, gdzie podwyższa się jego temperaturę za pomocą ciepła odpadowego gazów wylotowych z turbiny. Temperatura gazów wylotowych z turbiny jest ograniczona do około 704,44°C (1300°F) w celu przedłużenia żywotności rekuperatora. W przypadku temperatury gazów wylotowych powyżej 704,44°C (1300°F) rekuperator 22 można wykonać z nadstopów zamiast ze stali nierdzewnej. Rekuperator 22 można skonstruować o sprawności 85% lub 90%, w zależności od zapotrzebowania klienta. W najbardziej skutecznej konfiguracji i stosując rekuperację 90%, cał kowita sprawność obiegu wynosi 30%, co daje wysoką wartość jednostkowego ciepła spalania wynoszącą około 11900 BTU/kWh dla obiegu Diesla.

Po podgrzaniu w rekuperatorze 22, sprężone powietrze jest kierowane do komory spalania 24, gdzie doprowadza się do niego dodatkowe ciepło w celu podwyższenia jego temperatury do ok. 900°C (1650°F). Komora spalania 24 skonstruowana w sposób konwencjonalny może wytwarzać gazy spalinowe o poziomie zawartości NOX poniżej 25 ppm, natomiast komora spalania 24 z katalizatorem może wytwarzać gazy spalinowe o poziomie zawartości NOX w zasadzie niewykrywalnym (komercyjne czujniki NOX mają zakres wykrywania ograniczony do 2 do 3 ppm). Następnie gaz o wysokiej entalpii rozpręża się na turbinie 14. Wirnik 52, wirnik 64 turbiny, wirnik 34 i wał 75 łączący - jedyne ruchome części w zespole napędowym 50 - obracają się jako jeden zespół z wysokimi prędkościami około 4300 obr/s (80000 obrotów na minutę) lub większymi. Wynikowa częstotliwość prądu wyjściowego z prądnicy około 1200 Hz jest następnie zmniejszana za pomocą przekształtnika 40 do częstotliwoś ci zgodnej z częstotliwością sieci wynoszącej 50 lub 80 Hz. W rezultacie otrzymuje się wysoką gęstość energii wynikającą z małego ciężaru (około jedna trzecia wymiarów porównywalnej prądnicy wysokoprężnej) oraz małe wymiary na przykład około 0,914 m na 1,524 m i na 1,828 m (3 stopy na 5 stóp i na 6 stóp wysokości). Uzyskanie wysokiej gęstości energii, przy małym ciężarze urządzenia jest możliwe dzięki zastosowaniu zespołów o dużej prędkości umożliwiających uzyskanie dużych ilości energii przy minimalnym zużyciu materiałów. Zespół ten jest całkowicie zabudowany w odpornej na warunki pogodowe obudowie. Układ 10 do wytwarzania energii jest układem, który można po prostu włączyć i używać, wymagającym niewiele więcej niż doprowadzanie czystego paliwa, ciekłego lub gazowego.

Zatem ujawniono układ 10 wytwarzania energii, w którym można używać różne paliwa, w tym gaz ziemny, olej napędowy i JP-8. Układ 10 do wytwarzania energii wydziela do otoczenia stosunkowo niewielka ilość ciepła i powoduje minimalny poziom hałasu. Dzięki zastosowaniu łożysk powietrznych (łożysk foliowych) wyeliminowano konieczność stosowania olejowego układu smarowania. Układ 10 do wytwarzania energii elektrycznej ma wysoką niezawodność i wymaga minimalnej obsługi, ze względu na budowę w postaci pojedynczego ruchomego zespołu. Zastosowanie półprzewodnikowego przekształtnika elektronicznego umożliwia dostarczanie przez układ na wyjściu prądu przemienPL 195 679 B1 nego. Instalacja zespołu jest łatwa dzięki modułowej i obudowanej konstrukcji, natomiast obsługa jest łatwa ze względu na obecność w układzie tylko jednej poruszającej się części oraz łatwy dostęp do głównych części. Szerokość, długość i wysokość zespołu napędowego 50 można regulować, dopasowując się do różnorodnych wymagań wymiarowych.

