用于產(chǎn)生電能的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的是提供一種方法以及一種用于實(shí)施該方法的系統(tǒng)，以在電能產(chǎn)生期間減少往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)鉁u輪機(jī)的不利之處。本發(fā)明基于這樣的構(gòu)思，即，將燃燒室布置在燃?xì)鉁u輪機(jī)外部，并向燃燒室提供壓縮空氣，以實(shí)現(xiàn)高壓蒸汽脈沖輔助的燃燒過程。
【專利說明】
用于產(chǎn)生電能的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種發(fā)電的方法，并且涉及發(fā)電機(jī)系統(tǒng)?！颈尘凹夹g(shù)】[0002 ]現(xiàn)有技術(shù)中典型的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)由內(nèi)燃機(jī)、燃料箱和發(fā)電機(jī)組成。內(nèi)燃機(jī)包括一組汽缸和一組相應(yīng)的往復(fù)式活塞。與上述裝置有關(guān)的問題之一是活動(dòng)活塞和其他活動(dòng)部件必須經(jīng)常用油潤(rùn)滑，油對(duì)內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行溫度具有重大影響。相繼地，在考慮有效系數(shù)時(shí)，運(yùn)行溫度是一個(gè)重要因素。上述發(fā)動(dòng)機(jī)能承受低于100攝氏度的運(yùn)行溫度，而不出現(xiàn)明顯的耐用性退化。該溫度對(duì)于蒸發(fā)水來說過低，因此其不能有效地用于發(fā)電，即，其僅僅是廢熱。
[0003]美國(guó)專利2，095，984 (H.Ho 1 zwarth)公開了一種爆燃式渦輪機(jī)裝置。該爆燃式渦輪機(jī)裝置基于漢弗萊工藝(Humphrey process)，并且其包括脈沖轉(zhuǎn)子、用于產(chǎn)生爆炸氣體的無活塞爆發(fā)室和用于使氣體膨脹并將氣體導(dǎo)向轉(zhuǎn)子的噴嘴，該轉(zhuǎn)子僅由所述氣體的間歇性噴發(fā)所驅(qū)動(dòng)。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中的另一種典型的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)由燃?xì)鉁u輪機(jī)和由燃?xì)鉁u輪機(jī)的軸驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)組成。燃?xì)鉁u輪機(jī)的問題是燃燒器的壓力相對(duì)較低，因?yàn)槿細(xì)鉁u輪機(jī)的燃燒器實(shí)際上是開放的空間。燃燒器的低壓明顯降低了有效系數(shù)。在Holzwarth的渦輪機(jī)裝置中，間歇性的低壓明顯降低了有效系數(shù)。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]因此，本發(fā)明的目的是提供一種方法和一種用于實(shí)施該方法的系統(tǒng)以減少上述不利之處。本發(fā)明的目的是通過一種方法和一種系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。在獨(dú)立權(quán)利要求中說明了該方法和該系統(tǒng)的特征。在從屬權(quán)利要求中公開了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。
[0006]本發(fā)明基于這樣的構(gòu)思，S卩，將燃燒室設(shè)置在燃?xì)鉁u輪機(jī)外部并向燃燒室提供壓縮空氣以在可控的最優(yōu)條件下實(shí)現(xiàn)燃燒過程，并使用來自過程的余熱來產(chǎn)生蒸汽，然后以與時(shí)間相關(guān)的方式將蒸汽注入至過程中。
[0007]本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以為燃燒過程優(yōu)化燃燒室中的條件，這顯著地提高了系統(tǒng)的整體效率。燃燒室可能具有幾百攝氏度的運(yùn)行溫度，并且燃燒室內(nèi)部的壓力可能類似于往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)的柴油循環(huán)中的壓縮沖程結(jié)束時(shí)的壓力。這種溫度提高了燃燒過程的效率，并且由于高溫，熱量可以容易地轉(zhuǎn)化為電力。與時(shí)間相關(guān)的蒸汽的注入優(yōu)化了蒸汽的使用并提高了整體效率?！靖綀D說明】
[0008]下面將參考所附的附圖通過優(yōu)選實(shí)施方式更加詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中
[0009]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的第一發(fā)電機(jī)系統(tǒng)；[〇〇1〇]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的具有蒸汽循環(huán)系統(tǒng)的第二發(fā)電機(jī)系統(tǒng)；
