СИСТЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА ТУРБИНЫ, ПРИВОДИМОЙ В ДЕЙСТВИЕ СЖАТЫМ ВОЗДУХОМ
DIRECT-CURRENT ELECTRIC GENERATOR OF TURBINE DRIVEN BY COMPRESSED AIR

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ
Настоящая заявка основана на и испрашивает преимущество и приоритет согласно патентной заявке Китая № 201710447309.9, поданной 15 июня 2017, которая в полном объеме включена в данный документ посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области электротехники, и, в частности, к системе электрического генератора ПТ (постоянного тока) турбины, приводимой в действие сжатым воздухом.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящее время, во множестве вспомогательных источников электропитания для чистых электромобилей по всему миру для генерирования энергии используется традиционный поршневой двигатель на жидком топливе/топливном газе. Технологии такого двигателя были хорошо разработаны с множеством продуктов. Тем не менее, фундаментальные проблемы низкого КПД топлива, высокого уровня вибрации, высокого уровня шума и сложных охлаждающих систем у таких двигателей на сегодняшний день так и не были разрешены.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ввиду вышеизложенных проблем, настоящее изобретение предлагает систему электрического генератора ПТ турбины, приводимой в действие сжатым воздухом, содержащую:
газотурбинный двигатель с замкнутым циклом,
генератор постоянного тока, выполненный с возможностью генерирования постоянного тока путем использования выходной мощности газотурбинного двигателя с замкнутым циклом в качестве приводящей входной мощности,
блок управления, выполненный с возможностью управления частотой вращения газотурбинного двигателя с замкнутым циклом для генерирования выходной мощности и регулирования выходного тока и/или выходного напряжения генератора постоянного тока.
В возможном варианте осуществления газотурбинный двигатель с замкнутым циклом содержит камеру турбины, турбину, вал отбора мощности, регулирующий клапан воздухозаборника, впускное отверстие и выпускное отверстие, при этом
каждое из впускного отверстия и выпускного отверстия соединено с камерой турбины,
регулирующий клапан воздухозаборника обеспечен на впускном отверстии,
турбина обеспечена в камере турбины, и
турбина соединена с валом отбора мощности.
В возможном варианте осуществления блок управления дополнительно выполнен с возможностью отправки управляющего сигнала в регулирующий клапан воздухозаборника; и
регулирующий клапан воздухозаборника при получении управляющего сигнала выполнен с возможностью открытия или закрытия и динамического регулирования расхода воздухозабора на впускном отверстии в соответствии с управляющим сигналом, таким образом, впуская воздух высокого давления из впускного отверстия в камеру турбины для расширения для работы, приводящей турбину во вращение, с тем, чтобы регулировать частоту вращения и крутящий момент вала отбора мощности.
В возможном варианте осуществления вал отбора мощности также служит в качестве вала ротора генератора постоянного тока. Два высокоскоростных подшипника на валу ротора соответственно расположены на конце отбора мощности газотурбинного двигателя с замкнутым циклом и на заднем конце генератора постоянного тока.
В возможном варианте осуществления корпус газотурбинного двигателя с замкнутым циклом и корпус генератора постоянного тока объединены вместе. Статор генератора постоянного тока крепится к корпусу газотурбинного двигателя с замкнутым циклом.
В возможном варианте осуществления турбина газотурбинного двигателя с замкнутым циклом может представлять собой конструкцию двухступенчатой турбины, содержащую первую ступень турбины и вторую ступень турбины. Первая ступень турбины и вторая ступень турбины расположены на одном и том же приводном валу. Первая ступень турбины подает отработавший воздух низкого давления во вторую ступень турбины.
В возможном варианте осуществления блок управления дополнительно выполнен с возможностью получения команды для активации генерирования энергии от шины CAN. При этом команда для активации генерирования энергии предназначена для указания блоку управления управлять регулирующим клапаном воздухозаборника для открытия или закрытия, и определять режим генерирования системы, включая по меньшей мере одно из следующего: режим генерирования с постоянным током, режим генерирования с постоянным напряжением, режим генерирования с постоянной мощностью и режим генерирования с пониженной мощностью.
