Многокаскадная турбогенераторная система и способ ее управления
Изобретение относится к энергетике. Предложена система для выработки электрической энергии с приводом от многоконтурного газотурбинного двигателя, включающего в себя, по меньшей мере, первый и второй каскады. Первый каскад содержит турбину и компрессор, установленные на первом валу, второй каскад имеет, по меньшей мере, турбину, которая установлена на втором валу и механически не связана с первым валом. С одним из каскадов связан основной генератор, и с одним из каскадов также связан вспомогательный генератор-двигатель. Для управления работой двигателя применяется управление частотой вращения каждого из генераторов. Вспомогательный генератор-двигатель может работать либо в режиме генерирования, отбирая энергию из своего каскада, либо в режиме двигателя, сообщая энергию своему каскаду. Изобретение позволяет оптимизировать кпд двигателя путем управления расходом воздуха через двигатель таким образом, что обеспечивается управление соотношением компонентов топливовоздушной смеси, позволяющее поддерживать высокую пиковую температуру, сообщаемую рабочей текучей среде в двигателе. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 10 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к выработке электрической энергии из механической энергии, производимой многокаскадным турбинным двигателем.
Предшествующий уровень техники
Обсуждение идеи распределенной выработки энергии идет уже много лет, но к настоящему времени системы для распределенной выработки не нашли широкого применения. Распределенной выработкой называют применение малых систем для выработки электрической энергии, находящихся в местах, где энергия нужна, и этим отличающихся от традиционной энергосистемы общего пользования, в которой большая центральная электростанция вырабатывает энергию, которая затем передается на значительные расстояния множеству потребителей через систему линий электропередачи, совокупность которых называется сетью. В отличие от обычных электростанций, системы для распределенной выработки в общем случае имеют мощность менее двух мегаватт, а в более типичном случае - в диапазоне от 60 до 600 киловатт.
В качестве недостатка распределенной выработки, препятствующего ее широкому распространению, можно назвать главным образом стоимость. В большинстве районов Соединенных Штатов, а фактически - и по всему миру, для большинства потребителей дешевле покупать энергию из сети, чем делать капиталовложения в создание и эксплуатацию системы для распределенной выработки. Основным фактором, являющимся причиной относительно высокой стоимости энергии из систем для распределенной выработки, был относительно низкий кпд малых двигателей в таких системах, в частности в условиях работы при частичной нагрузке.
Как правило, привод генератора в системе для распределенной выработки осуществляет малый турбинный двигатель, часто называемый микротурбиной или минитурбиной в зависимости от размера. Турбинный двигатель в общем случае содержит камеру сгорания, предназначенную для сгорания в ней топливовоздушной смеси с целью получения горячих газов за счет преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию, турбину, которая расширяет горячие газы для вращения вала, на котором эта турбина установлена, и компрессор, установленный на упомянутом валу или связанный с ним и работающий, сжимая воздух, который подается в камеру сгорания. В некоторых приложениях также применяются многокаскадные турбинные двигатели. Например, двухкаскадный двигатель с турбонаддувом включает в себя каскад низкого давления, содержащий вал, на котором установлены турбина низкого давления (ТНД) и компрессор низкого давления (КНД), и каскад высокого давления, содержащий еще один вал, на котором установлены турбина высокого давления (ТВД) и компрессор высокого давления (КВД). Рабочая текучая среда, сжатая КНД, подается в КВД, где ее дополнительно сжимают перед подачей в камеру сгорания. Газообразные продукты сгорания проходят сначала через ТВД, а затем - через ТНД. На валу каскада высокого давления установлен основной генератор. Такие двухкаскадные двигатели могут увеличивать энергию, получаемую с вала каскада высокого давления, с коэффициентом 1,5-2,0 по сравнению с однокаскадным двигателем при той же самой температуре на входе в турбину. В других многокаскадных двигателях, предназначенных для выработки энергии, один вал служит опорой компрессору и турбине, образующих газогенератор или «газификатор», а другой вал служит опорой свободной турбине, в которую подаются выхлопные газы из газификатора. Генератор установлен на валу силовой турбины.
Ввиду относительно малого количества электрической энергии, потребляемой из системы для распределенной выработки, турбинный двигатель соответственно мал. По причинам, которые связаны с аэродинамикой и имеют место внутри двигателя, а также по другим причинам, кпд турбинного двигателя проявляет тенденцию к уменьшению с уменьшением размеров двигателя. Соответственно микротурбины и минитурбины автоматически имеют недостаточный кпд по сравнению с более крупными двигателями.
Кроме того, хорошо известно, что, независимо от размеров, кпд турбинного двигателя при частичной нагрузке неудовлетворителен, в частности, из-за конкретного способа эксплуатации этого двигателя в условиях частичной нагрузки. Более конкретно, в турбинных двигателях, как правило, температура на входе в турбину высокого давления, по существу являющаяся пиковой температурой рабочей текучей среды в цикле двигателя, падает, когда выходная мощность двигателя падает ниже «расчетной» точки. Расчетная точка в обычном случае соответствует условию номинальной (100%-ной) нагрузки, а двигатель обычно проектируют так, что его пиковый кпд имеет место по существу в расчетной точке. Хорошо известно, что основной переменной, влияющей на кпд термодинамического цикла двигателя, является пиковая температура рабочей текучей среды. При прочих равных условиях, чем больше эта пиковая температура, тем больше кпд, и наоборот, чем меньше пиковая температура, тем меньше кпд. Следовательно, если управление двигателем, работающим в условиях частичной нагрузки, осуществляют так, что пиковая действующая температура рабочей текучей среды в цикле (т.е. температура на входе в турбину) существенно меньше, чем она есть в расчетной точке, то от этого в значительной степени страдает кпд двигателя.
В некоторых известных газовых турбинах, в частности авиационных газотурбинных двигателях для создания тяги и крупных газовых турбинах для электрических генераторных систем с неизменной частотой вращения, в условиях частичной нагрузки применялись системы с изменяемой геометрией для уменьшения расхода воздуха так, чтобы кпд двигателя чрезмерно не страдал. Например, в осевых компрессорах применялись поворотные лопатки входного направляющего аппарата (ВНА); в условиях частичной загрузки лопатки ВНА складываются, уменьшая расход воздуха для некоторой заданной частоты вращения компрессора. В случае радиальных компрессоров, неподвижные лопатки ВНА иногда делали поворотным, чтобы достичь аналогичного эффекта. В других случаях применяли поворотные лопатки или сопла турбины первой ступени, чтобы управлять скоростью турбины, а значит - и частотой вращения компрессора, то есть управлять расходом воздуха. Такие системы с изменяемой геометрией являются дорогими, а их подшипники и другие подвижные составные части подвержены износу, что делает эти системы непрактичными в качестве электрических генерирующих систем, которые должны быть способными к обслуживанию в течение значительного в процентном отношении количества часов в году, должны быть способными к работе по существу в непрерывном режиме, если это потребуется, а также должны быть способными быстро реагировать на изменения энергии, которая потребляется обслуживаемой нагрузкой. Кроме того, механизмы с изменяемой геометрией непрактичны применительно к микротурбинам и минитурбинам ввиду малых размеров двигателя. Таким образом, существует потребность в альтернативе способам, предусматривающим применение средств с изменяемой геометрией, для оптимизации рабочих параметров двигателей в условиях частичной нагрузки.
Другим аспектом распределенной выработки, на который, как показывает опыт, следует обратить внимание, являются выбросы (включая, но не в ограничительном смысле, выбросы оксидов азота, несгоревших углеводородов и монооксида углерода). Вообще говоря, при заданной выходной мощности выбросы NOx можно снизить или минимизировать путем минимизации температуры горения топлива (также известной как температура пламени), которая в общем случае выше пиковой термодинамической температуры (температуры на входе в турбину), вследствие чего можно уменьшить образование оксидов азота, не оказывая негативное влияние на кпд. Основным способом снижения температуры пламени является предварительное смешивание топлива и воздуха перед зоной сгорания с целью получения смеси с относительно низким соотношением топлива и воздуха, т.е. обедненной смеси. Это предварительное смешивание также допускает ситуацию, в которой температура по всей зоне пламени очень близка к одинаковой, а участки локального перегрева, наличие которых может привести к локальному образованию NOx, отсутствуют. Вместе с тем, поскольку смесь приготавливается обедненной, увеличивается содержание монооксида углерода (СО) и несгоревших углеводородов (НУВ), а также нарастают флуктуации давления. Проявление этих тенденций продолжается, а зона пламени становится более нестабильной по мере обеднения смеси до тех пор, пока не будет достигнут предел, при котором обеднение прекращается. В случае смесей, которые хоть сколько-нибудь беднее этого предела, невозможно поддерживать пламя. На практике, выбросы монооксида углерода и несгоревших углеводородов и/или пульсации давления становятся недопустимо большими до того, как достигается предел, при котором обеднение прекращается.