[0011]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的具有注射器或噴射器系統(tǒng)的第三發(fā)電機(jī)系統(tǒng)；
[0012]圖4示出了具有兩個(gè)燃燒室的系統(tǒng)的詳圖；以及[〇〇13]圖5示出了根據(jù)一種實(shí)施方式的系統(tǒng)中的壓力隨時(shí)間的變化?！揪唧w實(shí)施方式】
[0014]參考圖1的一種簡(jiǎn)單的實(shí)施例，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)包括渦輪機(jī)22,該渦輪機(jī)軸向地或經(jīng)由傳動(dòng)裝置20與發(fā)電機(jī)26和壓縮機(jī)24連接。發(fā)電機(jī)還可以軸向地連接至渦輪機(jī)22。當(dāng)通過流過渦輪機(jī)的流體將能量提供給渦輪機(jī)22時(shí)，渦輪機(jī)22的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置20和均連接至傳動(dòng)裝置的發(fā)電機(jī)26和壓縮機(jī)24。渦輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和壓縮機(jī)可以通過驅(qū)動(dòng)軸、輪軸或其他合適的動(dòng)力傳動(dòng)裝置連接至傳動(dòng)裝置。設(shè)備(arrangement)將提供給渦輪機(jī)22的能量通過發(fā)電機(jī)26轉(zhuǎn)換為電能輸出99,并通過壓縮空氣的壓縮機(jī)24轉(zhuǎn)換為用于燃燒室10空氣壓力。在一種實(shí)施方式中，壓縮機(jī)24將壓縮空氣聚集至空氣箱32內(nèi)，然后該空氣箱將聚集在空氣箱32內(nèi)的壓縮空氣提供給燃燒室10。壓縮機(jī)24優(yōu)選地為高效的并能向燃燒室10和空氣箱32提供尚壓的螺桿式壓縮機(jī)。在一種實(shí)施方式中，系統(tǒng)包括與第一螺桿式壓縮機(jī)24串聯(lián)的第二螺桿式壓縮機(jī)，以向空氣箱提供甚至更高的壓力。在一種實(shí)施方式中， 系統(tǒng)包括軸向壓縮機(jī)24的組合，諸如徑向壓縮機(jī)和螺桿式壓縮機(jī)與軸向壓縮機(jī)24串聯(lián)，以向空氣箱提供空氣。一個(gè)壓縮機(jī)或多個(gè)壓縮機(jī)優(yōu)選地設(shè)置為向空氣箱積聚20巴以上的壓力。在一種實(shí)施方式中，一個(gè)壓縮機(jī)或多個(gè)壓縮機(jī)布置為向空氣箱積聚30巴、35巴或40巴以上的壓力。在一種實(shí)施方式中，可以通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)24。在一種實(shí)施方式中，可以在串聯(lián)的第一壓縮機(jī)和第二壓縮機(jī)之間設(shè)置中間冷卻器，以冷卻壓縮機(jī)之間的空氣。此時(shí)，中間冷卻器可以用于產(chǎn)生蒸汽，該蒸汽可以以短的高壓蒸汽脈沖的形式在燃燒循環(huán)的膨脹階段之間注入燃燒室內(nèi)。[〇〇15]發(fā)電機(jī)系統(tǒng)還包括燃燒室10,該燃燒室設(shè)置為從壓縮機(jī)24或從空氣箱32接收壓縮空氣并從燃料箱30接收燃料，以開始燃燒過程。壓縮空氣通過可控閥從空氣箱釋放至燃燒室10內(nèi)。壓縮空氣在進(jìn)入燃燒室之前通過熱回收單元40預(yù)熱，該熱回收單元將熱量從燃燒室運(yùn)送至壓縮空氣。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)并且燃燒室處于室溫時(shí)，也可以通過其他裝置，例如通過電阻電氣地預(yù)熱壓縮空氣。燃料從燃料箱釋放或栗送，并注入至燃燒室內(nèi)。燃料優(yōu)選地為柴油或液化天然氣(LNG)。在一種實(shí)施方式中，燃料是汽油、天然氣、乙醇、生物柴油或前述燃料中的兩種或更多種的混合物。在一種實(shí)施方式中，燃料包括氫氣和一氧化碳混合物，其是堿回收單元的副產(chǎn)品。在一種實(shí)施方式中，水或蒸汽可以與燃料一起注入至燃燒室內(nèi)。在一種實(shí)施方式中，燃料包括煤塵或褐煤塵本身或與天然氣、柴油或某些其他合適的燃料混合。
[0016]由于燃燒室內(nèi)部的高壓和高溫，注入至燃燒室內(nèi)的燃料點(diǎn)燃。通過從空氣箱向燃燒室釋放空氣來設(shè)置燃燒室內(nèi)的高壓。除了預(yù)熱，燃燒室的熱量使燃燒室內(nèi)部的所釋放的空氣變熱，并積聚更高的壓力。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)并且燃燒室尚未達(dá)到其運(yùn)行溫度時(shí)，可以通過點(diǎn)火線圈、電熱塞、預(yù)熱裝置或加熱器裝置觸發(fā)點(diǎn)燃。燃燒過程產(chǎn)生熱量，該熱量使燃燒室變熱并通過加熱引入至燃燒室內(nèi)的燃料和壓縮空氣而使燃燒過程保持運(yùn)行。在一種實(shí)施方式中，在系統(tǒng)啟動(dòng)之后，點(diǎn)燃也在燃燒循環(huán)期間使用。在一種實(shí)施方式中，使用熱回收單元40 或其他熱提取裝置將熱量從燃燒室或燃燒過程運(yùn)送至水或蒸汽，并產(chǎn)生高壓蒸汽。在燃燒過程的膨脹階段之間將高壓蒸汽注入至燃燒室內(nèi)。蒸汽以短的高壓脈沖形式注入，并且兩個(gè)膨脹階段之間的脈沖數(shù)量可以例如為1至1〇、2至8、3至6或某些其他數(shù)量，諸如4、5、7或8。
