TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft Verbesserungen in der
Elektroenergieerzeugung mittels einer hochleistungsfähigen,
kompakten, kleinen, gasturbinengetriebenen Generatorgruppe in
Verbindung mit Batterien, Schwungrädern oder anderen
Energiespeichermitteln. Dieses System liefert die
Antriebsenergie für eine Vielzahl von Einsatzgebieten, von
selbstgetriebenen Fahrzeugen bis zu alleinstehenden
Generatorgruppen zum ökonomischen Erzeugen von elektrischem
Strom.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Der Wirkungsgrad kompakter Gasturbinenmotoren wurde
nachgewiesen durch Einsatz in nichtmilitärischen Fahrzeugen
wie z. B. in Automobilen, Bussen und Lastkraftwagen.
Konstrukteure wie z. B. Ford, General Motors, Chrysler, BMW,
Mercedes Benz, Rover, Garret und andere haben sie gebaut und
getestet. Aber, wegen den Kosten der Gasturbine und den
zugehörigen Einbaukosten, war niemand in der Lage sie in
grosser Stückzahl für die Automobilindustrie herzustellen.
Bisher war der Einsatz solcher Triebwerkssysteme nur für
militärische Zwecke möglich.
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Elektrofahrzeuge werden nunmehr gesetzlich
vorgeschrieben. Im Jahr 1998 müssen 2% aller Fahrzeuge die
im Staat Kalifornien von Konstrukteuren ausgeliefert werden,
die mehr als 35.000 Fahrzeuge pro Jahr verkaufen, frei von
Schadstoffemissionen sein. In den Jahren 2001 und 2003 erhöht
sich die Vorschrift für die Null-Schadstoffemission auf 5%
bzw. 10%. Solche Fahrzeuge ohne Schadstoffemission sind
mutmasslich elektrisch angetrieben, da von Batterien
gelieferte Energie keine Schadstoffe wie NOx, CO oder
Kohlenwasserstoffe freisetzen.
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Das Problem mit dem elektrisch angetriebenen Fahrzeug
ist, dass es keine zufriedenstellende Reichweite aufweist,
wenn die Antriebsenergie von den heute zur Verfügung
stehenden Batterien geliefert wird. Da die
Wiederaufladezeitmehrere Stunden in Anspruch nimmt sind elektrische Fahrzeuge
ungeeignet zum Einsatz auf langen Fahrstrecken. Falls
Klimatisierung oder Heizung erforderlich ist kann die
Reichweite weiter herabgesetzt sein, bis zu einem Drittel
oder mehr. Demgemäss kann in dem Hybrid-Elektrofahrzeug, eine
Hilfsenergieeinheit, in Form einer kleinen
Gasturbinengeneratorgruppe, als zweite elektrische
Energiequelle, in Verbindung mit der Batterie benutzt werden.
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Gemäss der grundlegendsten Ausführungsform dieser Bauart
des Hybrid-Elektrofahrzeuges ist die kleine
Gasturbinengeneratorgruppe ein Reichweitenverlängerer. Das
Fahrzeug hat die Batterien, um die Elektroenergie für den
normalen Fahrbetrieb zu liefern. Wenn das Fahrzeug nur auf
kurzen Strecken eingesetzt wird, wie z. B. zum Hin- und
Herpendeln zwischen der Wohnung und der Arbeitsstelle oder
auf Einkaufsfahrten, würde die kleine Gasturbine nicht in
Betrieb genommen werden. Wenn aber die Batterie bis auf einen
vorbestimmten Wert entladet ist würde die Gasturbinengruppe
ihren Betrieb aufnehmen und die Reichweite verlängern. In der
Tat, falls die Gasturbinengeneratorbaugruppe eine angepasste
Leistung aufbringt, kann die Reichweite derjenigen eines
herkömmlichen Fahrzeuges entsprechen sogar falls
Luftkklimatisierung oder Heizung nötig ist.
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Leider hat die Mehrzahl der kleinen
Gasturbinentriebwerke eine Konstruktionsweise, die von Natur
aus teuer ist. Im Wesentlichen alle Gasturbinentriebwerke,
die bisher in Strassenfahrzeugen eingesetzt worden sind haben
freie Antriebsturbinen und Vielgang-Untersetzungsgetriebe mit
Rückwärtsgang zur Kraftübertragung. Diese
Gasturbinentriebwerke haben im Allgmeinen zusätzliche
Getriebesysteme für eine grosse Vielfalt von motorgetriebenen
Zusatzaggregaten. Alle besitzen vollständige und komplizierte
Schmiersysteme mit Pumpen, Ölkühlern, Ölbehältern und
dergleichen. Alle haben komplizierte Steuereinrichtungen zur
Drehzahlregelung von zwei separaten Rotoren und zur maximalen
Beschleunigung des Gaserzeugerrotors ohne Überhitzung.
Vielehaben variable Geometrien in dem Verdichterdiffusor oder am
Turbineneinlass, um die Ansprechzeit und den Wirkungsgrad bei
Teillastbetrieb zu verbessern. Einige sind mit
Kraftübertragungskupplungen versahen. Gasturbinentriebwerke
zum Einsatz in Kraftfahrzeugen sind gemäss dem Stand der
Technik mit einem Rotationsregenerator versehen, um den
Triebswerkwirkungsgrad zu verbessern. Diese Regeneratoren
sind sehr teuer und sind von Natur aus mit dem Problem der
Dichtungsleckage behaftet.
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Demgemäss ist ein kleines Gasturbinentriebwerk als
Energieerzeuger erwünscht. Nötig ist auch ein Energieerzeuger
welches kein Getriebe, kein Schmiersystem, keine flüssige
Kühlmittel und keine motorgetriebenen Zusatzgeräte aufweist.
Ausserdem ist ein Energieerzeuger erwünscht, der
erschwinglich und kompakt ist, sowie als leichtes Kraftpaket
mit geringen Emissionen zur Verfügung steht, das zur
Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt werden kann sowie
zur Verlängerung der Reichweite von Elektrofahrzeugen, um an
die Reichweite der herkömmlichen Kraftfahrzeuge,
Lastkraftwagen oder Busse heranzukommen oder diese zu
übertreffen.