Предел, при котором обеднение прекращается, можно перемещать в режимы большего обеднения, увеличивая температуру на входе в камеру сгорания и применяя каталитическое горение. Применение каталитического горения значительно интенсифицирует рабочий режим сгорания предварительно приготовленной обедненной смеси, что приводит к очень малому выбросу NOx, приемлемым выбросам СО и НУВ и, по существу, к отсутствию пульсаций давления. Вместе с тем, каталитическое горение накладывает другое ограничение на работу, называемое пониженным пределом каталитической активности. Температуру на входе в каталитическую камеру сгорания следует поддерживать выше этого предела, чтобы каталитическое горение оказалось возможным.
Во многих традиционных микротурбинах управление двигателем таково, что в условиях частичной нагрузки температура на входе в камеру сгорания проявляет тенденцию к падению, а топливовоздушная смесь становится беднее. В случае обычного горения предварительно приготовленной бедной смеси, результатом этой тенденции являются увеличенные выбросы; в случае каталитического горения, падающая температура на входе камеры сгорания может привести к невозможности обеспечить каталитическое горение. На практике, камеры сгорания, предусматривающие применение предварительно приготовленных обедненных смесей и каталитического горения, способны работать только в части диапазона нагрузки газовой турбины ввиду падения температур на входах камер сгорания и условий прогрессирующего обеднения, которые преобладают, когда нагрузка уменьшается.
В некоторых случаях, применяли предварительные камеры сгорания перед основными камерами сгорания, чтобы повысить температуру на входе камер сгорания. Кроме того, применяли камеры сгорания с изменяемой геометрией, в которых часть воздуха отклоняют вокруг камеры сгорания, чтобы поддержать соотношение компонентов топливовоздушной смеси на уровне, обеспечивающем стабильность работы. Решение, предусматривающее наличие предварительной камеры сгорания, наносит ущерб надежности, поскольку избыточная температура или другое отклонение в работе предварительной камеры сгорания может привести к повреждению основной камеры сгорания, а также увеличивает стоимость системы. Кроме того, оно наносит ущерб в смысле стоимости эксплуатации в результате потери давления, которая происходит из-за предварительной камеры сгорания; эта потеря давления имеет место даже тогда, когда предварительная камера сгорания не работает. Помимо того, что ее используют при поддержании соотношения топлива и воздуха, изменяемая геометрия применима и при исключении ущерба, обуславливаемого потерей давления. Однако решения, связанные с изменяемой геометрией, являются дорогостоящими, сложными и подверженными избыточному износу, пониженной надежности и повышенной стоимости технического обслуживания.
Как отмечалось выше, двухкаскадные двигатели обладают преимуществом большей выходной мощности, но они также усложняют управление двигателем, в частности, когда (если это желательно) отсутствует механическая связь между двумя валами, так что управление в полном объеме должно достигаться путем регулирования расхода. Двухкаскадные двигатели разработаны для автомобильных приложений, в которых между двумя двигателями существует механическая взаимосвязь. Такие двигатели в общем случае требуют усложненного механического сцепления и зубчатой передачи между валами. Такие механизмы дороги в изготовлении подвержены износу и обуславливают большие потери. Они обычно непригодны для приложений, связанных с выработкой энергии, где желательны продолжительности эксплуатации без технического обслуживания, составляющие 60000 часов или более.
Для многих потенциальных потребителей эти факторы в совокупности сделали выработку электрической энергии посредством систем для распределенной выработки менее привлекательными, чем покупка энергии у крупных коммунальных сетей.
Краткое описание изобретения
Настоящее изобретение направлено на удовлетворение упомянутых потребностей и достижение других преимуществ за счет разработки системы и способа выработки электрической энергии с применением многокаскадного двигателя, осуществление которых позволяет в любых условиях эксплуатации при заданной выходной мощности, по существу, оптимизировать кпд двигателя путем управления расходом воздуха через двигатель таким образом, что обеспечивается управление соотношением компонентов топливовоздушной смеси, позволяющее поддерживать высокую пиковую температуру, сообщаемую рабочей текучей среде в двигателе. Способ и система согласно изобретению могут исключить потребность в механизмах с изменяемой геометрией в двигателе, исключить потребность в камерах сгорания с изменяемой геометрией, а также минимизировать потребность в предварительных камерах сгорания.
В соответствии с тем аспектом изобретения, который связан со способом, предложен способ управления работой двухкаскадного турбинного двигателя в электрической генераторной системе. Система имеет первый вал, на котором установлены первая турбина и первый компрессор, образующие первый каскад или каскад газификатора. Первый каскад включает в себя камеру сгорания, предназначенную для проведения в ней сгорания или реакции топливовоздушной смеси с целью получения горячих газов, которые осуществляют привод первой турбины. Система также включает в себя второй вал, на котором установлена, по меньшей мере, вторая турбина, образующая второй каскад, которая вращается независимо от первого каскада (т.е. между каскадами нет механической взаимосвязи). Выхлопные газы из первой турбины подаются во вторую турбину, которая осуществляет привод второго каскада. С одним из валов связан основной электрический генератор, так что вращение этого вала заставляет основной генератор работать, генерируя переменный электрический ток; изменение частоты вращения основного генератора вызывает соответствующее изменение частоты вращения упомянутого вала, а значит - и расхода воздуха через компрессор, находящийся на этом валу. С другим из валов связан вспомогательный генератор-двигатель. В режиме генерации привод вспомогательного генератора-двигателя осуществляется его валом для отбора энергии у вала и выработки электрической энергии; в режиме двигателя вспомогательный генератор-двигатель питается электрической энергией и сообщает механическую энергию своему валу. Способность вспомогательного генератора-двигателя отбирать и сообщать энергию (мощность) используется для достижения различных желательных эффектов в системе двигателя, включая управление частотой вращения вала, на котором установлен генератор-двигатель. Посредством такого управления частотой вращения в каскаде, где установлен генератор-двигатель, можно управлять расходом воздуха через компрессор и/или отношением давлений в компрессоре при любых рабочих условиях, что обеспечивает управление по нагрузочной линии компрессора. Нагрузочная линия - это линия на графике зависимости «отношение давлений - расход» (которую называют «многомерной регулировочной характеристикой» компрессора) для компрессора, вдоль которой компрессор работает с изменяющейся выходной мощностью турбины. Местонахождение нагрузочной линии на многомерной регулировочной характеристике в общем случае зависит от температуры окружающей среды. Управление вдоль нагрузочной линии, обеспечиваемое изобретением, можно использовать для достижения одного или более эффектов, в число которых входят оптимизация кпд двигателя при любых рабочих условиях, и/или предотвращение перегрева рекуператора, входящего в состав системы двигателя, и/или поддержание температуры каталитической камеры сгорания выше минимальной рабочей температуры катализатора. Кроме того, упомянутый генератор-двигатель может приводить во вращение вал, на котором он установлен, во время запуска, служа стартером, вследствие чего можно исключить отдельный стартер.
Согласно упомянутому способу обеспечивают работу двигателя и управляют частотой вращения основного генератора для управления расходом воздуха через каскад, с которым связан основной генератор, а значит - и управления частотой вращения и расходом воздуха в каскаде, а также обеспечивают работу вспомогательного генератора-двигателя либо в режиме генерации, либо в режиме двигателя, соответственно сопровождающихся отбором энергии из каскада или сообщением энергии каскаду, к которому подключен вспомогательный генератор-двигатель, а значит - и управление частотой вращения и расходом воздуха в его каскаде. С основным генератором и вспомогательным генератором-двигателем или со связанным с ними блоком силовой электроники соединен контроллер для управления их работой.