[0017]燃燒室10優(yōu)選地為具有用于燃料和壓縮空氣的輸入裝置和用于燃燒產(chǎn)物(S卩，廢氣)的輸出的中空容器。輸入和輸出是可控的，并且可以在燃燒循環(huán)的特定階段關(guān)閉和打開，以在燃料點(diǎn)燃前將壓力積聚至燃燒室內(nèi)并在點(diǎn)燃后排出燃燒產(chǎn)物。燃燒室內(nèi)的燃燒過程是至少類似于狄塞爾循環(huán)的循環(huán)過程。將來自空氣箱的預(yù)熱的壓縮空氣引入燃燒室內(nèi)， 并且將燃料注入燃燒室內(nèi)，直到空氣燃料混合物點(diǎn)燃?？諝馊剂匣旌衔锏娜紵蛊潴w積膨脹，因此當(dāng)輸出閥打開時(shí)，燃燒產(chǎn)物和壓縮空氣通過輸出排出。通過控制輸入閥和輸出閥來控制燃燒循環(huán)的運(yùn)行速度。可以在由系統(tǒng)的性質(zhì)限定的某些限制內(nèi)自由選擇運(yùn)行速度。可能限制運(yùn)行速度的這種性質(zhì)可以是例如閥的操作速度、空氣箱內(nèi)的空氣壓力、燃料類型等。 然而，為了獲得每個(gè)系統(tǒng)的最優(yōu)性能，可以調(diào)節(jié)運(yùn)行速度，因?yàn)槠洳皇芑顒?dòng)活塞或活動(dòng)塊的類似物理局限性的限制。
[0018]燃燒室優(yōu)選地具有簡(jiǎn)單的形式，最優(yōu)選地為球體或圓筒，以實(shí)現(xiàn)迅速的、清潔的和完全的燃燒過程。簡(jiǎn)單的形式使得具有較高的運(yùn)行溫度，這提高了效率并減少了在燃燒過程期間產(chǎn)生的有害顆粒和氣體的量。燃燒室設(shè)置為在高溫下工作。除了簡(jiǎn)單的形式，燃燒室的材料還必須能承受高溫而不出現(xiàn)性能或耐用性的明顯退化。燃燒室的材料可以是陶瓷、 金屬、合金或優(yōu)選地是兩種或更多種材料的組合。例如，燃燒室可以包括具有陶瓷內(nèi)涂層的合金外殼。合金外殼能承受高壓和強(qiáng)力，同時(shí)陶瓷內(nèi)涂層能承受高的表面溫度。燃燒室的構(gòu)造優(yōu)選地設(shè)置為能承受400攝氏度的運(yùn)行溫度。在一種實(shí)施方式中，燃燒室設(shè)置為能承受 500、600、700或800攝氏度的運(yùn)行溫度。燃燒室本身不包括任何活動(dòng)部件，因此將燃燒室設(shè)計(jì)為能承受高溫是相對(duì)簡(jiǎn)單的工作。經(jīng)歷最高的熱應(yīng)力的活動(dòng)部件是在燃燒室的輸入端口和輸出端口的閥。然而，很容易獲得設(shè)計(jì)為在這些溫度下操作的閥，因此，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)耐用的閥系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是相對(duì)容易的工作。[0019 ]燃燒室10的輸出將由燃燒產(chǎn)物和壓縮空氣組成的流從燃燒室引導(dǎo)到渦輪機(jī)22中。 由于燃燒室內(nèi)的高壓，當(dāng)輸出打開時(shí)，流以高速度排出。通過使輸出和空氣輸入同時(shí)打開一定時(shí)間，可以促進(jìn)燃燒產(chǎn)物的排出。渦輪機(jī)22包括當(dāng)流流過渦輪機(jī)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)傳輸裝置20,該傳輸裝置進(jìn)而驅(qū)動(dòng)如前所述的發(fā)電機(jī)26和壓縮機(jī)24。流被引導(dǎo)至渦輪機(jī)后的排氣管90,并且廢氣98從系統(tǒng)釋放。
[0020]燃燒室10優(yōu)選地為在渦輪機(jī)22外部的獨(dú)立單元。通過連接燃燒室10和渦輪機(jī)22的管道、管子或某些其他通道，從燃燒室10排出的燃燒產(chǎn)物被引導(dǎo)至渦輪機(jī)22。在一種實(shí)施方式中，系統(tǒng)包括多個(gè)燃燒室。在那種情況下，每個(gè)燃燒室具有將該燃燒室連接至渦輪機(jī)22的管道、管子或某些其他通道。優(yōu)選地，多個(gè)燃燒室設(shè)置為順序地排出它們的燃燒產(chǎn)物，即，不是同時(shí)排出所有的燃燒產(chǎn)物，以向渦輪機(jī)22提供更穩(wěn)定的燃燒產(chǎn)物流量。在一種實(shí)施方式中，通過短的高壓蒸汽脈沖(其在燃燒過程的膨脹階段之間注入到燃燒室內(nèi))實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的流向渦輪機(jī)22的流量。[0021 ]在一種實(shí)施方式中，發(fā)電機(jī)26為電存儲(chǔ)系統(tǒng)供電，該電存儲(chǔ)系統(tǒng)包括用于存儲(chǔ)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能的一個(gè)或多個(gè)電容器、超級(jí)電容器或電池。這種類型的系統(tǒng)可以在車輛用途中使用，用于產(chǎn)生并存儲(chǔ)用于車輛的電動(dòng)機(jī)的電能。