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Die vorliegende Erfindung löst alle diese Probleme in
einer neuen und einzigartigen Art und Weise mit ökonomisch
erschwinglichen Kosten. Einige verwandte Patentschriften
betreffend Gasturbinentriebwerke und Rekuperatoren werden im
Folgenden beschrieben:
US Patentschrift 5,082,050 erteilt an C. T. Darragh am
21. Januar 1992
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Dieses Patent betrifft einen kreisförmigen
Wärmetauscher, der gestaltet ist zum Verbessern des
Wirkungsgrades eines Triebwerkes durch Verwendung der Wärme
der Auslassgase zum Vorheizen der Ansaugluft. Der
kreisförmige Wärmetauscher besitzt eine Vielzahl von
gleichförmig beabstandeten einzelnen Zugringen, die um den
Aussenteil des Kernes des Wärmetauschers angeordnet sind, und
eine Vielzahl von Druckringen, die am Innenteil des Kernes
vorgesehen sind, um den Kräften zu widerstehen, die bestrebt
sind die Wärmetauscherkanäle voneinander zu trennen. Die
Zugringe und Druckringe sind in Berührung mit dem Kern und
somit in Wärmeübertragungsbeziehung mit dem Geberfluid. Die
Zugringe dehnen sich aus und ziehen sich zusammen in
Abhängigkeit von den Temperaturänderungen des Geberfluids und
halten die Ausübung einer vorbestimmten Kraft auf den Kern
des Wärmetauschers aufrecht.
US Patentschrift 4,993,223 erteilt an K. Kretzinger am
19. Februar 1991
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Dieses Patent betrifft einen Umfangsrekuperator zur
Anwendung in Verbindung mit einem Turbinentriebwerk. Der
Umfangsrekuperator ist aus einer Vielzahl von aufeinander
gestapelten Formplatten aufgebaut, die abwechselnd radial
ausgerichtete Auslasskanäle mit zum Teil in Umfangsrichtung
ausgerichteten, dazwischen liegenden Luftkanälen in
Wärmetauscherbeziehung miteinander bringen. Die Luftkanäle
enthalten des Weiteren im Wesentlichen Z-förmige
Rippenkanäle, die axial ausgerichtete Einlass- und
Auslassleitungen in dem ringförmigen Kern des Rekuperators
miteinander verbinden.
US Patentschrift 4,470,453 erteilt an R. Laughlin et al.
am 11. September 1984
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Dieses Patent betrifft ein Wärmetauschergerät mit einer
Vielzahl von Platten durch welche Wärme ausgetauscht wird von
einem ersten Gas auf ein zweites Gas, und hat eine Vielzahl
von Platten, die erste und zweite gegensinnige Muster
aufweisen. Jedes der gegensinnigen Muster ist mit einer
Vielzahl von sinusförmigen Oberflächenrippen versehen, damit
das zweite Gas längs einem im Wesentlichen sinusförmigen Weg
in einer ersten Richtung längs einer ersten Seite des ersten
und zweiten Musters zwischen der ersten und der zweiten
Platte strömt und das erste Gas längs einem im Wesentlichen
sinusförmigen Weg in einer zu der ersten Richtung
entgegengesetzten Richtung entlang der anderen Seite der
ersten und der zweiten Platte strömt. Das erste und das
zweite Muster sind mit Dichtrippen versehen, die aneinander
anliegen, wobei die Dichtrippen so angeordnet sind damit sie
einen Einlass und einen Auslass für das zweite Gas bilden,
wenn die Platten in dem Wärmetauschergerät montiert sind.
US Patentschrift 2,368,732 erteilt an A. G. Wallgren am
06. Februar 1945
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Dieses Patent betrifft einen Wasserkühler zum Einsatz im
Zusammenhang mit einem Verbrennungsmotor, und ist gestaltet
zur Ableitung von grossen Wärmeenergiemengen bei kompakter
Grösse. Der Wasserkühler hat einen Ring von stationären
Leitschaufeln, welche angeordnet sind, um der Luftströmung
die erwünschte Richtung zu erteilen. Des Weiteren hat dieser
Wasserkühler eine Vielzahl von Metallplatten, die
rechtwinklig zu der Motorwelle und der Lüfterwelle angeordnet
sind, und Kanäle bilden, um die Kühlluft und warme
Flüssigkeit vom Motor in Wärmetauscherbeziehung zu bringen.
US Patentschrift 2,939,686 erteilt an J. Wildermuth am
07. Juni 1960
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Dieses Patent beschreibt eine Wärmetauscherfläche mit
zugehörigen Platten, die im Wesentlichen halbkugelförmige
Erhebungen aufweisen, welche eine Störfläche bilden, über die
die zu kühlende Flüssigkeit strömen muss und welche Platten
in Abstand voneinander angeordnet sind. Die Erhebungen sind
in einem symmetrischen Muster, aber ausreichend aussermittig
angeordnet damit, wenn aufeinanderfolgende Platten gewendet
werden, die Erhebungen der einen Platte an einem nicht
ausgebuckelten Bereich der nächsten, benachbarten Platte
anliegen. Jede Platte ist mit einer Vielzahl von
Dichtungsnuten versehen, wobei längsweise verlaufende Nuten
entlang jeder Seite des mit den Erhebungen versehenen
Wärmetauscherbereiches vorgesehen sind. Der oben beschriebene
Wärmetauscher dient hauptsächlich zur Milchkühlung, mittels
kühlem Brunnenwasser, das zwischen den oben beschriebenen
Platten hindurchgeführt wird.
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In dem SAE TECHNICAL PAPER SERIES No. 920441, vom
28. Februar 1992, (SAE International, Warrendale, PA), ROBIN
MACCKAY "Gas Turbine Generator Sets for Hybrid Vehicle",
Seiten 19-24, ist eine Gasturbinenenergiegeneratorgruppe
gemäss dem Teil vor dem kennzeichnenen Teil des unabhängigen
Anspruches 1 beschrieben. Der Umfangsrekuperator dieser
bekannten Energiegeneratorgruppe hat einen Balgen zwischen
einem inneren und einem äusseren Rohr, zum Bilden von inneren
und äusseren Umfangskanälen zwischen dem Balgen und den
Rohren. Die Rohre haben Einlass- und Auslasskanäle, die mit
den Umfangskanälen kommunizieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine kleine
Gasturbinengeneratorgruppe mit drei modularen
Hauptuntergruppen, eine Rotationsgruppe, eine
Verbrennungseinrichtung, und einen Umfangsrekuperator, gemäss
dem unabhängigen Anspruch 1.