В возможном варианте осуществления блок управления дополнительно выполнен с возможностью определения рабочего состояния газотурбинного двигателя с замкнутым циклом согласно коэффициенту снижения мощности, когда система переходит в режим генерирования с пониженной мощностью, при этом газотурбинный двигатель с замкнутым циклом переходит в нерабочее состояние, когда генерируемая мощность составляет менее 30 % от номинальной мощности, переходит в состояние с низкой частотой вращения, когда генерируемая мощность составляет менее 50 % от номинальной мощности, и переходит в состояние номинальной мощности в других случаях.
В возможном варианте осуществления блок управления дополнительно предназначен для управления возбуждением на генераторе постоянного тока.
В возможном варианте осуществления система дополнительно содержит устройство внешнего возбуждения, которое присоединено к генератору постоянного тока для управления возбуждением на генераторе постоянного тока.
В возможном варианте осуществления генератор постоянного тока дополнительно выполнен с возможностью подачи выходной мощности непосредственно на шину мощности постоянного тока посредством выпрямления и отправки выходного тока и/или выходного напряжения обратно на блок управления.
Система электрического генератора ПТ турбины, приводимой в действие сжатым воздухом, согласно настоящему изобретению была уменьшена в размере и имеет высокий уровень интеграции, при этом в ней эффективно устранены такие недостатки, как низкая удельная мощность и высокий уровень вибрации и шума электрогенераторной системы у двигателей внутреннего сгорания, и имеет высокий показатель промышленного применения. Система электрического генератора ПТ турбины, приводимой в действие сжатым воздухом, может использоваться в качестве вспомогательного источника питания в процессе разработки электромобиля, тем самым эффективно решается проблема боязни ограничения дальности поездки электромобиля, работающего исключительно на электроэнергии.
Дополнительные признаки и аспекты настоящего изобретения станут очевидными из последующего описания примерных вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые графические материалы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Графические материалы, которые включены в состав данной заявки и составляют ее часть, вместе с описанием представляют иллюстративные примеры, признаки и аспекты настоящего изобретения и служат для объяснения принципов настоящего изобретения.
на фиг. 1 показана структурная схема системы электрического генератора ПТ турбины, приводимой в действие сжатым воздухом, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 2 показана принципиальная блок-схема системы электрического генератора ПТ турбины, приводимой в действие сжатым воздухом, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения; и
на фиг. 3 показана блок-схема программы главного управления системы электрического генератора ПТ турбины, приводимой в действие сжатым воздухом, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Ссылочные позиции:
1 камера турбины; 2 двухполюсный явнополюсный генератор; 3 блок управления генератора/системы; 4 турбина;
5 выпускное отверстие; 6 впускное отверстие; 7 вал отбора мощности; 8 регулирующий клапан воздухозаборника.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Различные примерные варианты осуществления, признаки и аспекты настоящего изобретения будут описаны подробнее со ссылкой на графические материалы. Подобные ссылочные позиции на графических материалах представляют элементы, имеющие те же или подобные функции. Хотя в графических материалах показаны различные аспекты примеров, нет необходимости отображать графические материалы в пропорции, если не указано иное.
В данном документе «примерный» означает «использованный в качестве примера или варианта осуществления, или разъяснения». Любой вариант осуществления, описанный как «примерный» в данном документе, не обязательно рассматривается как преобладающий или лучший, чем другие варианты осуществления.
Дополнительно, в последующих вариантах осуществления дано множество деталей для лучшего толкования настоящего изобретения. Специалисту в данной области техники станет понятно, что настоящее изобретение все также можно реализовать даже без некоторых из этих деталей. Способы, средства, элементы и схемы, которые хорошо известны специалисту в данной области, не описываются в подробностях в некоторых вариантах осуществления, так что принцип настоящего изобретения становится очевидным.