[0022]現(xiàn)在參考圖2,在一種實(shí)施方式中，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)還包括蒸汽循環(huán)系統(tǒng)。蒸汽循環(huán)系統(tǒng)包括蒸汽箱34、熱回收單元40、熱交換器42、冷凝器50和水箱36。在一種實(shí)施方式中，蒸汽循環(huán)系統(tǒng)還包括第二渦輪機(jī)。水和蒸汽在蒸汽循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)，在蒸汽循環(huán)系統(tǒng)中，水聚集在水箱36內(nèi)，并且蒸汽聚集在蒸汽箱34內(nèi)。在一種實(shí)施方式中，蒸汽箱和水箱是同一個(gè)箱， 其中，水聚集在箱的底部，并且蒸汽聚集在箱的頂部。蒸汽的流動(dòng)基于系統(tǒng)內(nèi)的壓力差，但是如果必要的話，蒸汽的流動(dòng)可以在栗或類似的裝置的幫助下進(jìn)行。通過許多可以以可控的方式操作的閥控制流動(dòng)。[〇〇23]蒸汽設(shè)置為從蒸汽箱34流到熱回收單元40。熱回收單元40與燃燒室10熱連接，以便燃燒室使熱回收單元變熱，在熱回收單元中，熱量運(yùn)送至流過熱回收單元的蒸汽。熱回收單元可以是與燃燒室熱連接的獨(dú)立單元，或者其可以是燃燒室的固定部件。在一種實(shí)施方式中，熱回收單元甚至可以是燃燒室內(nèi)部的管道系統(tǒng)或在燃燒室的表面上的管子。當(dāng)來自燃燒室的熱量運(yùn)送至流過熱回收單元的蒸汽時(shí)，蒸汽迅速地變熱并膨脹。然后，將蒸汽流引導(dǎo)至渦輪機(jī)22,在渦輪機(jī)中，蒸汽流使渦輪機(jī)22的轉(zhuǎn)子與從燃燒室10排出至渦輪機(jī)22內(nèi)的燃燒產(chǎn)物和壓縮空氣同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。[〇〇24]在一種實(shí)施方式中，熱回收單元40被熱絕緣材料替代，并且燃燒室10內(nèi)的與時(shí)間相關(guān)的蒸汽注入保持穩(wěn)定的燃燒室的運(yùn)行溫度。與時(shí)間相關(guān)的蒸汽注入優(yōu)選地為在燃燒過程的膨脹階段之間注入燃燒室內(nèi)的短的高壓蒸汽脈沖。所述的膨脹階段可以是或者可以不是兩個(gè)連續(xù)的膨脹階段，并且蒸汽還可以在膨脹階段期間注入。在燃燒循環(huán)內(nèi)調(diào)整與燃燒循環(huán)和蒸汽注入流有關(guān)的時(shí)間依賴性。由于所注入的高壓蒸汽脈沖的短脈沖式長(zhǎng)度，它們僅需要少量的蒸汽。注入之后，蒸汽離開燃燒室并進(jìn)入渦輪機(jī)22。在一種實(shí)施方式中，脈沖為1-100毫秒長(zhǎng)。在另一種實(shí)施方式中，脈沖短于100ms、50ms、20ms或10ms。
[0025]在一種實(shí)施方式中，系統(tǒng)包括用于增加系統(tǒng)中的蒸汽的量和/或溫度的附加燃燒器。燃燒器優(yōu)選地使用與系統(tǒng)的其他部分相同類型的燃料。燃料在燃燒器中燃燒以產(chǎn)生熱量，然后該熱量加熱蒸汽和/或燃燒的燃料加熱水以產(chǎn)生蒸汽。附加燃燒器可以在不產(chǎn)生足夠的“廢熱”的系統(tǒng)中使用，以產(chǎn)生充足量的蒸汽。附加燃燒器的使用確保了能夠在所需的溫度和壓力下獲得所需量的蒸汽。
[0026]在一種實(shí)施方式中，蒸汽不像燃燒產(chǎn)物那樣被引導(dǎo)至相同的渦輪機(jī)22中。在該實(shí)施方式中，系統(tǒng)包括專門用于蒸汽流的第二渦輪機(jī)，而(第一)渦輪機(jī)22專門用于燃燒產(chǎn)物和壓縮空氣的流。燃燒產(chǎn)物和壓縮空氣的流甚至可以設(shè)置成流過渦輪機(jī)22之后的附加熱交換器，以在蒸汽流進(jìn)入第二渦輪機(jī)之前使蒸汽流變熱。第二渦輪機(jī)的設(shè)置可以類似于已知的組合循環(huán)電力設(shè)備。[〇〇27]蒸汽、壓縮空氣和燃燒產(chǎn)物的流從渦輪機(jī)流過熱交換器42,流至冷凝器50,在冷凝器中，蒸汽凝結(jié)成水，并且壓縮空氣和燃燒產(chǎn)物通過排出管90引導(dǎo)離開系統(tǒng)。在具有第二渦輪機(jī)的實(shí)施方式中，燃燒產(chǎn)物和壓縮空氣的流設(shè)置為流過熱交換器42直接到達(dá)排出管，并且蒸汽流設(shè)置為流過熱交換器42和冷凝器50到達(dá)水箱36。[〇〇28]從蒸汽冷凝的水流入水箱36或栗送進(jìn)水箱?？梢栽诶淠?0和水箱36之間設(shè)置離子交換器52,用于在水再次進(jìn)入循環(huán)之前凈化水。水箱36聚集水，然后水被引導(dǎo)或栗送至熱交換器42。熱交換器將熱量從蒸汽、壓縮空氣和燃燒產(chǎn)物的流運(yùn)送至流過熱交換器的水。熱交換器的熱量將水蒸發(fā)成蒸汽，然后，蒸汽被引導(dǎo)流回至蒸汽箱34內(nèi)。高壓蒸汽可以從蒸汽箱34以短突發(fā)形式(short burst)釋放，以向燃燒室產(chǎn)生短的高壓脈沖。
[0029]圖3示出了發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其與圖2的系統(tǒng)類似，除了該系統(tǒng)還包括具有縮放噴嘴的栗，例如，用于組合來自燃燒室10的燃燒產(chǎn)物和來自熱回收單元40或來自熱交換器42的蒸汽的流的注射器或噴射器12,其中噴射器12將蒸汽和燃燒產(chǎn)物引導(dǎo)至渦輪機(jī)22內(nèi)，用于轉(zhuǎn)動(dòng)渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子。在本說明書中，具有縮放噴嘴的栗被稱為噴射器，但是在一種實(shí)施方式中，栗也可以是例如注射器、蒸汽注射器或蒸汽噴射器。噴射器12在渦輪機(jī)和燃燒室以及其熱回收單元之間。