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Die Rotationsgruppe hat einen Alternator-Rotor, einen
Verdichterläufer und ein Turbinenrad. Diese Modulgruppe hat
einen Alternator-Rotor auf einer gemeinsamen Welle mit einem
Turbinenrad und einem Verdichterläufer, die, gemäss einem
Ausführungsbeispiel, durch doppelwirkende
Federfolienschublager und ein Federfolienradiallager getragen
ist. Der Alternatorteil der Welle, getragen durch zwei
Federfolienradiallager, dreht in dem Alternator-Stator, der
durch Kühlrippen getragen ist. Der Verdichter der
Rotationsbaugruppe ist nicht mit der herkömmlichen Schnecke
oder Spirale am Verdichterauslass versehen und die Turbine
weist nicht das herkömmliche Einlassgehäuse am
Turbineneinlass auf, wie in bekannten Turbinen und
Verdichtern angetroffen. Infolge der gegenseitigen
Kompatibilität und der Modularität der Bauteile werden die
dem Verdichterauslass und dem Turbineneinlass zugeordneten
Luftströmungswege einerseits beim Einbau der Rotationsgruppe
in den Rekuperator und andererseits beim abschliessenden
Einbau der Verbrennungseinheit geformt, die den Endverschluss
für die Turbineneinlassluft bildet, wie noch später
beschrieben wird.
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Der Rekuperator besteht aus einer Vielzahl von
gelöcherten Trennfolien oder Platten, angeordnet zur Bildung
der Strömungskanäle, Leitungen und der Struktur für den
Bestand eines unterschiedlichen Druckes zwischen der kalten
Hochdruckseite und der Hochtemperaturniederdruckseite einer
jeden Folie oder Platte des Rekuperators. Die
Wärmetauscherflächen jeder Folie haben Buckel oder
Vertiefungen, die vorgesehen sind, um die
Wärmeübergangskoeffizienten zu verbessern und die Folien
strukturell in Abstand voneinander zu halten. Die Folien sind
so gestaltet, damit eine einzige Folienform zum Aufbau des
gesamten Rekuperatorkernes eingesetzt werden kann durch
Aufeinanderstapeln der gelöcherten Folien, so dass jeweils
zwei benachbarte gelöcherte Folien in dem Stapel
Spiegelbilder sind. Auf diese Weise ist eine Seite des
Rekuperators getragen durch die geformten, gegenüberliegenden
Buckel. Diese Abstützung kann entweder unter Druckspannung
sein, wenn es die Niederdruckseite ist oder unter Zugspannung
sein, nach dem Verlöten, wenn es die Hochdruckseite ist. Jede
Folie kann um ihren Umfang und um die Leitungskanalteile mit
angeformten Dichtungskanälen versehen sein, oder separate
Dichtringe können eingebaut werden. Nachdem die Folien
aufeinandergestapelt sind zum Formen des Kernes, wird die
Einheit verlötet zum Fertigstellen der Abdichtung zwischen
den Hoch- und Niederdruckströmungsabschnitten und zum Bilden
der Fluidkanäle oder was sonst in herkömmlichen Rekuperatoren
die Leitung umfassen würde.
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Der Umfangsrekuperator ist einheitlich aufgebaut und
umgibt die Rotationsgruppe und die Verbrennungseinheit des
Gasturbinengenerators und dient zur Vorwärmung der
einströmenden Luft bevor sie in die Verbrennungseinrichtung
des Triebwerkes gelangt. Der Umfangsrekuperator hat eine
Vielzahl von gegabelten Umfangswegfluidkanälen. Ein Fluid ist
die Hochdruckluft von dem Gasturbinenverdichter, die durch
eine Seite des Rekuperators strömt, und das
Niederdruckturbinenauslassgas ist das andere Fluid, das durch
den anderen Fluidkanal fliesst. Die Leitungen oder
Fluidkanäle für die zwei Fluidströme sind integral in den
Folien geformt. Diese Rekuperatorbauart gestattet den
Fluidstromeinlass an jedem Ende des Rekuperators oder an
irgendeiner Stelle entlang seiner Länge. Der
Umfangsrekuperator ist gestaltet für eine hochwirksame
Wärmeübertragung. Die Wärme wird übertragen von dem
Hochtemperaturauslassgas zu der kühleren Verdichterluft durch
die gegabelte Umfangsströmung. Der Umfangsgenerator
verbessert dementsprechend den Triebwerkswirkungsgrad,
insbesondere durch Herabsetzung des Kraftstoffverbrauches.
Diese Verbesserungen des allgemeinen Triebwerkswirkungsgrades
werden erzielt durch die Wirksamkeit der Wärmeübertragung in
dem Umfangsrekuperator, bei Minimisierung seines Gewichtes
und des Druckabfalles in dem Rekuperator. Des Weiteren wirkt
die Gesamtgestaltung zur Schalldämpfung sowie zum sicheren
Schutz der Umgebung, für den Fall, dass Teile der
Rotationsbaugruppe abbrechen und durch die Hauptumhüllung
nach aussen geschleudert werden.
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Der Vorteil der Krafteinheit gemäss der Erfindung ist,
dass sie die Integrierung des Strömungsweges für die
Verbrennungseinrichtung und die Rotationsbaugruppe in dem
Zentrum des Umfangsrekuperators erlaubt.
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Es ist demensprechend eine Aufgabe der Erfindung eine
Gasturbinengeneratorgruppe zu schaffen.
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Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es eine
gasgefeuerte Turbinengeneratorgruppe zu schaffen zur
Anwendung als Fahrzeugantrieb.
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Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es eine
Gasturbinengeneratorgruppe zu schaffen, die eine
Modulkonstruktionsweise aufweist, mit Federfolienlagern,
einstufigen Komponenten und einem Umfangsrekuperator.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es eine
Gasturbinengeneratorgruppe zu schaffen, welche während seiner
Lebensdauer weniger regelmässig durchzuführende
Wartungsarbeiten verlangt als Generatorgruppen, die zur Zeit
hergestellt werden.
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Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es eine
Gasturbinengeneratorgruppe zu schaffen, die kostengünstiger
hergestellt werden kann als zur Zeit im Handel erhältliche
Generatorgruppen.
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Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es eine kleine
Gasturbinengeneratorgruppe zu schaffen, die mittels
Federfolienlagern auf einer gemeinsamen Welle gleichzeitig
einen Alternator-Rotor, einen Verdichterläufer und ein
Turbinenrad trägt.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es eine
Gasturbinengeneratorgruppe zu schaffen, die es erlaubt den
Strömungsweg für die Verbrennungseinrichtung und die
Rotationsbaugruppe beim Einbau in einen Umfangsrekuperator
einzubeziehen.