Układ 10 wytwarzania energii jest mniejszy, lżejszy, bardziej sprawny pod względem zużycia paliwa oraz wydziela mniejszą ilość ciepła do otoczenia, jest mniej hałaśliwy, wymaga mniej zabiegów konserwacyjnych i jest tańszy niż porównywalne silniki spalinowe. Z tego względu, dzięki niskim kosztom jego instalacji, wysokiej sprawności, wysokiej niezawodności i prostej, taniej konserwacji, układ 10 do wytwarzania energii powoduje niższe koszty eksploatacyjne i koszty stałe niż generatory energii o porównywalnych wymiarach.

Układ 10 wytwarzania energii może być stosowany w wielu zróżnicowanych potencjalnych zastosowaniach. Należą do nich zastosowanie w pracy poza siecią jako jednostki wolnostojące, zastosowanie w sieci do kompensacji obciążeń szczytowych, praca w trybie nadążnym lub praca przy obciążeniu bazowym, praca w trybie rezerwy awaryjnej i nieprzerwane zasilanie, zastosowanie jako silnik napędowy (np. pompa, klimatyzacja) oraz w hybrydowych pojazdach samochodowych.

Wynalazek nie ogranicza się do opisanych powyżej konkretnych przykładów wykonania. Na przykład, układ według wynalazku można skonfigurować bez prądnicy 16. Energię turbiny można byłoby przekazywać i stosować bezpośrednio, jak w przypadku układów chłodzenia z napędem mechanicznym.

Claims (18)

1. Mikroturbinowy układ wytwarzający energię elektryczną zawierający turbinę przetwarzającą energię cieplną gazów na energię mechaniczną, przetwornik energii przetwarzający energię mechaniczną wytwarzaną przez turbinę na energię elektryczną oraz wal łączący turbinę z przetwornikiem energii, znamienny tym, że jeden wał (75) łączący łączy turbinę (14) z przetwornikiem energii (16) w stanie wstępnie obciążonym tak, że wirnik (34) przetwornika energii (16) obraca się synchroniczne z wirnikiem (64) turbiny (14).

2. Mikroturbinowy układ według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera ponadto komorę spalania (24) wytwarzającą energię cieplną gazów poprzez zapłon mieszanki powietrza z paliwem, układ paliwowy doprowadzający paliwo do komory spalania (24), sprężarkę (12) sprężającą powietrze wlotowe i doprowadzającą sprężone powietrze do komory spalania (24), sprzężoną z turbiną (14) odbierającą ogrzane powietrze uwolnione ze spalania, przy czym sprężarka (12) jest sprzężona z turbiną (14) i przetwornikiem energii (16) w stanie wstępnie obciążonym na wale (75) pozwalającym na synchroniczne obracanie się wirującej części sprężarki (12) i wirującej części turbiny (16).

3. Mikroturbinowy układ według zastrz. 2, znamienny tym, że sprężarka (12) znajduje się pomiędzy turbiną (14) a przetwornikiem energii (16).

4. Mikroturbinowy układ według zastrz. 2, znamienny tym, że zawiera ponadto rekuperator (22) połączony ze sprężarką (12), przy czym w skład rekuperatora (22) wchodzi pierwszy kanał (20), odbierający sprężone powietrze o wysokiej temperaturze ze sprężarki (12) i doprowadzający pochodzące z gorącej strony układu rekuperatora (22) sprężone powietrze o wyższej temperaturze do komory spalania (24) oraz drugi kanał (32) odbierający z turbiny (14) gazy wylotowe o wysokiej temperaturze i odprowadzają cy powietrze wylotowe o niż szej temperaturze.

5. Mikroturbinowy układ według zastrz. 2, znamienny tym, że przetwornik energii (16) zawiera prądnicę napędzaną przez turbinę (14), wytwarzającą prąd przemienny.