燃燒產(chǎn)物和壓縮空氣被排出至噴射器內(nèi)，在該噴射器中，來自燃燒室的熱物質(zhì)使來自熱回收單元的蒸汽過分加熱。蒸汽的過分加熱導(dǎo)致蒸汽的迅速膨脹。噴射器12 引導(dǎo)過熱的蒸汽、燃燒產(chǎn)物和壓縮空氣的流進(jìn)入渦輪機(jī)22,在該渦輪機(jī)中，流使渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。在一種實(shí)施方式中，將短的高壓蒸汽脈沖注入噴射器12內(nèi)，蒸汽從該噴射器流至渦輪機(jī)，并使渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0030]在一種實(shí)施方式中，系統(tǒng)還包括可調(diào)噴嘴和與噴射器12和燃燒室10的輸出連接的用于調(diào)節(jié)來自燃燒室10的燃燒產(chǎn)物的排出的閥。噴嘴的某種設(shè)計(jì)和形狀可以進(jìn)行更改。噴嘴在噴射器內(nèi)蒸汽從熱回收單元40流至渦輪機(jī)22的旁路流中。當(dāng)輸出中的閥打開時(shí)，噴嘴的形式對(duì)來自燃燒室的燃燒產(chǎn)物的排出有顯著的影響。通過更改噴嘴的形式，可以在蒸汽的旁路流的幫助下增加燃燒產(chǎn)物的排出。
[0031]在一種實(shí)施方式中，當(dāng)燃燒產(chǎn)物的一部分(S卩，廢氣)從燃燒室排出時(shí)，廢氣被引導(dǎo)至渦輪機(jī)22的低溫/低壓區(qū)或被引導(dǎo)至低壓渦輪機(jī)。在該實(shí)施方式中，由于吸入側(cè)的壓力高于低溫/低壓區(qū)的壓力，所以可以省略噴射器或多個(gè)噴射器(14a，14b)。
[0032]圖4示出了具有兩個(gè)燃燒室10a和10b以及噴射器12的燃燒系統(tǒng)的實(shí)施方式的詳圖。燃燒室和噴射器的數(shù)量不限于本實(shí)施例。為本實(shí)施方式選擇兩個(gè)燃燒室和一個(gè)噴射器以提供一個(gè)實(shí)例并表示系統(tǒng)的能力。在一種實(shí)施方式中，電動(dòng)燃燒系統(tǒng)具有一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)或更多個(gè)燃燒室以及零個(gè)、一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)或更多個(gè)噴射器。在一種實(shí)施方式中，噴射器不是必要的，并且系統(tǒng)可以在不具有噴射器的情況下操作。[〇〇33]每個(gè)燃燒室10a、10b包括一個(gè)或多個(gè)輸入101、10 2 (由輸入閥控制或不由輸入閥控制)和一個(gè)或多個(gè)輸出111、112 (由輸出閥打開或控制)。通過控制輸入和輸出的壓力，輸入和輸出可以不由閥控制，因?yàn)闅怏w往往從較高壓區(qū)域流至較低壓區(qū)域。在一種實(shí)施方式中， 至少一些輸入和輸出通過氣體振動(dòng)或振蕩而不是閥控制。在一種實(shí)施方式中，每個(gè)燃燒室包括由主排氣閥111控制的輸出。在一種實(shí)施方式中，每個(gè)燃燒室包括兩個(gè)輸出，一個(gè)輸出由主排氣閥111控制，并且一個(gè)輸出由輔助排氣閥112控制。在一種實(shí)施方式中，每個(gè)燃燒室包括不由閥控制的開放輸出。在一種實(shí)施方式中，每個(gè)燃燒室包括用于燃料的輸入101。在一種實(shí)施方式中，每個(gè)燃燒室包括用于燃料和增壓空氣的輸入101、102。在一種實(shí)施方式中，每個(gè)燃燒室包括用于燃料、增壓空氣和蒸汽的輸入。在一種實(shí)施方式中，每個(gè)燃燒室包括用于下述中的一者或多者的輸入:燃料、增壓空氣、蒸汽和水?？梢酝ㄟ^至少部分地使用系統(tǒng)的燃燒過程的廢熱來產(chǎn)生蒸汽。在一種實(shí)施方式中，蒸汽以短的高壓蒸汽脈沖的形式注入，該脈沖在燃燒過程的膨脹階段之間注入燃燒室內(nèi)。在該實(shí)施方式中，可以省略排氣閥，因?yàn)槿紵业膲毫蜏囟拳h(huán)境由蒸汽脈沖注入控制。在一種實(shí)施方式中，可以在熱交換器之后使用0RC渦輪機(jī)或斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，用于在大約200攝氏度的溫度范圍內(nèi)冷卻廢氣和蒸汽。
[0034]圖4的系統(tǒng)中的燃燒循環(huán)可以具有下述步驟。首先，將增壓空氣經(jīng)由空氣輸入102 提供給燃燒室l〇a、10b，并且將燃料經(jīng)由燃料輸入101提供給燃燒室10a、10b。由于余熱，燃燒室內(nèi)的壓力積聚，直到燃燒室內(nèi)的燃料點(diǎn)燃(例如，在20至30巴的壓力下)并產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物和更多壓力為止。通過打開燃燒室l〇a和噴射器12之間的主排氣閥111，燃燒產(chǎn)物和壓力被釋放至噴射器12。在一種實(shí)施方式中，省略了主排氣閥，并且燃燒產(chǎn)物自由地向噴射器12 移動(dòng)。在一種實(shí)施方式中，壓力波增壓裝置替代主排氣閥。優(yōu)選地，每個(gè)燃燒室內(nèi)的燃燒循環(huán)以與其他燃燒室不同的相位運(yùn)行，以便來自燃燒室的廢氣流(exhaust stream)更加地穩(wěn)定并且更加不像脈沖。燃燒產(chǎn)物從燃燒室流至噴射器12，并通過輸出113從噴射器流至渦輪機(jī)22。