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Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es eine
Gasturbinengeneratorgruppe zu schaffen, dessen
Verbrennungseinrichtung eine Strömungswegintegrierung
aufweist, die entweder den Einsatz einer herkömmlichen
Brennkammer mit magerer Vorvermischung oder einer
katalytischen Brennkammer erlaubt, welche die Emissionswerte
wesentlich herabsetzt bis weit unter die zur Zeit zulässigen
Emissionswerte für kleine Gasturbinentriebwerke.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es den Stator und
den Rotor des Alternotors zu kühlen durch den
Verdichteransaugluftstrom, der über eine Vielzahl von
Statorkühlrippen, die den Stator des Alternators umgeben und
entlang einen Luftströmungsweg zwischen dem Stator und dem
Rotor fliesst. Die Kühlung der Statorendwindungen erfolgt
durch einen Teil der Gasströmung, die durch die Lagerträger
fliesst.
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Allgemein ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
eine kleine Gasturbinengeneratorgruppe zu schaffen, die kein
Getriebe, kein Schmiersystem, keine flüssigen Kühlmittel und
keine triebwerksgetriebene Zusatzgeräte aufweist, die
erschwinglich und kompakt ist, ein geringes Gewicht hat und
ausserdem geringe Emissionswerte aufweist und als
alleinstehende Generatorgruppe dienen kann oder auch
eingesetzt werden kann zur Verlängerung der Reichweite von
Elektrofahrzeugen, um an die Reichweite der herkömmlichen
Kraftfahrzeuge, Lastkraftwagen und Busse heranzukommen oder
diese zu übertreffen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist eine Ansicht in Perspektive, zum Teil
aufgebrochen zur Darstellung der Modulbauteile der
Gasturbinengeneratorgruppe gemäss der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 1A ist eine Ansicht im Schnitt der
Gasturbinengeneratorgruppe nach Fig. 1;
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Fig. 2 ist eine Ansicht im Schnitt des Rekuperators
gemäss der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2A.1 ist eine auseinandergezogene Darstellung
eines allgemeinen Abschnittes der Umfangsrekuperatorbaugruppe
gemäss der Fig. 2;
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Fig. 2A.2 ist eine auseinandergezogene Darstellung des
Verdichterauslassabschnittes der Umfangsrekuperatorbaugruppe
gemäss der Fig. 2;
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Fig. 2B zeigt die dünnen Trennfolien der
Rekuperatorbaugruppe gemäss der Fig. 2A.1 wobei Kreise mit
einem x Buckel darstellen, die sich nach oben aus der
Zeichenebene erheben und Kreise mit einem 0 Vertiefungen
darstellen, die sich aus der Zeichenebene nach unten
erstrecken;
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Fig. 2C zeigt die gegenüberliegende Seite der dünnen
Trennfolien gemäss der Fig. 2B;
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Fig. 2D zeigt den inneren und den äusseren
Hochdruckdichtring der Umfangsrekuperatorbaugruppe gemäss den
Fig. 2A.1, und 2A.2;
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Fig. 2E zeigt den äusseren und den inneren
Niederdruckdichtring der Umfangsrekuperatorbaugruppe gemäss
3
dar Fig. 2A.1;
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Fig. 2F zeigt wie die allgemeine dünne Trennfolie
örtlich modifiziert ist zum Einleiten der
Verdichterauslassströmung in die Hochdruckseite der
Umfangsrekuperatorbaugruppe gemäss der Fig. 2;
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Fig. 2G zeigt die gegenüberliegende Seite der dünnen
Trennfolie gemäss der Fig. 2F;
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Fig. 2H zeigt den Niederdruckdichtringsatz, der den
Verdichterauslasslufteinlass in die
Umfangsrekuperatorbaugruppe gemäss der Fig. 2 bildet;
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Fig. 21 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der zum
Aufbau des Rekuperators gemäss der Fig. 2 benutzten dünnen
Trennfolie;
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Fig. 2J ist eine Schnittdarstellung der dünnen
Trennfolie längs der Linie 20-20 gemäss der Fig. 21;
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Fig. 2K ist eine Schnittansicht der dünnen Trennfolie
längs der Linie 30-30 nach Fig. 21;
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Fig. 3 ist eine Schnittansicht der Rotationsbaugruppe
gemäss der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 3A ist eine auseinandergezogene Darstellung der
Hauptbauteile der Rotationsbaugruppe gemäss der vorliegenden
Erfindung;
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Fig. 3B ist eine Schnittansicht des
Verdichtereinlassgehäuses, des Alternator-Stators und des
Federfolienlagerträgers gemäss der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 3C ist eine vergrösserte Teilansicht im Schnitt
des Verdichtereinlassgehäuses gemäss der Fig. 3B;
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Fig. 3D ist eine Schnittansicht des
Verdichtereinlassgehäuses längs der Linie 40-40 nach Fig. 3C
und zeigt den Verdichterdiffusor;
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Fig. 4 ist eine Schnittansicht des Alternator-Rotors
gemäss der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 4A zeigt die dünnen Lamellenfolien, aus welchen
der Alternator-Stator der vorliegenden Erfindung aufgebaut
ist;
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Fig. 4B zeigt eine Federfolienlagerbaugruppe, die den
Alternator-Rotor der vorliegenden Erfindung trägt.
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Fig. 4C ist eine Endansicht der Statorkühlrippen des
Alternator-Stators gemäss der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 5 ist eine Schnittansicht des Turbinenrades gemäss
der vorliegenden Erfindung
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Fig. 5A ist eine Endansicht, längs der Linie 50-50 nach
Fig. 5 und zeigt die Schaufeln des Turbinenrades.
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Fig. 6 ist eine Schnittansicht des stationären
Mantelringes und Auslassabschnittes der Turbine gemäss der
vorliegenden Erfindung;
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Fig. 6A ist eine Endansicht der Strömungskanäle des
Turbinenleitschaufelkranzes längs der Linie 60-60 nach Fig.
6;
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Fig. 7 ist eine Schnittansicht der Hauptwelle gemäss
der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 7A ist eine auseinandergezogene Schnittansicht des
Lagergehäuses, welches die Federfolienlager für die
Hauptwelle gemäss der Fig. 7 trägt;
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Fig. 8 ist eine Schnittansicht der Brennkammerbaugruppe
gemäss der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 9 ist eine schematische Darstellung des
Luftströmungsweges des Triebwerkes gemäss der vorliegenden
Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
BAUGRUPPEN DES GENERATORSYSTEMS
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Im Allgemeinen besteht die Generatorbaugruppe gemäss der
Erfindung im Wesentlichen aus drei Modulen und ist einfach zu
reparieren durch einfaches Ersetzen der schadhaften Module.
Wie in Fig. 1 gezeigt umfasst die erste Moduleinheit den
Rekuperator 110 die zweite Moduleinheit die
Rotationsbaugruppe 104 und die dritte Moduleinheit die
Brennkammerbaugruppe 700.