Турбинный двигатель может иметь различные конфигурации. В одном варианте осуществления, первый каскад, содержащий первые компрессор и турбину, представляет собой каскад высокого давления. Второй каскад, имеющий вторую турбину, также включает в себя второй компрессор и образует каскад низкого давления. Воздух, сжимаемый компрессором низкого давления, подается в компрессор высокого давления, где дополнительно сжимается перед подачей в камеру сгорания. В турбину высокого давления подаются газообразные продукты сгорания, выхлопные газы которой попадают в турбину низкого давления. Таким образом, двигатель в этом варианте осуществления, по существу, представляет собой двигатель с турбонаддувом. Основной генератор установлен на валу каскада высокого давления, а вспомогательный генератор-двигатель установлен на валу каскада низкого давления. Управление частотой вращения основного генератора можно использовать для управления частотой вращения в каскаде высокого давления, а значит и расходом воздуха через него и отношением давлений в нем. Управление частотой вращения вспомогательного генератора-двигателя можно использовать для управления частотой вращения в каскаде низкого давления, а значит и расходом воздуха через него и отношением давлений в нем. Основной генератор и вспомогательный генератор-двигатель используются совместно и координировано для достижения одновременного управления частотой вращения в обоих каскадах, а значит и расходом воздуха через них и отношением давлений в них.
В альтернативном варианте осуществления изобретения конфигурация двигателя, как и раньше, предусматривает наличие каскадов низкого и высокого давлений, но основной генератор связан с каскадом низкого давления, а вспомогательный генератор-двигатель связан с каскадом высокого давления.
В еще одном варианте осуществления изобретения второй каскад не включает в себя компрессор, а вторая турбина представляет собой свободную силовую турбину. Эту силовую турбину питает первый каскад или газификатор. Основной генератор может быть связан с валом газификатора, а вспомогательный генератор-двигатель может быть связан с валом силовой турбины, или основной генератор может быть связан с валом силовой турбины, а вспомогательный генератор-двигатель может быть связан с валом газификатора.
В различных вариантах осуществления изобретения могут присутствовать дополнительные признаки. Например, можно использовать теплообменник или рекуператор для предварительного нагрева воздуха, который смешивают с топливом, или для предварительного нагрева топливовоздушной смеси; рекуператор вызывает теплообмен между воздухом или смесью и выхлопными газами, выпускаемыми из двигателя. Если бы в условиях очень малой частичной нагрузки пиковая температура цикла поддерживалась на том же уровне, как в той точке, где нагрузка составляет 100%, то температура выхлопных газов, попадающих в рекуператор, могла бы превысить максимальное допустимое значение (накладываемое, например, физическими ограничениями). Поэтому в соответствии с изобретением управление скоростями вращения основного и вспомогательного генераторов осуществляют с возможностью управления расходом воздуха через двигатели, а значит и управления соотношением компонентов топливовоздушной смеси таким образом, что температура выхлопных газов, поступающих в рекуператор, не превышает заданного максимального допустимого значения.
Возможно также наличие промежуточного холодильника между компрессорами низкого и высокого давлений двигателя, позволяющее воспользоваться выгодами промежуточного охлаждения, что также известно в данной области техники.
В еще одном аспекте изобретения топливо сгорает в каталитической камере сгорания, имеющей заданную минимальную температуру на входе, необходимую для поддержания каталитической реакции в этой камере сгорания. При осуществлении многих традиционных процедур управления двигателями температура на входе в камеру сгорания склонна падать, когда нагрузка двигателя уменьшается и становится ниже той, которая имеет место в условиях 100%-ной нагрузки; поэтому оказывается возможным падение температуры ниже минимальной температуры, необходимой для каталитической реакции. В соответствии с изобретением, соотношением компонентов топливовоздушной смеси в условиях частичной нагрузки управляют таким образом, что температура на входе в камеру сгорания имеет, по меньшей мере, такое же значение, как заданная минимальная температура на входе. Соотношением компонентов топливовоздушной смеси управляют посредством управления расходом воздуха, которое осуществляют путем управления скоростями вращения основного генератора и вспомогательного генератора-двигателя в каскадах, как описано выше.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения система для выработки электрической энергии для ее подачи на нагрузку включает в себя первый каскад, содержащий первый вал, на котором установлены первый компрессор и первая турбина, и второй каскад, содержащий второй вал, на котором установлена, по меньшей мере, вторая турбина. Предусмотрено, что вращение во втором каскаде не зависит от первого каскада. Система включает в себя камеру сгорания, предназначенную для проведения в ней сгорания или реакции топливовоздушной смеси для получения горячих газов, которые подаются в первую турбину, осуществляющую привод первого компрессора. Выхлопные газы из первой турбины подаются во вторую турбину. Система дополнительно содержит основной генератор, связанный с одним из валов, и вспомогательный генератор-двигатель, связанный с другим из валов. С основным генератором и вспомогательным генератором-двигателем связан блок силовой электроники для получения переменного электрического тока от каждого из них и синтезирования переменного выходного тока заданной частоты для подачи на нагрузку. Блок силовой электроники в одном варианте осуществления содержит модуль преобразования переменного тока в постоянный или выпрямитель, предназначенный для и выполненный с возможностью работы на переменных электрических токах от основного генератора и вспомогательного генератора-двигателя для генерирования неизменяющегося постоянного тока при неизменяющемся напряжении, и модуль преобразования постоянного тока в переменный, или инвертор, предназначенный для и выполненный с возможностью работы на неизменяющемся постоянном токе для синтезирования переменного выходного тока и напряжения предварительно определенной частоты и относительной фазы для подачи на нагрузку. В одном варианте осуществления выпрямитель может быть выполнен с возможностью отклика на сигнал управления током для изменения уровня неизменяющегося постоянного тока независимо от переменных электрических токов от основного генератора и вспомогательного генератора-двигателя.
В предпочтительном варианте система также включает в себя датчик мощности генератора, работающий, измеряя мощность, потребляемую нагрузкой. Имеется контроллер, управляющий топливной системой таким образом, что мощность на выходе системы, по существу, соответствует мощности, потребляемой нагрузкой, и одновременно управляющий частотой вращения основного генератора таким образом, что достигается управление частотой вращения в каскаде, с которым связан основной генератор (а значит - и расходом воздуха в этом каскаде). Вспомогательный генератор-двигатель либо отбирает энергию у каскада, с которым он связан, либо сообщает энергию этому каскаду для достижения различных эффектов, отмеченных выше.
Краткое описание чертежей
Описав таким образом изобретение в общем виде, теперь ссылка делается на прилагаемые чертежи, которые не обязательно выполнены в масштабе, на которых:
фиг.1 - схематический вид электрической генерирующей системы в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;
фиг.2 - график температур в различных точках в двигателе в зависимости от относительной нагрузки генератора, отображающий сравнение известного способа управления (отображенного пунктирными линиями) со способом управления в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения (отображенным сплошными линиями);
фиг.3 - многомерная регулировочная характеристика для компрессора низкого давления двигателя с фиг.1, иллюстрирующая нагрузочные линии при наличии и отсутствии управления посредством вспомогательного генератора-двигателя при температуре окружающей среды, составляющей -30°С;
фиг.4 - многомерная регулировочная характеристика компрессора низкого давления для известного двигателя при отсутствии управления посредством вспомогательного генератора-двигателя;
фиг.5 - многомерная регулировочная характеристика компрессора низкого давления в случае, когда управление посредством вспомогательного генератора-двигателя используется в каскаде низкого давления, а также иллюстрирующая нагрузочные линии для нескольких разных температур окружающей среды;
фиг.6 - зависимость мощности вспомогательного генератора-двигателя от мощности основного генератора для нескольких разных температур окружающей среды;
фиг.7 - схематический вид электрической генерирующей системы в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения;
фиг.8 - схематический вид электрической генерирующей системы в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения;
фиг.9 - схематический вид электрической генерирующей системы в соответствии с четвертым вариантом осуществления изобретения; и
фиг.10 - схематический вид электрической генерирующей системы в соответствии с пятым вариантом осуществления изобретения.
Подробное описание настоящего изобретения
Теперь будет приведено более подробное описание предлагаемого изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показаны некоторые, но не все, варианты осуществления изобретений. На самом же деле эти изобретения можно воплотить во многих разных формах, и не следует считать, что они ограничиваются приводимыми здесь вариантами осуществления; эти варианты осуществления приведены скорее для того, чтобы данное описание удовлетворяло предъявляемым к нему юридическим требованиям. Одинаковые ссылочные позиции по всему описанию обозначают одинаковые элементы.