Благодаря непрерывным улучшениям технологий турбокомпрессора для автомобильных двигателей и непрерывным улучшениям технологий турбин, КПД преобразования существенно увеличился. Настоящее изобретение предлагает новое решение генератора постоянного тока, приводимого в движение посредством газотурбинного двигателя с замкнутым циклом при прохождении сжатого воздуха через турбину. Такая система электрогенератора может использовать подачу сжатого воздуха с постоянным давлением из встроенной емкости для воздуха высокого давления для приведения в действие газотурбинного двигателя, тем самым приводя в действие двухполюсный явнополюсный генератор постоянного тока для генерирования энергии, достигая высокого КПД преобразования турбины. Сверхвысокая частота вращения турбины позволяет добиться высокой удельной мощности, малых размеров, низкого уровня вибрации и шума, а также отсутствия выбросов (с выбросом воздуха, т. е. с нулевым содержанием вредных выбросов), что очень подходит в качестве вспомогательного источника питания для  электромобилей, работающих исключительно на электроэнергии. В частности, низкая температура от расширения сжатого воздуха устраняет необходимость в каком-либо наружном охлаждении для всей турбины и генератора. Турбина также не имеет проблем, связанных со смазыванием. Высокоскоростные подшипники генератора также не требуют каких-либо систем наружного охлаждения. Таким образом, вся система имеет простую конструкцию и  высокую надежность.
Вариант осуществления 1
На фиг. 1 показана структурная схема системы электрического генератора ПТ турбины, приводимой в действие сжатым воздухом, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг. 1, система электрического генератора ПТ турбины, приводимой в действие сжатым воздухом, может содержать: газотурбинный двигатель с замкнутым циклом (называемый газотурбинным двигателем или двигателем); генератор постоянного тока (называемый генератором), выполненный с возможностью генерирования постоянного тока путем использования выходной мощности газотурбинного двигателя с замкнутым циклом в качестве приводящей входной мощности; блок управления, выполненный с возможностью управления частотой вращения газотурбинного двигателя с замкнутым циклом для генерирования выходной мощности и регулирования выходного тока и/или выходного напряжения генератора постоянного тока.
К примеру, входной вал двухполюсного явнополюсного генератора непосредственно соединен с валом отбора мощности газотурбинного двигателя для генерирования постоянного тока и вывода мощности постоянного тока или мощности постоянного напряжения. Блок 3 управления генератора/системы находится в непосредственной электрической связи с двухполюсным явнополюсным генератором 2 и выполнен с возможностью принятия команд для генерирования через шину CAN (локальной сети контроллеров) для регулирования мощности выходного тока или напряжения двухполюсного явнополюсного генератора 2. Блок 3 управления генератора/системы может контролировать и управлять частотой вращения газотурбинного двигателя с замкнутым циклом, а также непрерывно регулировать выходной ток или напряжение двухполюсного явнополюсного генератора 2.
В возможном варианте осуществления газотурбинный двигатель с замкнутым циклом может содержать камеру 1 турбины, турбину 4 (также называемую турбинным механизмом), выпускное отверстие 5 (также называемое выпуском воздуха), впускное отверстие 6, вал 7 отбора мощности и регулирующий клапан 8 воздухозаборника. Генератор постоянного тока может представлять собой двухполюсный явнополюсный генератор 2 (также называемый двухполюсным явнополюсным генератором постоянного тока). Блок управления также называется блоком 3 управления генератора/системы.
Каждое из впускного отверстия 6 и выпускного отверстия 5 соединено с камерой 1 турбины. Регулирующий клапан 8 воздухозаборника обеспечен на впускном отверстии 6. Турбина 4 обеспечена в камере 1 турбины. Турбина 4 соединена с валом 7 отбора мощности.
В возможном варианте осуществления блок управления выполнен с возможностью отправки управляющего сигнала в регулирующий клапан воздухозаборника. Регулирующий клапан воздухозаборника при получении управляющего сигнала выполнен с возможностью открытия или закрытия и динамического регулирования расхода воздухозабора на впускном отверстии в соответствии с управляющим сигналом, впуская воздух высокого давления из впускного отверстия в камеру турбины для расширения для работы, приводящей турбину во вращение, с тем, чтобы регулировать частоту вращения и крутящий момент вала отбора мощности.