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Einem Ausfall irgendeiner Baugruppe kann schnell
abgeholfen werden, wie aus folgender Beschreibung hervorgeht,
durch einfaches Ersetzen des schadhaften Moduls.
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Das Gesamtsystem wird nun in allgemeiner Form
beschrieben.
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Fig. 1A zeigt schematisch eine Schnittansicht der
Gasturbinengeneratorgruppe 100 gemäss der vorliegenden
Erfindung.
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Nach dem Anlassen saugt der Verdichterläufer 312
Umgebungsluft an durch den Alternator-Stator 202, wie durch
den Pfeil 102 dargestellt ist. Durch den Verdichterläufer 312
verdichtete Luft wird dann dem Leitungsabschnitt der
Umfangsrekuperatorbaugruppe 110 zugeführt, worin sie durch
die Triebwerksauslassgase vorgewärmt wird. Die vorgewärmte
Verdichterluft vom Umfangsrekuperator 110 gelangt
anschliessend in die Brennkammerbaugruppe 700. In der
Brennkammerbaugruppe 700 wird die vorgewärmte, verdichtete
Luft mit Kraftstoff aus einem Kraftstofftank (nicht
dargestellt) vermischt und verbrannt zur Erzeugung von
heissem Gas. Das heisse Hochdruckgas treibt das Turbinenrad
400 an zur Erzeugung einer mechanischen Ausgangsleistung.
Diese Ausgangsleistung dient zum rotativen Antrieb des
Verdichterläufers 312 und des Alternator-Rotors 222, der in
dem Alternator-Stator 202 dreht, wodurch elektrische Energie
erzeugt wird. Das vom Turbinenrad 400 abströmende Auslassgas
gelangt in den Leitungsabschnitt des Umfangsrekuperators 110
und wird auf eine Vielzahl von Umfangsauslassgaskanälen 116
verteilt, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben, und
wird danach in die Umgebung abgegeben.
REKUPERATOR
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In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der
Rekuperator 110 gemäss der Erfindung ein
Gegenstromwärmetauscher, der einen wesentlichen Teil der zur
Verfügung stehenden Wärme von den Auslassgasen auf die
Verdichtereinlassluft überträgt. Dies setzt den
Kraftstoffverbrauch in der Brennkammerbaugruppe herab und
steigert den Wirkungsgrad der Turbinengeneratorgruppe 100.
Durch das Vorhandensein des Rekuperators ist es möglich einen
Triebwerkswirkungsgrad zu erreichen, der dem Wirkungsgrad
eines Verbrennungsmotors entspricht oder höher ist.
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Wie in Fig. 2 gezeigt hat der Rekuperator 110 einen
Umfangskern 118, in welchem Wärme übertragen wird durch enge,
Seite an Seite liegende Umfangskanäle 116 und 140. Die
Druckfluidkanäle 116 und 140 trennen die Auslassgase, die
nahezu atmosphärischen Druck aufweisen, von der
Verdichtereinlassluft, die in dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel unter einem Druck von etwa drei
Atmosphären steht. Heisses Auslassgas strömt in den
Rekuperator 110 ein und teilt sich auf, so dass es sowohl im
Uhrzeigersinn und auch im Gegenuhrzeigersinn halbwegs um den
inneren Umfang der Vielzahl von Niederdruckumfangskanälen 116
fliessen kann bevor es sich wieder miteinander vereinigt und
austritt. Die Brennkammereinlassluft tut das Gleiche auf der
7 Aussenfläche der Strömungskanäle 116 durch die Vielzahl der
Hochdruckumfangskanäle 140 in entgegengesetzter Richtung, so
dass der Wärmetauscher ein echter Gegenstromwärmetauscher
ist.
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Die Fig. 2A.1 zeigt eine Teilansicht in
auseinandergezogener schematischer Darstellung der
Hauptbauteile des Umfangsrekuperators 110. Gemäss einem
Ausführungsbeispiel besteht der Umfangsrekuperator 110 aus
insgesamt fünf einzelnen Bauteilen, die aufeinandergestapelt
sind, um das Ganze zusammenzusetzen. Diese Bauteile sind die
im Wesentlichen dünnen, gelöcherten Trennplatten oder Folien
122 gemäss den Fig. 2B und 2C, und die äusseren und
inneren Kompressions-Dichtringe 124 bzw. 125 gemäss der Fig.
2B sowie die äusseren und inneren Auslass-Dichtringe 126 bzw.
127, gemäss der Fig. 2E. Die gelöchterten Folien 122, in
Kombination mit den inneren Dichtringen 125 und 127 bilden
eine zentrale Öffnung 132. Wenn aufeinandergestapelt bilden
diese Bauteile einen mittleren Raum oder eine Kammer 132, wie
in Fig. 2 dargestellt, zur Aufnahme der Rotationsgruppe 200
und der Brennkammergruppe 700.
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Wie die Fig. 2B und 2C zeigen hat die Folie 122 an
jedem Ende im Wesentlichen ellipsenförmige
Hochdruckleitungsöffnungen 128, die angrenzend an die
mittlere Öffnung 132 vorgesehen sind, sowie im Wesentlichen
ellipsenförmige Niederdruckleitungsöffnungen 130, die
angrenzend und in Ausrichtung mit den Einlassöffnungen 128
angeordnet sind. Wie die Fig. 2B zeigt befinden sich auf
einer Seite der Trennfolie 122 voneinander beabstandete
Buckel oder Vertiefungen 136, die vorgesehen sind, um
benachbarte Trennfolien 122 in Abstand voneinander zu halten,
sowie zur Verbesserung der Wirksamkeit des Wärmeüberganges
der Baugruppe 110. Beim Aufeinanderstapeln der Folien 122
werden aufeinanderfolgende Folien in Bezug auf die
benachbarten Folien gewendet. Auf diese Art und Weise werden
der Rekuperatorkern 118 und die Kammer 132 geformt.
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Wie in Fig. 2A.1 gezeigt sind die Niederdruckkanäle 116
des Rekuperators 110 geformt durch Aufeinanderlegen der
aufeinanderfolgenden Folien, damit die ausgebuckelten Seiten
der Folien 122 sich gegenseitig berühren und durch Anordnen
der inneren und äusseren Ringe 126 und 127 zwischen den
Folien. Die Hochdruckkanäle 140 sind geformt durch Einfügen
der inneren und äusseren Ringe 125 und 124 zwischen
aufeinanderfolgende Sätze der Niederdruckkanäle. Diese
Prozedur wird fortgesetzt damit jede der abwechselnd
aufeinandergestapelten Folien 122, aus welchen der
ringförmige Kern 118 aufgebaut ist, einen
Hochdruckströmungsabschnitt 140 bildet, der durch die
halbkugelförmigen Vertiefungen 136 gestützt ist während die
gegenüberliegende Seite einen Niederdruckströmungsabschnitt
116 ist.