同時(shí)，液態(tài)水和/或水蒸氣(S卩，蒸汽)可以經(jīng)由輸入被注入至燃燒室10a，并因此改善來自燃燒室的燃燒產(chǎn)物的流通。優(yōu)選地，蒸汽以具有高蒸汽壓力(例如，幾十巴至幾百巴)的短脈沖注入燃燒室內(nèi)。蒸汽的注入還有助于在較長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)將壓力保持在高水平，如在圖5中可見。水和/或蒸汽的注入還降低了燃燒室的溫度，并便于溫度控制。注入還降低了主排氣閥111的溫度，這可以延長(zhǎng)主排氣閥111的壽命。當(dāng)燃燒室和噴射器內(nèi)的壓力已經(jīng)下降時(shí)，例如，下降至40至50巴，關(guān)閉主排氣閥111。一個(gè)或多個(gè)閥可以例如通過控制單元電子地控制。在一種實(shí)施方式中，當(dāng)蒸汽脈沖被注入燃燒室內(nèi)時(shí)，可以省略主排氣閥111，因此，主排氣輸出是持續(xù)打開的。
[0035]在一種包括主排氣閥的實(shí)施方式中，在關(guān)閉主排氣閥111后，可以經(jīng)由閥103向噴射器噴灑液態(tài)水和/或水蒸氣(即，蒸汽)，這提高了噴射器12內(nèi)的壓力，例如，提高至65巴。 在噴射器12的某一壓力下，例如，65巴，第二燃燒室10b的主排氣閥111打開并向噴射器12釋放燃燒產(chǎn)物，并且燃燒產(chǎn)物從噴射器到達(dá)渦輪機(jī)22。同時(shí)，第一燃燒室10a的第二排氣閥112 保持打開，以為來自第一燃燒室l〇a的剩余燃燒產(chǎn)物通風(fēng)。通過將加壓空氣或蒸汽經(jīng)由輸入 101、102引入至燃燒室可以改善通風(fēng)。第二排氣閥112可以將剩余燃燒產(chǎn)物經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)第二噴射器14a、14b引導(dǎo)至禍輪機(jī)22。在一種實(shí)施方式中，單個(gè)第二噴射器可以包括多個(gè)輸入，因此其可以與兩個(gè)燃燒室一起使用。一旦第一燃燒室l〇a通風(fēng)并且壓力已經(jīng)下降至足夠低的水平，例如，下降至20巴、10巴、5巴或2巴，關(guān)閉第二排氣閥112,并且可以開始燃燒循環(huán)的下一循環(huán)。[〇〇36]在一種實(shí)施方式中，第二噴射器14a、14b設(shè)置為經(jīng)由輸入114接收動(dòng)力蒸汽或動(dòng)力氣體。動(dòng)力氣體優(yōu)選地為在60巴、80巴或100巴壓力下的加壓水蒸氣。動(dòng)力氣體被引導(dǎo)通過第二噴射器14a、14b并經(jīng)由閥104被排放至噴射器12。當(dāng)動(dòng)力氣體通過第二噴射器時(shí)，其在將燃燒室連接至第二噴射器的輸出閥112打開時(shí)產(chǎn)生吸引來自燃燒室10a、10b的剩余燃燒產(chǎn)物的吸力效應(yīng)。閥104優(yōu)選地為控制閥?？梢哉{(diào)整閥104的吞吐量和/或打開方向。在一種實(shí)施方式中，系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的所有過量蒸汽可以經(jīng)由閥104和/或第二噴射器14a、14b被提供給渦輪機(jī)。[〇〇37]在一種實(shí)施方式中，來自使用中間蒸汽分接件(tapping)的渦輪機(jī)22的回流可以被引入第三噴射器。來自渦輪機(jī)的回流或中間蒸汽可以包括被引入第三噴射器的蒸汽或燃燒產(chǎn)物或蒸汽和燃燒產(chǎn)物的混合物。通過使用閥并將氣體如水蒸氣引入第三噴射器，第三噴射器的中間蒸汽的壓力被升高至足夠的水平。蒸汽和燃燒產(chǎn)物增大了氣體的體積并降低了氣體的溫度。氣體的混合物例如經(jīng)由第二噴射器14a、14b和閥104或系統(tǒng)的某些其他輸入閥被從第三噴射器引入至噴射器12。在一種實(shí)施方式中，使用中間蒸汽分接件的輸出也可以剛好在熱交換器后引入。[0〇38]在一種實(shí)施方式中，禍輪機(jī)設(shè)置為在航空應(yīng)用中轉(zhuǎn)動(dòng)側(cè)吸式風(fēng)扇(by-pass fan)，例如，替換商用飛機(jī)的渦輪機(jī)風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)。在一種實(shí)施方式中，系統(tǒng)包括連接至燃燒室并由閥控制的氧氣筒。燃燒室可以用作使用來自燃料箱的火箭燃料和來自低層大氣中的大氣的氧氣的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室，以便來自氧氣筒的氧氣可以在上層大氣中使用，在上層大氣中，氧氣的量不足以用于燃燒。