В частности, газотурбинный двигатель с замкнутым циклом может непосредственно впускать воздух высокого давления в турбинный механизм для расширения для работы, приводящей турбину во вращение. Воздух низкого давления затем выпускается из выпускного отверстия. Регулирующий клапан воздухозаборника принимает управляющий сигнал от блока управления генератора/системы для регулирования расхода воздухозабора с тем, чтобы регулировать частоту вращения и крутящий момент вала отбора мощности газотурбинного двигателя. Блок управления генератора/системы управляет регулирующим клапаном воздухозаборника газотурбинного двигателя для регулирования объема потока поступающего воздуха и расхода двигателя, который может поддерживать постоянную частоту вращения, когда нагрузка постоянного тока, такая как контроллер приводного двигателя, силовой резистор и т. д., генератора меняется, и обеспечивает управление в замкнутом контуре для генерирования с постоянным током или с постоянным напряжением.
Чтобы увеличить КПД преобразования сжатого воздуха, к газотурбинному двигателю с замкнутым циклом может быть добавлена вторая ступень турбины. В возможном варианте осуществления турбина газотурбинного двигателя с замкнутым циклом может представлять собой конструкцию двухступенчатой турбины, содержащую первую ступень турбины и вторую ступень турбины. Первая ступень турбины и вторая ступень турбины расположены на одном и том же приводном валу. Первая ступень турбины подает отработавший воздух низкого давления во вторую ступень турбины. Благодаря конструкции двухступенчатой турбины энергия, оставшаяся в воздухе низкого давления из первой ступени, дополнительно преобразуется в выходную мощность. Это дополнительно увеличивает КПД преобразования турбинного механизма и существенно увеличивает выходную мощность системы.
Вариант осуществления 2
Данный вариант осуществления отличается от предыдущего варианта осуществления тем, что блок управления дополнительно предназначен для управления возбуждением на генераторе постоянного тока. Генератор постоянного тока дополнительно выполнен с возможностью подачи выходной мощности непосредственно на шину мощности постоянного тока посредством выпрямления и отправки выходного тока и/или выходного напряжения обратно на блок управления.
Например, двухполюсный явнополюсный генератор 2 получает управление возбуждением от блока 3 управления генератора/системы (например, его блока, активирующего генерирование) для выпрямления и последующей передачи выходного напряжения или тока на шину мощности постоянного тока, и подачи сгенерированного тока и напряжения ПТ в блок 3 управления генератора/системы. В данном варианте осуществления трехфазная высокочастотная выходная мощность двухполюсного явнополюсного генератора 2 выпрямляется для непосредственного предоставления постоянного тока.
В данном варианте осуществления турбина 4 находится на одной оси с генератором. В возможном варианте осуществления вал отбора мощности также служит в качестве вала ротора генератора постоянного тока. Два высокоскоростных подшипника на валу ротора соответственно расположены на конце отбора мощности газотурбинного двигателя с замкнутым циклом и заднем конце генератора постоянного тока. Задний конец генератора постоянного тока является концом генератора постоянного тока, который находится ближе к блоку 3 управления генератора/системы.
Вариант осуществления 3
Данный вариант осуществления отличается от предыдущих вариантов осуществления тем, что вся система электрогенератора согласно данному варианту осуществления представляет собой выполненный как одно целое модуль, который выполнен с возможностью присоединения и отсоединения как единое целое, как показано на фиг. 1. Поскольку система электрического генератора ПТ турбины, приводимой в действие сжатым воздухом, не имеет каких-либо вибрирующих частей, то во время установки вибростойкая конструкция не требуется, упрощая цельную механическую сборку и конструкцию всего транспортного средства.