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Nachdem die Folien 122 und Ringe 124, 125, 126 und 127
aufeinandergestapelt sind zum Formen des ringförmigen Kernes
118 wird die Baugruppe verlötet, zum Vollenden der Abdichtung
zwischen den Hoch- und Niederdruckströmungsabschnitten. Die
Einlass- und Auslassöffnungen 128 und 130 bilden einen
axialen Hochdruckfluidkanal 144 und einen axialen
Niederdruckfluidkanal 142. Für Montagezwecke kann eine
Rekuperatorendflächenplatte 146 an einem oder an beiden Enden
des Rekuperators 110 vorgesehen sein.
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Wie die Fig. 2 zeigt ist ein Fluideinlasskanal 112 des
Rekuperators 110 geformt durch Ersetzen der Folien 122 durch
eine Fluideinlassfolie 158 mit einer erweiterten, mittleren
Öffnung 132, damit sie eine Einlassöffnung 128 mit umfasst,
wie in den Fig. 2F und 2G dargestellt. Beim Aufbau des
zentralen Abschnittes des ringförmigen Kernes 118 wird eine
Vielzahl der Folien 122 durch Fluideinlassfolien 158 ersetzt
und ein Fluidkanalinnenring 160, in Fig. 2H dargestellt,
ersetzt den inneren Auslass-Dichtring 126, um den
ringförmigen Kanal 112 für komprimiertes Fluid in dem
zentralen Teil des Rekuperators 110 zu bilden.
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Wie in Fig. 2 gezeigt, ist gegenüberliegend zur
Endflächenplatte 146 eine Endplatte 148 vorgesehen mit einer
Auslassöffnung 152 durch die die heissen Auslassgase in die
Umgebung ausströmen. Eine Verdichtertragplatte 150 ist
zwischen zwei Dichtringsätzen angeordnet. Auf der
Verdichterauslassseite der Tragplatte 150 sind Dichtringe
127, 160, 124 und 125 und Trennfolien 158 zusammengebaut zum
Bilden des Kanals 112 für verdichtetes Fluid. Eine
Übergangsplatte 157 befindet sich zwischen den
Dichtringsätzen 160-127 und 126-127, um den allgemeinen
Zusammenbau der Dichtringe und der Trennfolien des
Rekuperators 110 zu erlauben. Die Verdichtertragplatte 150
begrenzt die gleiche mittlere Öffnung 132 zur Aufnahme der
Rotationsbaugruppe 200 und hat des Weiteren einen angelöteten
Verdichtertragring 156 zum Tragen der Rotationsbaugruppe 200,
die noch im Späteren ausführlicher beschrieben wird.
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Gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel, das in den
Fig. 2I und 2J sowie 2K dargestellt ist, können die
Einlass- und Auslassöffnungen 128 und 130 geformt sein, um
Einlass- und Auslassrandrippen 166 bzw. 168 aufzuweisen, die
sich um die Öffnungen erstrecken. Ausserdem können die
inneren und äusseren Ränder der Folien 122 gestanzt sein,
damit sie auch innere und äussere Randrippen 170 und 172
aufweisen. Die Rippen ersetzen die vorher beschriebenen
Kompressions- und Auslass-Dichtringe 124, 125, 126 und 127.
Die Folien 122 sind miteinander verlötet, wie bei dem
bevorzugten Ausführungsbeispiel, zum Formen des Rekuperators
110, wobei die Rippen als Dichtmittel dienen zum Formen der
axialen und zirkumferentialen Auslass- und Einlassgaskanäle
116 und 140.
ROTATIONSBAUGRUPPE
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Die Fig. 3 zeigt die Rotationsbaugruppe 201, welche die
Rotationsgruppe 200 umfasst, vor dem Einsatz in die Kammer
132 des Umfangsrekuperators 110. Das Verdichtergehäuse 310
ist durch eine Vielzahl von voneinander beabstandeten
Verdichterbolzen 552 an dem Schub- und Radialluftlagergehäuse
550 festgeschraubt. Das zusammengefügte Lagergehäuse 550 und
Verdichtergehäuse 110 wird dann durch voneinander
beabstandete Bolzen 411 an einem Turbinengehäuse 412
festgeschraubt. Die vorher erwähnten Gehäuse 310, 550 und 412
sind in Bezug aufeinander längs einer Linie miteinander
verbunden, damit der Alternator-Rotor 222, der
Vardichterläufer 112 und das Turbinenrad 400 um eine
gemeinsame mittlere Achse 622 drehen können. Des Weiteren ist
zwischen dem Lagergehäuse 550 und dem Turbinengehäuse 412
eine Brennkammerhaube 712 festgeschraubt.
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Die Rotationsgruppe 200 der vorliegenden Erfindung
benötigt keine freie Turbine zum Einsatz in Fahrzeugen, wie
bei dem Stand der Technik, da es nicht erforderlich ist diC
Auslasswelle zum Stillstand zu bringen wenn das Fahrzeug
stoppt. Dadurch wird ein Turbinenrad, ein Lagersatz und die
Notwendigkeit für ein Getriebe vermieden. Durch den Betrieb
des Generators mit der gleichen Drehzahl wie die Turbine und
der Verdichter können alle drehenden Bauteile auf einer Welle
montiert werden und der Bedarf an einem
Hauptuntersetzungsgetriebe, wie in herkömmlichen Ausführungen
entfällt. Da die Krafterzeugungs- und
Kraftverbraucherbauteile der Rotorgruppe auf einer
gemeinsamen Welle sitzen liegt keine seitliche Belastung vor
und es können Luftlager eingebaut werden. Wegen den
Federfolienlagern für die Rotorwelle, und da kein Getriebe
vorliegt, ist kein Schmiersystem erforderlich.
Dementsprechend wird kein Öl oder anderes Schmiermittel an
irgendeiner Stelle in der Gasturbinengeneratorgruppe 100
gemäss der vorliegenden Erfindung eingesetzt.