На фиг.1 схематически показана электрическая генераторная система 10 в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения. Эта система включает в себя газотурбинный двигатель 20, который сжигает смесь топлива и воздуха для получения горячих газообразных продуктов сгорания, которые затем расширяются, вырабатывая механическую энергию. В иллюстрируемом варианте осуществления турбинный двигатель включает в себя каскад низкого давления и каскад высокого давления. Каскад низкого давления содержит компрессор 22 низкого давления, установленный на одном конце вращающегося вала 24, и турбину 26 низкого давления, установленную на другом конце этого вала. Каскад высокого давления включает в себя компрессор 28 высокого давления, установленный на одном конце второго вала 30, и турбину 32 высокого давления, установленную на другом конце вала 30. Компрессор 22 низкого давления выполнен с возможностью подачи сжатого воздуха из своего выпускного отверстия на впускную сторону компрессора 28 высокого давления, который осуществляет дополнительное сжатие воздуха. Между компрессорами низкого давления и высокого давления можно по выбору установить промежуточный холодильник 23 для охлаждения сжатого воздуха перед его подачей в компрессор высокого давления. Затем сжатый воздух подается через рекуператор или теплообменник 34, где воздух предварительно нагревается за счет теплообмена с выхлопными газами двигателя, что дополнительно описывается ниже. Потом воздух подается в камеру 36 сгорания вместе с топливом, подаваемым через клапан 38 управления топливом; в альтернативном варианте воздух и топливо можно смешивать в любой из различных точек выше по потоку от камеры сгорания; например, топливо можно вводить в компрессор низкого давления наряду с воздухом, а смешивание может иметь место в компрессионной системе двигателя, что выгодно, поскольку можно исключить отдельный топливный компрессор, а топливо можно предварительно нагревать в теплообменнике 34. Возможны различные типы камеры сгорания, включая, но не ограничиваясь, диффузионные, каталитические, с предварительным смешением обедненной смеси, или другие. Топливовоздушная смесь сгорает в камере сгорания, а горячие газообразные продукты сгорания подаются в турбину 32 высокого давления, которая расширяет эти газообразные продукты, что вызывает приведение турбины во вращение. В свою очередь, турбина высокого давления вращает вал 30, который осуществляет привод компрессора 28 высокого давления.
Выхлопные газы из турбины 32 высокого давления подаются в турбину 26 низкого давления, которая дополнительно расширяет эти газы, что вызывает приведение турбины во вращение и тем самым осуществляет привод компрессора 22 низкого давления. Выхлопные газы из турбины 26 низкого давления пропускаются через теплообменник 34 для предварительного нагрева воздуха или топливовоздушной смеси, вводимого или вводимой в камеру сгорания.
На валу 30 каскада высокого давления установлен или связан с этим валом основной генератор 40. Возможны различные типы этого генератора, включая генераторы с постоянными магнитами, генераторы с возбуждением или их комбинации. Вал каскада высокого давления приводит во вращение основной генератор, который работает, генерируя переменный электрический ток. Основной генератор может быть установлен непосредственно на упомянутом валу или соединен с ним таким образом, что отношение скоростей вращения между этим валом и генератором составит один к одному, или, как вариант, упомянутые генератор и вал могут быть соединены через зубчатую передачу и т.п. таким образом, что упомянутое соотношение скоростей вращения окажется другим. В любом случае от частоты вращения, на которой работает основной генератор 40, зависит частота вращения вала 30 каскада высокого давления, а следовательно, и частота вращения, на которой работает каскад высокого давления двигателя.
Система 10 также включает в себя топливную систему для подачи топлива в камеру сгорания 36. Эта топливная система в общем случае включает в себя топливный насос (не показан) и клапан 38 дозирования топлива, который управляется соответствующим сигналом управления, обеспечивающим возможность управления расходом топлива. Как отмечалось ранее, топливо можно вводить для смешивания с воздухом в любой из различных точек двигателя.
Система 10 дополнительно включает в себя вспомогательный генератор-двигатель 42, установленный на валу 24 каскада низкого давления или связанный с этим валом. Вспомогательный генератор-двигатель 42 выполнен с возможностью избирательной работы либо в режиме генерирования, либо в режиме двигателя. В режиме генерирования вспомогательный генератор-двигатель приводится во вращение турбиной 26 низкого давления и генерирует переменный электрический ток. В режиме двигателя на вспомогательный генератор-двигатель подается электрическая энергия, и он работает как двигатель, приводя во вращение вал 24. Как дополнительно описывается ниже, управление посредством вспомогательного генератора-двигателя, как и основного генератора 40, осуществляется с возможностью достижения различных желательных эффектов, сказывающихся на работе двигателя 20.
Система 10 также включает в себя блок 44 силовой электроники. В иллюстрируемом варианте осуществления блок силовой электроники включает в себя основной выпрямитель 46, преобразующий переменный электрический ток, который генерируется основным генератором 40 и может изменяться по частоте при изменении частоты вращения генератора, в неизменяющийся постоянный ток, и этот выпрямитель также может работать в режиме управления током, предназначенном для управления уровнем постоянного тока независимо от характеристик переменного входного тока (в некоторых пределах). Такое активное управление током основано главным образом на процедурах широтно-импульсной модуляции (ШИМ), в которых используются полупроводниковые переключающие устройства, которые осуществляют операции переключения с высокой частотой и эффективно обеспечивают пропускание тока только в течение части каждого периода сигнала входного тока. Длительность этого «временного окна», в течение которого обеспечивается пропускание тока, можно изменять таким образом, что будет происходить изменение «среднего» тока, выдаваемого из основного выпрямителя. Блок силовой электроники также включает в себя вспомогательный выпрямитель 48, который работает, преобразуя переменный электрический ток, генерируемый вспомогательным генератором-двигателем 42 в режиме генерирования, в неизменяющийся постоянный ток, а также может работать в режиме управления током, предназначенном для управления уровнем постоянного тока независимо от характеристик переменного входного тока (в некоторых пределах) таким же образом, как в случае основного генератора.
Блок силовой электроники дополнительно включает в себя инвертор 50, который обрабатывает выходные сигналы из выпрямителей 46, 48 для синтезирования выходного переменного тока фиксированной частоты. Во многих странах стандартная частота сети составляет 60 циклов в секунду, тогда как в других странах она составляет 50 циклов в секунду. Частоту на выходе инвертора выбирают так, чтобы обеспечить согласование со стандартной частотой сети, используемой в конкретном пункте, где надлежит эксплуатировать систему 10.
Система 10 включает в себя контроллер 60, который соединен с блоком 44 силовой электроники. Этот контроллер работает, управляя работой полупроводниковых переключающих устройств (не показаны), которые осуществляют операции переключения, чтобы обеспечить прохождение тока в каждый выпрямитель только в течение части каждого периода сигнала входного тока. Управляя временным окном, в течение которого обеспечивается пропускание тока, контроллер управляет средним уровнем неизменяющегося постоянного тока, выдаваемого из выпрямителя. Это управление током применяется для регулирования частоты, с которой вращается основной генератор 40; кроме того, когда вспомогательный генератор-двигатель 42 работает в режиме генерирования, управление током применяется для регулирования частоты вращения вспомогательного генератора-двигателя. Посредством управления частотами вращения основного и вспомогательного генераторов можно выгодным образом повлиять на рабочие точки составных частей газотурбинного двигателя на их соответствующих многомерных регулировочных характеристиках, чтобы достичь некоторых желательных эффектов, что дополнительно описывается ниже.
Система 10 также включает в себя ряд датчиков, соединенных с контроллером 60, для измерения различных параметров. Например, измеритель выходной мощности (не показан) выполнен с возможностью измерения количества электрической энергии, вырабатываемой системой. Один или более датчиков 62, 64 двигателя осуществляют оперативный контроль одной или более термодинамических или технологических переменных (например, расхода воздуха, мощности, расхода топлива, давлений на входе в компрессор, давлений на выходе из компрессора и т.д.), связанных с циклом двигателя. Эти переменные можно использовать, чтобы определить, работают ли составные части двигателя в соответствии со своими многомерными регулировочными характеристиками, т.е. работает ли двигатель около своей расчетной точки или он работает главным образом в нерасчетном режиме. В иллюстрируемом варианте осуществления датчик 62 связан с каскадом высокого давления, а датчик 64 связан с каскадом низкого давления. Датчик 62 может измерять температуру на входе в турбину применительно к входу в турбину 32 высокого давления или другой параметр, на основании которого можно вывести или оценить температуру на входе в турбину. В случае турбины высокого давления, температура на входе в турбину представляет собой пиковую температуру рабочей текучей среды в двигателе и имеет значительное влияние на общий кпд двигателя. Следовательно, измеряя температуру на входе в ТВД наряду с другими параметрами, можно вывести соответствующий термодинамический кпд двигателя. Датчик 65 точно так же может измерять температуру на входе в турбину 26 низкого давления или другой параметр, на основании которого можно вывести или оценить эту температуру. В предпочтительном варианте система включает в себя также датчики (не показаны) для измерения, по меньшей мере, двух из таких параметров, как расход, частота вращения и отношение давлений (или эквивалентных параметров) каждого из компрессоров, на основании чего можно вывести рабочие точки компрессоров.