[0039]圖5示出了根據(jù)一種實(shí)施方式的系統(tǒng)中的壓力的時(shí)間依賴性。由于燃燒循環(huán)使得壓力在系統(tǒng)內(nèi)在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化，渦輪機(jī)22不接收最優(yōu)輸入，除非以與時(shí)間相關(guān)的方式控制系統(tǒng)。優(yōu)選地，所有的輸入101、102、103、104以與時(shí)間相關(guān)的方式進(jìn)行控制，以將為渦輪機(jī)提供的輸出113保持在最優(yōu)壓力下。在除了燃料和空氣沒有任何其他與時(shí)間相關(guān)的輸入的情況下，至渦輪機(jī)的輸出可能看起來像圖5中的曲線200。在燃燒循環(huán)開始時(shí)，壓力迅速積聚，就在主排氣閥111打開之前達(dá)到峰值，這在燃燒產(chǎn)物流過渦輪機(jī)時(shí)迅速降低壓力。 現(xiàn)在，如果在主排氣閥111打開后立即將液態(tài)水和/或水蒸氣注入燃燒室內(nèi)，壓力可能不會(huì)同樣迅速地下降，因?yàn)橛捎谌紵业挠酂?，液態(tài)水可能蒸發(fā)并且蒸氣可能變熱，并且因此注入可能減輕打開主排氣閥111的影響。以類似的方式，一旦主排氣閥111已經(jīng)關(guān)閉，可以經(jīng)由閥103向噴射器噴灑液態(tài)水和/或水蒸氣(S卩，蒸汽)，這提高了噴射器12內(nèi)的壓力，因此提高了輸出至渦輪機(jī)的壓力。以與時(shí)間相關(guān)的方式控制液態(tài)水、蒸汽和空氣的量，以便防止至渦輪機(jī)的輸出下降太多。使至渦輪機(jī)的輸出保持在相對(duì)固定的高水平對(duì)系統(tǒng)的效率具有顯著的影響。大部分時(shí)間都可以在最優(yōu)的操作范圍內(nèi)以相對(duì)固定的輸出驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)，然而渦輪機(jī)不能充分利用稀疏的短突發(fā)形式。
[0040]通過水、蒸汽和空氣的注入，至渦輪機(jī)的輸出可以保持在高水平。該高水平在圖5 中以虛線201示出。然而，如果省略主排氣閥或主排氣閥持續(xù)保持為打開的，需要許多蒸汽和空氣來保持這種高壓。如果蒸汽以非常短的高壓脈沖形式注入，可以省略主排氣閥，因此簡(jiǎn)化了系統(tǒng)并提高了其可靠性。當(dāng)注入為短的蒸汽脈沖形式時(shí)，曲線202代表燃燒循環(huán)期間的壓力水平。短的蒸汽脈沖可以將平均壓力保持在足夠高的水平，因此，主排氣閥不是必要的。短的蒸汽脈沖的峰值壓力可能高于燃燒引起的壓力脈沖。在例如具有兩個(gè)燃燒室的實(shí)施方式中，在燃料點(diǎn)燃并且燃燒產(chǎn)物從第一燃燒室排出后，可以將短的蒸汽脈沖提供給系統(tǒng)(例如，提供給第一燃燒室)?？梢岳^續(xù)提供蒸汽脈沖，同時(shí)第二燃燒室的排氣閥是關(guān)閉的。在此期間，所有的剩余蒸汽和燃燒產(chǎn)物被沖洗出第二燃燒室。通過輸入壓縮空氣來沖洗第二燃燒室，該壓縮空氣流過例如第二排氣閥112，然后，該第二排氣閥將空氣和剩余物運(yùn)送至例如較低壓的渦輪機(jī)。沖洗之后，在第二燃燒室中填充壓縮空氣，向第二燃燒室注入燃料，并且混合物點(diǎn)燃或者被點(diǎn)燃。在燃料被點(diǎn)燃并且燃燒產(chǎn)物被從第二燃燒室排出之后，可以將短的蒸汽脈沖提供給系統(tǒng)(例如，提供給第二燃燒室)，同時(shí)第一燃燒室的排氣閥是關(guān)閉的，第一燃燒室早期像第二燃燒室那樣沖洗、填充和點(diǎn)燃等等。這使得能夠在整個(gè)過程中為渦輪機(jī)的有效使用提供足夠高的壓力。[〇〇411 在一種實(shí)施方式中，噴射器12內(nèi)的壓力總是保持在例如20巴、30巴、40巴或50巴以上。在一種實(shí)施方式中，所注入的水、蒸汽和空氣的量和它們注入的時(shí)間點(diǎn)基于系統(tǒng)的測(cè)定量決定。這種測(cè)定量可以是例如溫度、壓力、濕度、氣體組分、閥的狀態(tài)或某些其他工藝數(shù)量。所述的數(shù)量可以通過例如傳感器測(cè)定。在一種實(shí)施方式中，所注入的水、蒸汽和空氣的量和它們注入的時(shí)間點(diǎn)基于燃燒循環(huán)的階段決定。與時(shí)間相關(guān)的水和/或蒸汽的注入還通過控制引入渦輪機(jī)22的氣體的溫度來提高渦輪機(jī)22的可靠性。水和蒸汽的注入降低了引入渦輪機(jī)的氣體的平均溫度，因此其允許在燃燒室內(nèi)使用更高的壓力(并因此使用更高的溫度)。在一種實(shí)施方式中，與時(shí)間相關(guān)的輸入的控制包括向燃燒室內(nèi)產(chǎn)生蒸汽或水脈沖。
[0042]對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的是，隨著技術(shù)的進(jìn)步，可以以各種方式實(shí)施本發(fā)明構(gòu)思。本發(fā)明和其實(shí)施方式不限于上面描述的實(shí)施例，而是可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)進(jìn)行變化。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，具有渦輪機(jī)(22)，與發(fā)電機(jī)(26)和壓縮機(jī)(24)連接，以便將提供給所述渦輪機(jī)(22)的能量 通過所述發(fā)電機(jī)(26)轉(zhuǎn)換為電能，并使用提供給所述渦輪機(jī)的所述能量通過所述壓縮機(jī) (24)壓縮空氣，燃燒室(1 〇 )，在所述渦輪機(jī)(22)外部，其中，所述燃燒室(10)設(shè)置為從所述壓縮機(jī)(24) 接收壓縮空氣并從燃料箱(30)接收燃料，以開始燃燒過程，并將燃燒產(chǎn)物輸出至所述渦輪 機(jī)(22)內(nèi)用于轉(zhuǎn)動(dòng)所述渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子，以及輸入閥，功能性地連接至所述燃燒室(10 )，用于控制所述燃燒過程，熱交換器(42)，與從所述渦輪機(jī)(22)排出的所述燃燒產(chǎn)物熱交互，用于將來自所排出 