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Die Fig. 3A zeigt eine auseinandergezogene Darstellung
der Rotationselemente der Rotationsbaugruppe 201, und zeigt
insbesondere den Verdichterläufer 312, welcher an der
vorderen Fläche 512 des Flanschrotors 510 der Schub- und
Radialfederfolienlager anliegt, sowie das Turbinenrad 400,
das an der entgegengesetzten Fläche 514 der Welle 510 der
nachgiebigen Schub- und Radialfederfolienlager anliegt, wobei
der Verdichterläufer 312 sowie auch das Turbinenrad 400 durch
einen Zuganker 610 an der Schub- und Radialwelle 510
anliegend festgehalten sind, welcher Zuganker den
Verdichterläufer 312 und das Turbinenrad 400 durch
Zusammenpressung festhält. Des Weiteren ist der Zuganker 610
mit Presssitz in eine Aussparung 210 der Tragwelle 204
eingesetzt, und somit drehen der Alternator-Rotor 222, der
Verdichterläufer 312, die Luftlagerwelle 510 und das
Turbinenrad 400 gemeinsam.
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Ein Teil des Zugankers 610 dient als Spindelwelle 612
zwischen dem Alternator-Rotor 222 und dem Verdichterläufer
312. Die Spindelwelle 612 wirkt als Ausrichtmittel während
der Rotation mit hoher Drehzahl der Rotationsgruppe 200, wie
später noch ausführlicher beschrieben wird.
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Die einzelnen Bauteile der Rotationsbaugruppe 201 werden
im Folgenden ausführlicher beschrieben.
VERDICHTER
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Wie in Fig. 38 gezeigt ist hat das Verdichtergehäuse
310 drei Abschnitte, einen ringförmigen Alternatorabschnitt
314, einen verjüngten Abschnitt 318 und einen
Diffusorabschnitt 336. Der ringförmige Alternatorabschnitt
314 begrenzt einen ringförmigen Hohlraum mit einem
Innendurchmesser der bemessen ist zur Aufnahme des
Alternator-Stators 202 und um an diesem anzuliegen. Das
Verdichtergehäuse 310 hat des Weiteren einen
Rekuperatortragring 340, der zwischen dem ringförmigen
Alternatorabschnitt 314 und dem verjüngten Abschnitt 318
liegt. Der Rekuperatortragring 340 hat eine ringförmige O-
Ringnut 316, die bemessen ist, um einen O-Ring 320
zurückzuhalten, wie die Fig. 3B und 3C zeigen.
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Wenn das Verdichtergehäuse 310 in der Kammer 132 des
Rekuperators 110 angeordnet ist, liegt der O-Ring 320 an der
Aussenfläche des Ringes 156 der Verdichtertragwand an, wie in
Fig. 2 gezeigt. Sobald der O-Ring 320 in der Kammer 132 des
Rekuperators 110 richtig eingestellt ist, bildet der
verjüngte Abschnitt 318 eine Verdichterplenumkammer 326
zwischen dem verjüngten Abschnitt 318 und dem Fluidkanal 112
des Rekuperators 110. Der innere Teil des verjüngten
Abschnittes 318 begrenzt einen ringförmigen Kern 322, der
bemessen ist zur drehbeweglichen Aufnahme des
Verdichterläufers 312.
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Wie aus Fig. 3D ersichtlich hat der Diffusorabschnitt
336 eine Vielzahl von radial beabstandeten
Verdichterauslasskanälen 324. Die Verdichterauslasskanäle 324
bilden eine Spirale um eine Ringkammer 328 in dem
Diffusorabschnitt 336, wie in den Fig. 3C und 3D gezeigt.
Jeder der Auslasskanäle 324 beginnt mit einem kleinen Radius
328 und erweitert sich zu einem grösseren Radius 330 und
mündet in die Verdichterplenumkammer 326, die zwischen dem
verjüngten Abschnitt 318 und dem Rekuperator 110 liegt.
ALTERNATOR
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Wie in Fig. 3 gezeigt ist der Alternator-Stator 302
gemäss der vorliegenden Erfindung in dem Verdichtergehäuse
310 angebracht, gegenüberliegend der Brennkammerbaugruppe 700
und des Turbinenrades 400, wie in Fig. 1A gezeigt ist. Somit
sind die Generatormagnete 206 weit weg von der heissen
Turbine, und ihre Kühlung ist nicht erforderlich. Der Einsatz
einer Kühlflüssigkeit würde die Betriebszuverlässigkeit
gefährden und Wartungsprobleme verursachen. Die Kühlung mit
Hochdruckabzapfluft würde auch die abgegebene Leistung und
den Wirkungsgrad des Triebwerkes 100 herabsetzen.
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In der Fig. 4 ist der Alternator-Rotor 222 dargestellt,
der, wie die Fig. 1A zeigt, im Zentrum des Alternator-
Stators 202 angeordnet ist. Eine Tragwelle 204, die gemäss
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel aus einer zylindrischen
Stahlstange bestehen kann, hat in ihrem Zentrum eine Öffnung
224, die bemessen ist zur Aufnahme eines Zylindermagnetes
206. Der Magnet 206 wird festgehalten durch eine zylindrische
Hülse 208, die entweder auf die Tragwelle 204 aufgepresst
oder durch ein im Stand der Technik bekanntes
Schrumpfverfahren aufgeschrumpft ist. Eine Bohrung 210
befindet sich an einem Ende der Tragwelle 204 zur Aufnahme
der Zugankerwelle 610, wie noch ausführlicher beschrieben
wird.
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Die Fig. 4A zeigt eine einzelne, im Wesentlichen dünne,
flache Lamellenfolie 214 aus denen der Statorkörper 236
aufgebaut ist. Jede Folie 214 besteht aus magnetischem Stahl
und etwa 700 Lamellen sind aufeinandergeschichtet zum Aufbau
des Statorkörpers 236. Die flache Lamellenfolie 214 ist ein
Statorelement von einer Vielzahl von Statorelementen 218, die
sich radial nach innen erstrecken und eine etwa T-förmige
Gestalt aufweisen. Eine Vielzahl der flachen Lamellen 214
sind aufeinandergestapelt und bilden eine mittlere Öffnung
226, die bemessen ist zur Aufnahme des Aussendurchmessers der
Hülse 208 des Alternators 222. Der Innendurchmesser, der
durch die Statorelemente 218 bestimmt ist, und der
Aussendurchmesser, der durch den Alternator-Rotor 222
bestimmt ist, sind bemessen damit der Abstand dazwischen eine
maximale magnetische Kopplung gewährleistet, um somit den
Generatorwirkungsgrad zu erhöhen.