Контроллер 60 соединен с каждым из вышеупомянутых датчиков. Этот контроллер может регулировать работу двигателя путем регулирования основного и вспомогательного генераторов таким образом, что при любых рабочих условиях для двигателя общий кпд двигателя, по существу, максимизируется. Вообще говоря, это приводит к максимизации температуры на входе в турбину для каждой из турбин. Управление температурой на входе в турбину достигается главным образом за счет управления отношением компонентов топливовоздушной смеси, сгорающей в камере сгорания, а это управление осуществляется путем управления расходом воздуха, который зависит от скорости вращающихся составных частей двигателя. Однако в некоторых случаях температуру на входе в турбину невозможно регулировать вне связи с другими ограничениями, которые следует учитывать.
Например, если в условиях частичной нагрузки двигатель не управляется надлежащим образом, то температура на входе в рекуператор 34 может превысить максимальный допустимый уровень, обусловленный физическими ограничениями. Соответственно, датчик 66 измеряет температуру на входе в рекуператор 34 в потоке выхлопных газов. Контроллер 60 преимущественно соединен с датчиком 66 для оперативного контроля температуры на входе в рекуператор, и этот контроллер регулирует работу двигателя посредством регулирования основного и вспомогательного генераторов, чтобы предотвратить превышение температурой некоторого физического предела при одновременном поддержании температуры на входе в турбину как можно более высокой в рамках этого дополнительного ограничения.
Конкретная процедура управления, посредством которой контроллер достигает управления работой двигателя, не критична для изобретения. Например, для каждого из каскадов двигателя контроллер может иметь хранящуюся в памяти заданную зависимость (график) температуры на входе в турбину от подходящего параметра, оперативный контроль которого осуществляет контролер. Оперативно контролируемые параметры должны давать показание тех точек на многомерных регулировочных характеристиках, в которых работают составные части двигателя. В контроллере возможно использование подходящего алгоритма управления расходом воздуха (посредством управления скоростями вращения генераторов некоторым подходящим методом, например, за счет управления постоянными токами из выпрямителей) таким образом, что обуславливается, по существу, соответствие температур на входах в турбины значениям, зависимым от заданных графиков. Это лишь упрощенный пример одной возможной процедуры управления, а в соответствии с изобретением можно использовать и другие процедуры управления.
Как отмечалось выше, вспомогательный генератор-двигатель выполнен с возможностью работы либо в режиме генерирования, либо в режиме двигателя. До сих пор в настоящем изобретении описано управление частотой вращения в режиме генерирования. Однако режим двигателя также можно использовать для управления частотой вращения. В режиме двигателя вспомогательный генератор-двигатель сообщает энергию каскаду низкого давления и тем самым увеличивает частоту вращения в каскаде низкого давления; величина сообщаемой энергии определяет степень, до которой увеличивается частота вращения в каскаде. Наоборот, в режиме генерирования вспомогательный генератор-двигатель отбирает энергию у каскада, а величина отбираемой энергии определяет степень, до которой уменьшается частота вращения в каскаде. Выбирая подходящий режим и управляя вспомогательным генератором-двигателем должным образом, можно регулировать частоту вращения в каскаде в значительном диапазоне частоты вращения. Контроллер 60 осуществляет выбор режима и регулирование вспомогательного генератора-двигателя. В режиме двигателя, на вспомогательный генератор-двигатель подается электрическая энергия, обеспечивающая его привод. Отбирать энергию у основного генератора можно посредством подходящей схемы (не показана), находящейся в блоке 44 силовой электроники. Для привода вспомогательного генератора-двигателя можно использовать ток высокой частоты и высокого напряжения (например, от около 400 до 900 В) из основного генератора, и при этом не требуется проводить сначала какое-либо преобразование этого тока в ток низкой частоты и низкого напряжения. Для управления посредством вспомогательного генератора-двигателя можно использовать различные процедуры управления, включая, но не ограничиваясь, управление напряжением и/или частотой, векторное управление без использования датчиков, управление вектором магнитного потока или управление, ориентируемое по возбуждению, как известно в области управления двигателями переменного тока.
Еще одним признаком изобретения является использование вспомогательного генератора-двигателя в режиме двигателя для привода соответствующего каскада во время запуска двигателя. Соответственно, электрическую энергию можно подавать на вспомогательный генератор-двигатель из подходящего источника, такого как аккумуляторная батарея с инвертором, или из другого источника.
На фиг.2 показан график зависимости температуры на входе в турбину от характеристики относительной нагрузки генератора, отображающий сравнение различных температур (отображенных сплошными линиями) в разных точках в двигателе системы 10 с соответствующими температурами (отображенным пунктирными линиями), которые возникали бы при реализации известного подхода к управлению. В соответствии с изобретением, при значении относительной нагрузки генератора, составляющем 100% (т.е. в расчетной точке для двигателя), температура на входе в турбину высокого давления, по существу, равна максимальной допустимой температуре на входе в турбину, составляющей около 1200К. Температура на входе в ТВД поддерживается на этом уровне вплоть до достижения относительной нагрузки генератора, составляющей около 40%. В отличие от этого, при известном подходе к управлению температура на входе в турбину постоянно падает, когда нагрузка падает ниже 100%. Следовательно, при одной и той же относительной нагрузке общий кпд двигателя для процедуры управления в соответствии с изобретением выше, чем для известной процедуры управления.
Следует отметить, что при относительной нагрузке 40% температура на выходе из турбины низкого давления (которая, по существу, равна температуре на входе в рекуператор) выросла до максимальной допустимой температуры рекуператора, составляющей около 900К. Если бы при еще меньших нагрузках температуру на входе в ТВД поддерживали на уровне примерно 1200К, то температура на выходе из ТВД превысила бы максимальную допустимую температуру рекуператора. Поэтому в соответствии с настоящим изобретением допускается падение температуры на входе в рекуператор ниже 1200К на величину, достаточную для предотвращения ситуации, в которой температура на входе в рекуператор превышает максимальный допустимый уровень.
Еще один фактор, который может повлиять на управление системой, возникает, если камера 36 сгорания является каталитической камерой сгорания. Как отмечалось выше, каталитические камеры сгорания имеют некоторую минимальную температуру на входе, которую нужно поддерживать, чтобы обеспечить каталитическую реакцию. На фиг.2 показано, что когда при известном подходе к управлению относительная нагрузка составляет менее примерно 50%, температура на входе в камеру сгорания падает ниже этой минимальной температуры, составляющей около 800К. Однако в соответствии с изобретением температурой на входе в камеру сгорания можно управлять посредством регулирования основного генератора и вспомогательного генератора-двигателя таким образом, что эта температура не упадет ниже минимальной температуры катализатора в любой рабочей точке двигателя. С этой целью, система предпочтительно включает в себя датчик 68 температуры на входе в камеру сгорания, соединенный с контроллером 60. Контроллер подходящим образом осуществляет оперативный контроль температуры на входе в камеру сгорания, вследствие чего эта температура всегда поддерживается на уровне минимальной температуры катализатора или выше. Например, на фиг.2 можно увидеть, что при использовании предлагаемого в изобретении подхода к управлению температура на входе в камеру сгорания возрастает от примерно 800К в точке нагрузки, составляющей 100%, до примерно 860К в точке нагрузки, составляющей 40%. При нагрузке ниже 40%, температура на входе в камеру сгорания остается почти постоянной на уровне приблизительно 860К. Изобретение также обеспечивает реализацию повышений кпд в условиях частичной нагрузки, обеспечивая при этом еще и надлежащую работу каталитической камеры сгорания во всех рабочих точках и в любые моменты времени.
Из фиг.2 также видно, что при реализации предлагаемого в изобретении подхода к управлению температура на входе в камеру сгорания в общем случае выше, чем при реализации известного подхода. Большее отношение компонентов топливовоздушной смеси и повышенная температура на входе в камеру сгорания в общем случае преимущественно благоприятствуют уменьшенным выбросам в случае камер сгорания, в которых применяется предварительное смешивание и которые рассчитаны на малые выбросы.