的燃燒產(chǎn)物的熱量轉(zhuǎn)移至蒸汽中，一個(gè)或多個(gè)輸入閥(102，103，104，114)，用于向所述渦輪機(jī)(22)提供所述蒸汽，其特征在于，所述發(fā)電機(jī)系統(tǒng)還包括用于控制所述一個(gè)或多個(gè)輸入閥(102，103，104) 的控制單元，用于向所述渦輪機(jī)(22)內(nèi)產(chǎn)生與時(shí)間相關(guān)的蒸汽注入，其中，所述蒸汽注入的 流在燃燒循環(huán)內(nèi)調(diào)節(jié)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括:用于聚集蒸汽的蒸汽箱(34)，用于將所述蒸汽凝結(jié)成水的冷凝器(50)，用于聚集所述水的水箱(36)，以及用于將所述水從所述水箱(36)栗送至所述熱交換器(42)的裝置，用于將所述水蒸發(fā)成 蒸汽，所述蒸汽設(shè)置為流入所述蒸汽箱(34)。3.根據(jù)權(quán)利要求1至2中任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述燃燒室(10)內(nèi)的 所述燃燒過程是循環(huán)過程。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述燃燒過程包括壓 縮階段和膨脹階段。5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述燃燒室(10)設(shè)置 為周期性地工作。6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述壓縮機(jī)(24)為第 一螺桿式壓縮機(jī)，并且所述系統(tǒng)還包括與所述第一螺桿式壓縮機(jī)串聯(lián)的第二螺桿式壓縮 機(jī)。7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括空氣 箱(32)，用于聚集來自所述壓縮機(jī)(24)的壓縮空氣，并用于向所述燃燒室(10)提供所述壓縮空氣。8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)中使用的所 述燃料為下述組中的一種:柴油、汽油、乙醇、天然氣、液化天然氣、以及氫氣和一氧化碳混 合物。9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述控制單元設(shè)置為 控制所述一個(gè)或多個(gè)輸入閥(102，103，104，114)，用于在所述燃燒過程的膨脹階段之間向 所述系統(tǒng)中產(chǎn)生多個(gè)蒸汽注入脈沖。10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括加熱裝 置(40)，用于在所述壓縮空氣被引入所述燃燒室(10)內(nèi)之前預(yù)熱所述壓縮空氣。11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述控制單元設(shè)置 為控制所述一個(gè)或多個(gè)輸入閥(102，103，104，114)，用于在單個(gè)燃燒循環(huán)內(nèi)向所述系統(tǒng)中 產(chǎn)生多個(gè)蒸汽注入脈沖。12.—種用于產(chǎn)生電能的方法，包括:向燃燒室(10)提供壓縮空氣的輸入，向所述燃燒室(1 〇)提供燃料的輸入，向用于產(chǎn)生電力的渦輪機(jī)(22)提供來自所述燃燒室(10)的燃燒產(chǎn)物和壓縮空氣的流 的輸出，使用所述渦輪機(jī)(22)產(chǎn)生的所述電力操作發(fā)電機(jī)(26)，以便產(chǎn)生電能，以及使用所述渦輪機(jī)(22)產(chǎn)生的所述電力操作壓縮機(jī)(24)，以便為所述燃燒室(10)壓縮空 氣，控制與所述燃燒室(10)有關(guān)的輸入，以便在所述燃燒室內(nèi)進(jìn)行燃燒過程循環(huán)，其中，燃 料和壓縮空氣輸入的所述控制是與時(shí)間相關(guān)的，其特征在于，提供并控制對(duì)系統(tǒng)的蒸汽輸入，其中，所述蒸汽輸入的控制包括向所述渦輪機(jī)(22)中 的與時(shí)間相關(guān)的蒸汽注入，其中，所述蒸汽注入的流在燃燒循環(huán)內(nèi)調(diào)節(jié)。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法還包括:從所述燃燒過程中提取熱量，用于產(chǎn)生和加熱蒸汽。14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述蒸汽輸入的控制包括在所述燃 燒過程的膨脹階段之間向所述系統(tǒng)中注入多個(gè)蒸汽注入脈沖。15.根據(jù)權(quán)利要求12至14中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法包括下述步驟: 控制噴射器(12)輸入閥，用于為所述燃燒室(10)和所述渦輪機(jī)(22)之間的所述噴射器(12) 產(chǎn)生蒸汽或水脈沖。
【文檔編號(hào)】F01D15/10GK105980690SQ201580004112
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2015年1月7日
【發(fā)明人】蒂莫·艾瑞瑪, ?；·薩米能
【申請(qǐng)人】芬諾能源有限公司