6. Mikroturbinowy układ według zastrz. 5, znamienny tym, że przetwornik energii (16) zawiera ponadto prostownik (38) połączony z prądnicą, prostujący prąd przemienny wytwarzany przez prądnicę.

7. Mikroturbinowy układ według zastrz. 6, znamienny tym, że przetwornik energii (16) zawiera ponadto przekształtnik (40), który jest połączony z prostownikiem (38) odbierający prąd stały z prostownika (38) i przekształcający prąd stały na prąd zmienny o zadanej częstotliwości.

8. Mikroturbinowy układ według zastrz. 7, znamienny tym, że częstotliwość prądu przemiennego jest niezależna od prędkości turbiny (14).

9. Mikroturbinowy układ według zastrz. 2, znamienny tym, że zawiera ponadto elementy podpierające, korzystnie w postaci podstawy (79), wlot paliwa, wlot powietrza (58), sprężarkę (12), rekuperator (22), komorę spalania (24), turbinę (16), przetwornik energii (16) z prądnicą, prostownik (38) i przekształtnik (40).

PL 195 679 B1

10. Mikroturbinowy układ według zastrz. 2, znamienny tym, że w komorze spalania (24) znajduje się element katalityczny zawierający katalizator dla całkowitego utleniania mieszanki paliwowej.

11. Mikroturbinowy układ według zastrz. 2, znamienny tym, że w turbinie (14) znajduje się kanał wylotowy gazów spalinowych, a w sprężarce (12) kanał wlotowy powietrza, który jest prostopadły do kanału wylotowego gazów spalinowych z turbiny (14).

12. Mikroturbinowy układ według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera pierwsze i drugie poprzeczne łożysko foliowe (76, 78) podtrzymujące wał, przy czym te pierwsze i drugie poprzeczne łożyska foliowe (76, 78) znajdują się po przeciwnych stronach przetwornika energii (16), zaś turbina (14) ma wirnik (64) przymocowany do końca wału (75), a pomiędzy przetwornikiem energii (16) a turbiną (14) jest usytuowane wzdłużne łożysko foliowe (80).

13. Mikroturbinowy układ według zastrz. 12, znamienny tym, że zawiera ponadto sprężarkę (12) z wirnikiem (52) napędzanym przez wał (75) łączący.

14. Mikroturbinowy układ według zastrz. 13, znamienny tym, że wał (75) łączący jest wstępnie obciążony.

15. Mikroturbinowy układ wytwarzający energię elektryczną zawierający moduł wirujący złożony z wirnika sprężarki, wirnika prądnicy, wirnika turbiny i wału łączącego, znamienny tym, że zawiera wstępnie obciążony wał (75) łączący, który to wał łączący przechodzi przez otwory w wirniku (34) przetwornika energii (16) i wirniku (52) sprężarki (12), przy czym jeden koniec wału (75) łączącego jest przymocowany do wirnika (64) turbiny (14) oraz zespół komory spalania (24), dostarczający gorące rozszerzające się gazy do wirnika (64) turbiny (14), a także zespół wymiennika ciepła zawierający rekuperator (22) ogrzewający powietrze sprężone w wirniku (52) sprężarki (12).

16. Mikroturbinowy układ według zastrz. 15, znamienny tym, że zawiera ponadto zespół wyposażenia elektronicznego regulujący przepływ paliwa do komory spalania (24).

17. Mikroturbinowy układ według zastrz. 15, znamienny tym, że wirnik (64) turbiny (14) jest pozbawiony otworu.

18. Mikroturbinowy układ według zastrz. 15, znamienny tym, że zawiera moduł wirujący, w skład którego wchodzi tarcza wirnika (52) sprężarki (12), wirnik (34) przetwornika energii (16), wirnik (64) turbiny (14) oraz wstępnie obciążony wał (75) łączący, przechodzący przez otwory w wirniku (34) przetwornika energii i wirniku (52) sprężarki (12), przy czym jeden koniec wału (75) łączącego jest przymocowany do wirnika (64) turbiny (14).