Процедура управления, описанная до сих пор, предполагала непосредственное измерение температуры на входе в турбину и использование этой температуры в качестве параметра управления. Однако в некоторых случаях измерение температуры на входе в турбину может оказаться непрактичным из-за экстремальной окружающей среды, которая характерна для эксплуатации и в которой пришлось бы работать датчику температуры на входе в турбину. Поэтому в альтернативном варианте обеспечивается возможность измерения других термодинамических переменных в цикле двигателя с последующим выводом температуры на входе в турбину на основании расчетов, сделанных для упомянутого цикла. В качестве еще одной альтернативы отметим, что контроллер мог бы хранить график зависимости подходящего параметра управления (например, расхода воздуха в двигателе) от относительной нагрузки генератора, а термодинамические переменные можно было бы измерять, обеспечивая возможность сделать заключение об упомянутом параметре управления; тогда контроллер смог бы вывести фактический (т.е. полученный путем умозаключения) параметр управления, по существу равный значению, отображенному на упомянутом графике.
Применяемый конкретный способ управления, а также параметры, изменяемые для практического воплощения этого способа, не критичны. Из основной идеи изобретения вытекает управление работой двигателя посредством регулирования основного генератора и вспомогательного генератора-двигателя.
В то же время, в рабочем режиме отслеживания нагрузки управление мощностью, отдаваемой из генераторной системы 10, должно осуществляться с обеспечением соответствия мощности, которая потребляется нагрузкой. Соответственно, в режиме отслеживания нагрузки контроллер одновременно управляет расходом воздуха, как описано выше, а также выходной мощностью (измеряемой подходящим измерителем мощности), обеспечивая согласование с потребностью.
В зависимости от конкретного приложения система 10 также может работать в режимах, не предусматривающих отслеживание нагрузки. В подобных случаях снова будет применяться такое же управление частотой вращения и расходом воздуха, как описанное выше.
Изобретение предусматривает электрическое управление частотами вращения основного и вспомогательного генераторов, позволяющее управлять расходом воздуха через двигатель и, следовательно, оптимизировать кпд двигателя, а возможно и достигать других эффектов, как отмечалось ранее. В случае генератора с постоянными магнитами, управление посредством генератора осуществляется путем управления выпрямителем, как уже описано. В случае генератора с возбуждением, оказывается возможным некоторое количество процедур управления. При одной процедуре контроллер управляет системой возбуждения (не показана) для регулирования частоты вращения генератора. Преобразование переменного тока в постоянный и постоянного тока в переменный может не понадобиться, а вместо этого преобразователь переменного тока в постоянный можно использовать для синтезирования переменного выходного тока желательной частоты для подачи на нагрузку. В альтернативном варианте можно использовать выпрямитель и инвертор, как описано выше, и в этом случае выпрямитель не обязательно должен быть управляемым по току, поскольку регулирование частоты вращения генератора можно осуществлять путем управления системой возбуждения.
В еще одной процедуре управление частотой вращения генератора можно реализовать посредством комбинации управления системой возбуждения и управления выпрямителем.
Подробности управления частотой вращения генератора не критичны для изобретения и в соответствии с изобретением можно использовать различные процедуры управления.
Изобретение преимущественно обеспечивает управление термодинамическим циклом двигателя, имеющего такие составные части с фиксированной геометрией, как компрессор, турбина и камера сгорания.
Еще один выгодный результат, которого можно достичь посредством регулирования основного и вспомогательного генераторов, является предотвращение работы компрессоров в области резких измерений параметров, в частности это касается компрессора низкого давления, который больше подвержен проблемам резкого изменения параметров, чем компрессор высокого давления. Резкое изменение параметров особенно досаждает в определенных рабочих условиях, например, при низкой температуре окружающей среды. Когда температура окружающей среды падает, нагрузочная линия для компрессора низкого давления на многомерной регулировочной характеристике зависимости отношения давлений от расхода для этого компрессора идет вверх и поэтому смещается к границе области резких изменений параметров. Регулирование работы двигателя с помощью вспомогательного генератора-двигателя обеспечивает работу компрессора на линии более низкой нагрузки, чем возможная в противном случае, что снижает вероятность столкнуться с резкими изменениями параметров. На фиг. 3 показана характерная многомерная регулировочная характеристика для компрессора низкого давления. Нагрузочная линия при температуре окружающей среды, составляющей минус 30°С, показана для известного двигателя без вспомогательного генератора-двигателя, а также для двигателя в соответствии с изобретением, имеющего вспомогательный генератор-двигатель, регулируемый для управления поведением компрессора низкого давления. Следует отметить, что в условиях повышенного расхода нагрузочная линия известного двигателя имеет малый запас по резким изменениям параметров, если вообще имеет его. Вместе с тем, использование управления посредством вспомогательного генератора-двигателя опускает нагрузочную линию, так что получается гораздо больший запас по резким изменениям параметров.
Управление местонахождением нагрузочной линии компрессора может также обеспечить работу компрессора внутри или вблизи области пикового кпд, которая соответствует построенной для этого компрессора многомерной регулировочной характеристике, в широком диапазоне условий. В системе обычного двигателя при отсутствии управления посредством вспомогательного генератора-двигателя большие изменения температуры окружающей среды приводят, например, к большим смещениям нагрузочной линии на многомерной регулировочной характеристике. В частности, если температура окружающей среды падает, то нагрузочная линия поднимается вверх к более высоким отношениям давлений при заданном расходе и поэтому может отойти от области пикового кпд на многомерной регулировочной характеристике. В качестве примера, на фиг.4 показана многомерная регулировочная характеристика компрессора низкого давления для известного двигателя при отсутствии управления посредством вспомогательного генератора-двигателя. Можно заметить, что нагрузочная линия при +30°С располагается близко к области пикового кпд на многомерной регулировочной характеристике, а при -30°С эта линия значительно поднимается и поэтому больше не располагается близко к области пикового кпд. Было бы желательно управлять нагрузочной линией так, чтобы компрессор работал вблизи области пикового кпд в широком диапазоне температур. Управление посредством вспомогательного генератора-двигателя согласно настоящему изобретению способствует достижению этой цели.
На фиг.5 показана многомерная регулировочная характеристика компрессора низкого давления в случае, когда управление посредством вспомогательного генератора-двигателя используется в каскаде низкого давления. Нагрузочные линии показаны для нескольких разных температур окружающей среды - 322К (приблизительно +50°С), 298К (+25°С), 288К (+15°С) и 236К (-37°С). В этом диапазоне протяженностью 86° нагрузочная линия претерпевает относительно небольшое смещение за счет управления посредством вспомогательного генератора-двигателя. Чтобы достичь этот результат, вспомогательный генератор-двигатель, при необходимости, либо сообщает энергию каскаду низкого давления, либо отбирает ее у него. Это проиллюстрировано на фиг.6, где изображена зависимость мощности вспомогательного генератора-двигателя от мощности основного генератора для четырех разных температур окружающей среды, представленных на многомерной регулировочной характеристике согласно фиг. 5. Можно заметить, что при низкой температуре окружающей среды, составляющей 236К (-37°С), вспомогательный генератор-двигатель сообщает энергию каскаду низкого давления, чтобы увеличить частоту вращения в нем (т.е. работает в режиме двигателя), тем самым опуская нагрузочную линию на многомерной регулировочной характеристике. При высокой температуре окружающей среды, составляющей 322К (приблизительно +50°С), вспомогательный генератор-двигатель отбирает энергию у каскада, уменьшая частоту вращения в нем (т.е. работает в режиме генерирования), тем самым поднимая нагрузочную линию.
Изобретение не ограничивается двухкаскадным двигателем того типа, который показан на фиг.1. На фиг. 7-10 показаны четыре других альтернативных варианта осуществления изобретения. На фиг.7 изображена генерирующая система 110, которая включает в себя двигатель 120, имеющий свободную силовую турбину, питаемую газификатором. Газификатор включает в себя компрессор 128, установленный на валу 130, и турбину 132, тоже установленную на валу 130. Газификатор включает в себя рекуператор 34, камеру сгорания 36 и клапан 38 дозирования топлива, как и в варианте осуществления, описанном ранее. Свободная силовая турбина 126 выполнена с возможностью приема выхлопных газов из газификатора и расширения их для приведения этой силовой турбины во вращение. На том валу, где установлена силовая турбина 126, установлен или связан с ним с возможностью привода посредством этой силовой турбины основной генератор 40. На валу 130 газификатора установлен или связан с ним вспомогательный генератор-двигатель 42, привод которого осуществляет турбина 132. Как и в предыдущем варианте осуществления, с генераторами соединен блок 44 силовой электроники. Предусмотрены датчик 66 температуры на входе в рекуператор и датчик 68 температуры на входе в камеру сгорания, роль которых в предыдущем варианте осуществления играли датчики 62, 64 двигателя. С блоком силовой электроники и различными датчиками соединен контроллер 60, который работает, регулируя частоту вращения газификатора посредством регулирования вспомогательного генератора-двигателя, а также регулирует частоту вращения свободной силовой турбины 126 посредством регулирования основного генератора. Такое управление частотой вращения можно применять для достижения любой из вышеописанных целей.