В возможном варианте осуществления корпус газотурбинного двигателя с замкнутым циклом и корпус генератора постоянного тока выполнены как одно целое. Статор генератора постоянного тока крепится к корпусу газотурбинного двигателя с замкнутым циклом. Газотурбинный двигатель с замкнутым циклом поглощает тепло во время расширения сжатого воздуха, обеспечивая охлаждение статора генератора непосредственно через корпус генератора. Таким образом, генератор не требует какой-либо дополнительной рассеивающей тепло конструкции, уменьшая общий размер и вес генератора. Более того, небольшой момент инерции ротора двухполюсного явнополюсного генератора идеально подходит для мощности при сверхвысокой частоте вращения газотурбинного двигателя с замкнутым циклом для генерирования энергии, достигая высокого КПД генератора и высокой удельной мощности на единицу объема.
Вариант осуществления 4
Этот вариант осуществления отличается от предыдущих вариантов осуществления тем, что система электрогенератора дополнительно содержит устройство внешнего возбуждения, которое присоединено к генератору постоянного тока для управления возбуждением на генераторе постоянного тока. Генератор постоянного тока дополнительно выполнен с возможностью подачи выходной мощности непосредственно на шину мощности постоянного тока посредством выпрямления и отправки выходного тока и/или выходного напряжения обратно на блок управления.
Например, в данном варианте осуществления блок 3 управления генератора/системы является встроенным в двухполюсный явнополюсный генератор 2 и осуществляет управление возбуждением с помощью выходной мощности от внешней батареи питания в качестве источника возбуждения, с тем чтобы обеспечить непосредственное динамическое регулирование генерируемого тока (называемого выходным током, постоянным током и т. д.) или генерируемого напряжения (называемого выходным напряжением, напряжением постоянного тока и т. д.) в соответствии с требуемой мощностью.
Вариант осуществления 5
Этот вариант осуществления отличается от предыдущих вариантов осуществления тем, что режимы управления блока 3 управления генератора/системы включают в себя режим генерирования с постоянным током, режим генерирования с постоянным напряжением, режим генерирования с постоянной мощностью и т. п.
В возможном варианте осуществления блок управления дополнительно выполнен с возможностью получения от шины CAN команды для активации генерирования энергии, которая дает указание блоку управления управлять регулирующим клапаном воздухозаборника для открытия или закрытия и определять режим генерирования системы, включая по меньшей мере одно из следующего: режим генерирования с постоянным током, режим генерирования с постоянным напряжением, режим генерирования с постоянной мощностью и режим генерирования с пониженной мощностью.
В возможном варианте осуществления блок управления дополнительно выполнен с возможностью определения рабочего состояния газотурбинного двигателя с замкнутым циклом согласно коэффициенту снижения мощности, когда система переходит в режим генерирования с пониженной мощностью, при этом газотурбинный двигатель с замкнутым циклом переходит в нерабочее состояние, когда генерируемая мощность составляет менее 30 % от номинальной мощности, переходит в состояние с низкой частотой вращения, когда генерируемая мощность составляет менее 50 % от номинальной мощности, и переходит в состояние номинальной мощности в других случаях.
Блок управления генератора/системы обеспечивает регулирование в замкнутом контуре для генерирования с постоянным током или генерирования с постоянным напряжением. Например, процесс управления генерированием энергии может представлять собой процесс PID (пропорционально-интегрально-дифференциального) регулирования в замкнутом контуре. В режиме управления для генерирования с постоянным током PID регулирование заключается в регулировании во внешнем контуре для генерируемого тока и регулировании во внутреннем контуре для тока возбуждения, а также принимает целевой генерируемый ток в CAN-команде, получаемой с шины CAN, в качестве цели для регулирования, чтобы быстро регулировать фактический генерируемый ток с изменениями в напряжении и ток на выходе системы. В режиме управления для генерирования с постоянным напряжением PID регулирование заключается в регулировании во внешнем контуре для генерируемого напряжения и регулировании во внутреннем контуре для тока возбуждения, а также принимает целевое генерируемое напряжение из CAN-команды в качестве цели для регулирования, чтобы регулировать фактическое генерируемое напряжение с изменениями в постоянном токе и постоянном напряжении. В режиме управления для генерирования с постоянной мощностью PID регулирование заключается в регулировании во внешнем контуре для генерируемой мощности и регулировании во внутреннем контуре для тока возбуждения, а также принимает целевую генерируемую мощность из CAN-команды в качестве цели для регулирования, для регулирования фактической генерируемой мощности с изменениями в постоянном напряжении и постоянном токе.
