Многокаскадная турбогенераторная система и способее управления - RU2006112001A

Реферат

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, и

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, 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 энергии в механическую энергию, которая сообщается в каскад, с которым этот вспомогательный генератор-двигатель связан.

2. Система по п.1, дополнительно содержащая контроллер, предназначенный для и выполненный с возможностью управления работой основного генератора и вспомогательного генератора-двигателя.

3. Система по п.2, дополнительно содержащая 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.

4. Система по п.3, в которой блок силовой электроники содержит первый выпрямитель, выполненный и расположенный с возможностью работы на переменном токе от основного генератора для генерирования первого не изменяющегося постоянного тока при не изменяющемся напряжении, второй выпрямитель, выполненный и расположенный с возможностью работы на переменном токе от вспомогательного генератора-двигателя для генерирования второго не изменяющегося постоянного тока при не изменяющемся напряжении, и инвертор, предназначенный для и выполненный с возможностью работы на не изменяющихся постоянных токах от упомянутых выпрямителей для синтезирования переменного выходного тока для подачи на нагрузку.

5. Система по п.4, в которой первый выпрямитель выполнен с возможностью отклика на сигнал управления током для изменения уровня первого не изменяющегося постоянного тока независимо от переменного тока от основного генератора, причем контроллер подает упомянутый сигнал управления током в первый выпрямитель для управления уровнем первого не изменяющегося постоянного тока, выдаваемого первым выпрямителем, и тем самым управляет частотой вращения основного генератора.

6. 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.

7. Система по п.6, в которой камера сгорания представляет собой каталитическую камеру сгорания.

8. Система по п.7, 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.

9. Система по п.8, 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.

10. 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.

11. Система по п.10, в которой основной генератор связан с первым каскадом, а вспомогательный генератор-двигатель связан со вторым каскадом.

12. Система по п.11, 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.

13. Система по п.11, 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.

14. Система по п.10, в которой основной генератор связан со вторым каскадом, а вспомогательный генератор-двигатель связан с первым каскадом.

15. Система по п.1, в которой вторая турбина представляет собой свободную силовую турбину.

16. Система по п.15, в которой основной генератор связан со вторым валом для свободной силовой турбины, а вспомогательный генератор-двигатель связан с первым валом.

17. 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, при этом вспомогательный генератор-двигатель в режиме генерирования отбирает механическую энергии 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 и

управляют работой вспомогательного генератора-двигателя в выбранном режиме для оказания влияния на рабочие условия газотурбинного двигателя.

18. Способ по п.17, при котором при осуществлении работы вспомогательного генератора-двигателя осуществляют режим генерирования для отбора энергии из каскада, с которым этот вспомогательный генератор-двигатель связан, и уменьшают частоту вращения в этом каскаде.

19. Способ по п. 18, при котором при управлении регулируют частоту вращения вспомогательного генератора-двигателя для регулирования частоты вращения в каскаде, с которым этот вспомогательный генератор-двигатель связан.

20. Способ по п.17, при котором при осуществлении работы вспомогательного генератора-двигателя осуществляют режим двигателя для сообщения энергии каскаду, с которым этот вспомогательный генератор-двигатель связан, и увеличивают частоту вращения в этом каскаде.

21. Способ по п.20, при котором осуществление работы проводят при запуске газотурбинного двигателя, при этом вспомогательный генератор-двигатель служит в качестве стартера.

22. Способ по п.17, при котором дополнительно регулируют частоту вращения основного генератора для регулирования частоты вращения в каскаде, с которым основной генератор связан.

23. Способ по п.22, при котором при регулировании выпрямляют переменный ток от основного генератора в активном выпрямителе, управляемом током и преобразующем переменный ток в не изменяющийся постоянный ток, и регулируют уровень постоянного тока для регулирования частоты вращения основного генератора.

24. Способ по п.23, 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.

25. Способ по п.24, 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.

26. Способ по п.24, 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.

27. Способ по п.24, 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.

28. Способ по п.24, 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.

29. Способ по п.17, при котором дополнительно запускают двигатель, причем при запуске обеспечивают работу вспомогательного генератора-двигателя в режиме двигателя для осуществления приведения во вращение в каскаде, с которым этот вспомогательный генератор-двигатель связан.

30. Система двигателя с турбонаддувом, содержащая

двигатель, обеспечивающий сгорание смеси топлива и воздуха для получения горячих газообразных продуктов сгорания и расширяющий газообразные продукты сгорания для выработки механической энергии, причем двигатель имеет воздухозаборник для приема воздуха, подлежащего смешиванию с топливом, и имеет выхлопное отверстие для выпуска расширившихся газообразных продуктов сгорания,

турбокомпрессор, содержащий роторный компрессор, установленный на валу, и турбину, установленную на этом валу, причем компрессор выполнен с возможностью сжатия воздуха и подачи этого воздуха в воздухозаборник двигателя, турбина выполнена с возможностью приема расширенных газообразных продуктов сгорания из выхлопного отверстия двигателя и дополнительного расширения этих газообразных продуктов для выработки механической энергии, которая движет вал,

основной генератор, выполненный с возможностью привода посредством двигателя и генерирующий электрический ток для подачи на нагрузку, и

вспомогательный генератор-двигатель выполненный с возможностью привода валом турбокомпрессора, причем вспомогательный генератор-двигатель выполнен с возможностью избирательной работы либо в режиме генерирования, либо в режиме двигателя, при этом вспомогательный генератор-двигатель в режиме генерирования отбирает механическую энергию из турбокомпрессора 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 турбокомпрессор.

31. Система двигателя с турбонаддувом по п.30, дополнительно содержащая контроллер, предназначенный для и выполненный с возможностью управления работой основного генератора и вспомогательного генератора-двигателя.

32. Система двигателя с турбонаддувом по п.30, в которой двигатель представляет собой поршневой двигатель.