На фиг.8 показана генерирующая система 210, которая включает в себя двигатель 220, имеющий свободную силовую турбину, питаемую газификатором. Газификатор включает в себя компрессор 228, установленный на валу 230, и турбину 232, тоже установленную на валу 230. Газификатор включает в себя рекуператор 34, камеру 36 сгорания и клапан 38 дозирования топлива, как и в вариантах осуществления, описанных ранее. Свободная силовая турбина 226 выполнена с возможностью приема выхлопных газов из газификатора и расширения их для приведения этой силовой турбины во вращение. На валу 230 газификатора установлен или связан с ним основной генератор 40, привод которого осуществляет турбина 232. На валу, где установлена силовая турбина, установлен или связан с ним с возможностью привода посредством этой силовой турбины вспомогательный генератор-двигатель 42. Как и в предыдущих вариантах осуществления, с генераторами соединен блок 44 силовой электроники. Имеются датчик 66 температуры на входе в рекуператор и датчик 68 температуры на входе в камеру сгорания, роль которых в предыдущих вариантах осуществления играли датчики 62, 64 двигателя. С блоком силовой электроники и различными датчиками соединен контроллер 60, работающий, регулируя частоту вращения газификатора посредством регулирования основного генератора, а также регулируя частоту вращения свободной силовой турбины 226 посредством регулирования вспомогательного генератора-двигателя. Такое управление частотой вращения можно применять для достижения любой из вышеописанных целей.
На фиг.9 представлен дополнительный вариант осуществления изобретения. Генерирующая система 310 включает в себя двухкаскадный двигатель 220, по существу, такой же, как описанный в варианте осуществления согласно фиг.1. На валу 24 каскада низкого давления установлен или связан с ним основной генератор 40, привод которого осуществляет турбина 26 низкого давления. На валу 30 каскада высокого давления установлен или связан с ним вспомогательный генератор-двигатель, при этом либо турбина высокого давления осуществляет привод вспомогательного двигателя-генератора, либо он осуществляет ее привод. Как и в предыдущих вариантах осуществления, с генераторами соединен блок 44 силовой электроники. Имеются датчик 66 температуры на входе в рекуператор и датчик 68 температуры на входе в камеру сгорания, роль которых в предыдущих вариантах осуществления играли датчики 62, 64 двигателя. С блоком силовой электроники и различными датчиками соединен контроллер 60, работающий, регулируя частоту вращения в каскаде низкого давления газификатора посредством регулирования основного генератора, а также регулируя частоту вращения в каскаде высокого давления посредством регулирования вспомогательного генератора-двигателя. Такое управление частотой вращения можно применять для достижения любой из вышеописанных целей.
В заключение отметим, что изобретение не ограничивается циклами двигателя с турбонаддувом, при осуществлении которых двигатель является газовой турбиной, а может быть применено к циклам поршневого двигателя с турбонаддувом. На фиг.10 показан один возможный пример изобретения применительно к поршневому двигателю с турбонаддувом. Электрическая генерирующая система 410 включает в себя поршневой двигатель или двигатель внутреннего сгорания, обозначенный ссылочной позицией 420, который может иметь конфигурацию, обеспечивающую горение топлива, относящегося к любому из различных типов, и может работать с термодинамическими циклами различных типов. С двигателем связан турбокомпрессор с приводом от выхлопных газов, содержащий компрессор 422, установленный на валу 424, и турбину 426, установленную на валу, для привода компрессора. Воздух, сжатый в компрессоре 422 (и, по выбору, охлажденный сначала в промежуточном холодильнике), подается в воздухозаборник двигателя, смешивается с топливом и подается в цилиндры двигателя, где он выпускается через выхлопную систему и подается в турбину 426. Эта турбина расширяет выхлопные газы, вырабатывая механическую энергию для привода компрессора. На выходном валу 421 двигателя 420 установлен или связан с ним основной генератор 40 для выработки электрической энергии. На валу 424 турбокомпрессора установлен или связан с ним вспомогательный генератор-двигатель 42. Как и в предыдущих вариантах осуществления, с генераторами соединен блок 44 силовой электроники. Можно использовать датчики 62, 64, как в предыдущих вариантах осуществления. С блоком силовой электроники и различными датчиками соединен контроллер 60, работающий, регулируя частоты вращения турбокомпрессора посредством регулирования вспомогательного генератора-двигателя. Если это желательно, то контроллер также может регулировать частоту вращения поршневого двигателя путем регулирования основного генератора, как описано выше. Такое управление частотой вращения можно применять для достижения любой из вышеописанных целей. Достижение этих целей применимо, в частности, к двигателю с воспламенением от сжатия и равномерным зарядом (HCCI), в сущности являющемуся поршневым двигателем, в котором топливо и воздух предварительно смешиваются перед введением в цилиндры, а затем воспламеняются посредством тепла сжатия, т.е. это поршневой двигатель, в котором применяется сгорание предварительно приготовленной обедненной смеси. Специалисты в области сгорания легко поймут, что требования и ограничения, обуславливаемые сгоранием предварительно приготовленной бедной смеси, являются одинаковыми для поршневых двигателей и турбин, и что преимущества настоящего изобретения как таковые применимы к двигателям HCCI.
Многочисленные модификации и другие варианты осуществления изобретений, приведенные в данном описании, будут полезны специалисту в данной области техники, ознакомившемуся с этими изобретениями и имеющему возможность воспользоваться преимуществом знания положений, представленных в вышеизложенном описании и на связанных с ним чертежах. Поэтому должно быть понятно, что данное изобретение не ограничивается описанными конкретными вариантами осуществления изобретений и что рамки притязаний нижеследующей формулы изобретения могут включать в себя модификации и другие варианты осуществления. Хотя в данном описании употреблялись конкретные термины, следует понять, что они использованы в родовом и писательном смысле, а не в целях ограничения.
1. Система для выработки электрической энергии для ее подачи на нагрузку, содержащая
газотурбинный двигатель, содержащий
первый каскад, включающий в себя первый вал, первый компрессор, установленный на первом валу, первую турбину, установленную на первом валу, и камеру сгорания, обеспечивающую сгорание или проведение в ней реакции смеси топлива и сжатого воздуха из первого компрессора для получения горячих газов, которые расширяются в первой турбине, для выработки механической энергии для привода первого компрессора, и
второй каскад, включающий в себя второй вал и, по меньшей мере, вторую турбину, установленную на втором валу, причем вторая турбина выполнена с возможностью приема газов, выпускаемых из первой турбины, и расширения этих газов для выработки механической энергии, причем второй каскад выполнен с возможностью вращения независимо от первого каскада,
основной генератор, связанный с одним из первого и второго каскадов с возможностью приведения во вращение с помощью этого каскада, причем основной генератор генерирует переменный электрический ток для подачи на нагрузку, когда система работает под нагрузкой,
вспомогательный генератор-двигатель, связанный с другим из первого и второго каскадов, причем вспомогательный генератор-двигатель выполнен с возможностью избирательной работы либо в режиме генерирования, либо в режиме двигателя, когда система работает под нагрузкой, при этом вспомогательный генератор-двигатель в режиме генерирования отбирает механическую энергию из каскада, с которым этот вспомогательный генератор-двигатель связан, и генерирует переменный электрический ток для подачи на нагрузку, причем вспомогательный генератор-двигатель в режиме двигателя получает электрическую энергию от источника и преобразует эту электрическую энергию в механическую энергию, которая сообщается в каскад, с которым этот вспомогательный генератор-двигатель связан, контроллер, предназначенный для и выполненный с возможностью управления работой основного генератора и вспомогательного генератора-двигателя, и блок силовой электроники, связанный с основным генератором и вспомогательным генератором-двигателем и обрабатывающий переменные токи из основного генератора и вспомогательного генератора-двигателя, а также синтезирующий переменный выходной ток фиксированной заданной частоты для подачи на нагрузку.