В соответствии с вышеприведенным система электрического генератора ПТ турбины, приводимой в действие сжатым воздухом, согласно настоящему изобретению была уменьшена в размере и имеет высокий уровень интеграции. Таким образом, система может использоваться в качестве вспомогательного источника питания в процессе разработки электромобиля, тем самым эффективно решается проблема боязни ограничения дальности поездки  электромобиля, работающего исключительно на электроэнергии. Настоящее изобретение эффективно устраняет такие недостатки, как низкая удельная мощность и высокий уровень вибрации и шума электрогенераторной системы у двигателей внутреннего сгорания, и имеет высокий показатель промышленного применения.
Ниже приведена показанная на фиг. 3 примерная последовательность операций программы главного управления настоящего изобретения.
Во-первых, система проверяет состояние CAN-команды сразу же после включения, чтобы определить имеется ли команда (301) для активации генерирования энергии. Если нет, возбуждение отключается (303), а воздушная заслонка (называемая регулирующим клапаном сжатого воздуха, регулирующим клапаном воздухозаборника, регулирующим клапаном и т. д.) закрывается, так что система переходит в режим ожидания.
Во-вторых, после получения команды для активации генерирования энергии (также называемой командой активации), система может незамедлительно открыть регулирующий клапан воздухозаборника (302) и контролировать частоту вращения турбины для определения того, достигла ли частота вращения целевого значения (305). Если частота вращения не может достичь заданной цели, система определяет максимально ли был открыт регулирующий клапан воздухозаборника. Если да, проверяют (307) давление в воздухозаборнике. Если давление в воздухозаборнике для турбинного механизма все еще не достигает требуемого уровня (308), это означает, что давление сжатого воздуха в камере турбины является недостаточным, и система переходит в режим генерирования с пониженной мощностью (309). Если регулирующий клапан воздухозаборника не был раскрыт максимально, то это означает, что отказал регулирующий клапан воздухозаборника, и может устанавливаться указатель неисправности клапана (310). В таком случае, система останавливает работу и переходит в режим остановки.
В-третьих, если частота вращения достигает заданной цели, система переходит в нормальное рабочее состояние и выполняет управление возбуждением на генераторе (311). Система определяет режим генерирования в соответствии с CAN-командой (312), например, включая режим генерирования с постоянным током, режим генерирования с постоянным напряжением и режим генерирования с постоянной мощностью.
В-четвертых, если было определено, что система должна перейти в режим генерирования с пониженной мощностью (313), рабочее состояние газотурбинного двигателя с замкнутым циклом может быть определено в соответствии с коэффициентом снижения мощности. Например, газотурбинный двигатель с замкнутым циклом переходит в нерабочее состояние, когда генерируемая мощность составляет менее 30% от номинальной мощности, переходит в состояние с низкой частотой вращения, когда генерируемая мощность составляет менее 50 % от номинальной мощности, и переходит в состояние номинальной мощности в других случаях.
Настоящее изобретение предлагает генерирование энергии с помощью сжатого воздуха в качестве мощности для приведения в действие двухполюсного явнополюсного генератора постоянного тока посредством газотурбинного двигателя с замкнутым циклом, как было описано, включая генерирование с постоянным током, генерирование с постоянным напряжением и т. п., и подходит в качестве вспомогательного источника питания для  электромобилей, работающих исключительно на электроэнергии, и т. д.
Описания различных примеров были приведены с целью иллюстрации, и не должны исчерпываться или ограничиваться описанными примерами. Множество модификаций и изменений станут очевидны специалистам в данной области без отступления от объема и сущности описанных примеров. Терминология, используемая в данном документе, была выбрана для лучшего объяснения принципов примеров, практических применений или технических улучшений по сравнению с технологиями, имеющимися на рынке, или чтобы позволить другим специалистам в данной области понять примеры, описанные в данном документе.