2. Система по п.1, в которой блок силовой электроники содержит первый выпрямитель, выполненный и расположенный с возможностью работы на переменном токе от основного генератора для генерирования первого неизменяющегося постоянного тока при неизменяющемся напряжении, второй выпрямитель, выполненный и расположенный с возможностью работы на переменном токе от вспомогательного генератора-двигателя для генерирования второго неизменяющегося постоянного тока при неизменяющемся напряжении, и инвертор, предназначенный для и выполненный с возможностью работы на неизменяющихся постоянных токах от упомянутых выпрямителей для синтезирования переменного выходного тока для подачи на нагрузку.
3. Система по п.2, в которой первый выпрямитель выполнен с возможностью отклика на сигнал управления током для изменения уровня первого неизменяющегося постоянного тока независимо от переменного тока от основного генератора, причем контроллер подает упомянутый сигнал управления током в первый выпрямитель для управления уровнем первого неизменяющегося постоянного тока, выдаваемого первым выпрямителем, и тем самым управляет частотой вращения основного генератора.
4. Система по п.1, дополнительно содержащая теплообменник, выполненный с возможностью приема сжатого воздуха из первого компрессора и выхлопных газов из второй турбины, причем теплообменник вызывает теплопередачу от выхлопных газов к сжатому воздуху для предварительного нагрева сжатого воздуха перед сгоранием в камере сгорания.
5. Система по п.4, в которой камера сгорания представляет собой каталитическую камеру сгорания.
6. Система по п.5, дополнительно содержащая датчик, измеряющий переменную, характеризующую температуру на входе в камеру сгорания, при этом контроллер соединен с упомянутым датчиком и управляет потоком воздуха через первый каскад таким образом, что температура на входе в камеру сгорания поддерживается более высокой, чем заданная минимальная температура, необходимая для каталитической работы.
7. Система по п.6, дополнительно содержащая датчик, связанный с теплообменником и измеряющий переменную, характеризующую температуру выхлопных газов, поступающих в теплообменник, при этом контроллер соединен с упомянутым датчиком, связанным с теплообменником, и управляет потоком воздуха через первый каскад для поддержания температуры выхлопных газов, поступающих в теплообменник, более низкой, чем заданная максимальная температура.
8. Система по п.1, в которой второй каскад включает в себя второй компрессор, установленный на втором валу и приводимый второй турбиной, причем второй компрессор выполнен с возможностью сжатия воздуха и подачи сжатого воздуха в первый компрессор, который дополнительно сжимает этот воздух.
9. Система по п.8, в которой основной генератор связан с первым каскадом, а вспомогательный генератор-двигатель связан со вторым каскадом.
10. Система по п.9, дополнительно содержащая промежуточный холодильник, расположенный между вторым компрессором и первым компрессором, причем холодильник охлаждает сжатый воздух из второго компрессора перед подачей сжатого воздуха в первый компрессор.
11. Система по п.9, дополнительно содержащая теплообменник, выполненный с возможностью приема сжатого воздуха из первого компрессора и выхлопных газов из второй турбины, причем теплообменник вызывает теплопередачу от выхлопных газов к сжатому воздуху для предварительного нагрева сжатого воздуха перед сгоранием в камере сгорания.
12. Система по п.8, в которой основной генератор связан со вторым каскадом, а вспомогательный генератор-двигатель связан с первым каскадом.
13. Система по п.1, в которой вторая турбина представляет собой свободную силовую турбину.
14. Система по п.13, в которой основной генератор связан со вторым валом для свободной силовой турбины, а вспомогательный генератор-двигатель связан с первым валом.
15. Способ эксплуатации системы для выработки электрической энергии, имеющей многокаскадный турбинный двигатель, содержащий, по меньшей мере, первый и второй каскады, причем первый каскад включает в себя первый вал, первый компрессор, установленный на первом валу, первую турбину, установленную на первом валу, и камеру сгорания, обеспечивающую сгорание или проведение в ней реакции смеси топлива и сжатого воздуха из первого компрессора для получения горячих газов, которые расширяются в первой турбине, для выработки механической энергии для привода первого компрессора, а второй каскад включает в себя второй вал и, по меньшей мере, вторую турбину, установленную на втором валу, причем вторая турбина выполнена с возможностью приема газов, выпускаемых из первой турбины, и расширения этих газов для выработки механической энергии, причем второй каскад выполнен с возможностью вращения независимо от первого каскада, при этом согласно способу
обеспечивают основной генератор, связанный с одним из первого и второго каскадов с возможностью приведения во вращение с помощью этого каскада, причем основной генератор генерирует переменный электрический ток,
обеспечивают вспомогательный генератор-двигатель, связанный с другим из первого и второго каскадов, причем вспомогательный генератор-двигатель выполнен с возможностью избирательной работы либо в режиме генерирования, либо в режиме двигателя, когда система работает под нагрузкой, при этом вспомогательный генератор-двигатель в режиме генерирования отбирает механическую энергию из каскада, с которым этот вспомогательный генератор-двигатель связан, и генерирует переменный электрический ток для подачи на нагрузку, причем вспомогательный генератор-двигатель в режиме двигателя получает электрическую энергию от источника и преобразует эту электрическую энергию в механическую энергию, которая сообщается в каскад, с которым этот вспомогательный генератор-двигатель связан, осуществляют работу вспомогательного генератора-двигателя в выбранном одном из режима генерирования и режима двигателя, когда система работает под нагрузкой, и
управляют работой вспомогательного генератора-двигателя в выбранном режиме для оказания влияния на рабочие условия газотурбинного двигателя,
при этом при осуществлении работы вспомогательного генератора-двигателя (а) осуществляют режим генерирования для отбора энергии из каскада, с которым этот вспомогательный генератор-двигатель связан, и уменьшают частоту вращения в этом каскаде и/или (б) осуществляют режим двигателя для сообщения энергии каскаду, с которым этот вспомогательный генератор-двигатель связан, и увеличивают частоту вращения в этом каскаде.
16. Способ по п.15, при котором при управлении регулируют частоту вращения вспомогательного генератора-двигателя для регулирования частоты вращения в каскаде, с которым этот вспомогательный генератор-двигатель связан.
17. Способ по п.15, при котором дополнительно регулируют частоту вращения основного генератора для регулирования частоты вращения в каскаде, с которым основной генератор связан.
18. Способ по п.17, при котором при регулировании выпрямляют переменный ток от основного генератора в активном выпрямителе, управляемом током и преобразующем переменный ток в неизменяющийся постоянный ток, и регулируют уровень постоянного тока для регулирования частоты вращения основного генератора.
19. Способ по п.18, при котором основной генератор связывают с первым каскадом, а вспомогательный генератор-двигатель связывают со вторым каскадом, причем второй каскад включает в себя второй компрессор, установленный на втором валу и выполненный с возможностью сжатия воздуха и подачи сжатого воздуха в первый компрессор, при этом согласно способу дополнительно обеспечивают работу вспомогательного генератора-двигателя в режиме генерирования с возможностью изменения механической энергии, вырабатываемой вторым каскадом, и регулируют работу вспомогательного генератора-двигателя для регулирования частоты вращения в первом каскаде.
20. Способ по п.19, при котором управление частотами вращения в первом и втором каскадах осуществляют посредством регулирования основного генератора и вспомогательного генератора-двигателя таким образом, что кпд двигателя, по существу, максимизируется.
21. Способ по п.19, при котором регулируют частоту вращения в первом и втором каскадах посредством регулирования основного генератора и вспомогательного генератора-двигателя с понижением нагрузочной линии, по меньшей мере, одного из компрессоров на многомерной регулировочной характеристике этого компрессора и исключением за счет этого области резких изменений параметров упомянутой многомерной регулировочной характеристики.
22. Способ по п.19, при котором двигатель включает в себя теплообменник, выполненный с возможностью приема сжатого воздуха из первого компрессора и выхлопных газов из второй турбины, причем теплообменник вызывает теплопередачу от выхлопных газов к сжатому воздуху для предварительного нагрева сжатого воздуха перед сгоранием в камере сгорания, при этом согласно способу дополнительно регулируют частоты вращения в первом и втором каскадах посредством регулирования основного генератора и вспомогательного генератора-двигателя таким образом, что температура на входе в теплообменник всегда поддерживается ниже заданной максимальной допустимой температуры для теплообменника.
23. Способ по п.19, при котором камера сгорания представляет собой каталитическую камеру сгорания, при этом согласно способу дополнительно регулируют частоты вращения в первом и втором каскадах посредством регулирования основного генератора и вспомогательного генератора-двигателя таким образом, что температура на входе в камеру сгорания всегда поддерживается выше минимальной температуры, необходимой для надлежащей работы камеры сгорания.