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Die dünnen, flachen Lamellenfolien 214 sind
aufeinandergestapelt zum Formen des inneren Kerns des
Alternator-Stators 202 und sind in den Kühlrippenkörper 216
eingepresst oder durch ein Wärmeschrumpfverfahren eingesetzt,
wie die Fig. 3B zeigt. Anschliessend wird der Alternator-
Stator-Draht 246 um die T-Elemente 218 der Folien 214
gewickelt, um die Alternatorwicklungen des Alternator-Stators
202 herzustellen, Das Drahtende dieser Wicklungen hängt frei
in der Ringkammer 248, die zwischen dem Stator 236 und dem
Lagerträger 230 gebildet ist. Das Dreiphasenleitungskabel 250
führt durch den Kühlrippenkörper 216 nach aussen zum
elektrischen Anschluss. An jedem Ende befindet sich ein
Lagerträger 230, der in den Innendurchmesser 228 des
Kühlrippenkörpers 216 eingepresst ist. Der Alternator-Rotor
222 wird dann längs einem mittleren zylindrische Durchbruch
252 eingesetzt, der durch die mittlere Öffnung 226 der
aufeinandergestapelten Lamellen 214 und die
Luftlagertragfolie 240 begrenzt ist.
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Die Fig. 4B zeigt die zylindrisch geformte Lagerpatrone
244, die eine zylindrische Bohrung 242 aufweist, welche
bemessen ist zur Aufnahme der zylindrischen, nachgiebigen
Lagerfederfolie 238, die überlagert ist von der
zylindrischen, nachgiebigen Luftlagertragfolie 240. Die
Lagergehäusebohrung 242, die nachgiebige Lagerfederfolie 238
und die nachgiebige Luftlagertragfolie 240 sind bemessen, um
den Alternator-Rotor 222 aufzunehmen damit nach dem fertigen
Zusammenbau ein Spiel für die Luftströmung während dem
Betrieb frei bleibt. Der Lagerträger 230 hat eine Vielzahl
von Lufteinlässen 232, die in Form von zylindrischen Kanälen
oder Durchbrüchen durch den Lagerträgerkörper 230 gestaltet
sind, damit Umgebungsluft durch diese hindurchströmen kann
zur Kühlung der Folien 238 und 240.
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Die Fig. 4C zeigt den Kühlrippenkörper 216, der eine
zylindrische Kanalbohrung 228 aufweist zur Aufnahme des
äusseren Durchmessers der flachen Lamellenfolien 214 und des
Aussendurchmessers des Lagerträgers 230. Der Kühlrippenkörper
216 hat des Weiteren eine Vielzahl von radial nach aussen
ragenden, voneinander beabstandeten Kühlrippen 212 zur
Kühlung der Rotationsbaugruppe 222 durch darüberströmende
Umgebungsluft.
TURBINE
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Wie die Fig. 5 und 5A zeigen, hat das Turbinenrad 400
einen herkömmlichen, radial verjüngten Körper 404 und eine
konzentrisch angeordnete Turbinenzugankerbohrung 412 an einem
Ende desselben, zur Aufnahme des Zugankers 610 der
Rotationsbaugruppe 201, wie vorher beschrieben. Das
Turbinenrad 400 hat ausserdem eine Vielzahl von im
Wesentlichen dreieckigen Turbinenschaufeln 410. Die dreieckig
geformten Turbinenschaufeln 410 ergeben eine hochwirksame
Rotation des Turbinenrades 400, wenn sie durch die
Auslassgase beaufschlagt sind.
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Wie die Fig. 6 zeigt ist der Turbinenauslassteil 412
ein langgestreckter, zylindrischer Körper 408 mit einer
Federaufnahmenut 406 an einem Ende und einer
Auslassgassammelleitung 422 an einem gegenüberliegenden Ende.
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Die Auslassgassammelleitung 422 begrenzt einen ringförmigen
Hohlraum 420 mit einem Innendurchmesser, der bemessen ist zur
Aufnahme des Turbinenrades 400 unter Freilassung eines Spiels
für die Rotation der Turbinenschaufeln 410. Zwischen der
Federaufnahmenut 406 und der Auslassgassammelleitung 422
befindet sich ein innerer zylindrischer Kanal 414 durch den
die heissen Brennkammerauslassgase in den Rekuperator 110
gelangen.
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Die Fig. 6A zeigt die Turbinenleitfläche 426 der
Auslassgassammelleitung 422. Die Leitfläche 426 hat eine
Vielzahl von Brennkammergaseinlasskanälen 416, die den
ringförmigen Hohlraum 420 umgeben. Die
Brennkammergaseinlasskanäle 416 sind durch eine Vielzahl von
tropfenförmig gestalteten Rippen 418 gebildet. In den
tropfenförmig gestalteten Rippen 418 sind
Turbinensehraubbolzenlöcher 424 vorgesehen zum Befestigen des
Turbinenauslassteiles 412 an dem Lagergehäuse 550, wie vorher
beschrieben.
LAGERWELLE
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Die Fig. 7 zeigt die Schub- und Radialluftlagermuffe,
die vorgesehen ist, um den Verdichterläufer 312 und das
Turbinenrad 400 miteinander zu verbinden, wie die Fig. 3A
zeigt. Der Flanschrotor 510 hat einen zylindrischen
Durchbruch 520, bemessen zur Aufnahme des Zugankers 610. Wie
vorher beschrieben hat der Flanschrotor 510 der Schub- und
Radialfederfolienlager eine erste Ringfläche 512 an einem
Ende zur Anlage an der Rückseite des Verdichterläufers 312
und eine zweite Ringfläche 514 an einem gegenüberliegendem
Ende zur Anlage an der Rückseite des Turbinenrades 400.
Angrenzend an die Ringfläche 512 ist ein Ringteil 518, der
zwischen einem Satz von Federfolienschublagern 640, nicht
dargestellt, dreht.
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Dia Fig. 7A zeigt das Schub- und Radiallagergehäuse
550, das zwischen dem Verdichtergehäuse 310 und dem
Turbinenauslassteil 412 eingeschraubt ist, wie die Fig. 3
zeigt. Das Lagergehäuse 550 ist zylindrisch gestaltet und hat
eine konzentrische, zylindrische Bohrung 630 zur Aufnahme der
Patrone 244 der Schub- und Radialfederfolienlager, welche den
rotierenden Flanschrotor 510 trägt. An dem am Turbinengehäuse
412 festgeschraubten Ende des Lagergehäuses 550 befindet sich
eine verjüngte Aussparung 522, die nach dem Zusammenbau als
Trennungsbereich zwischen den heissen Auslassgasen und der
kühlen Verdichtereinlassluft dient. An dem gegenüberliegenden
Ende des Lagerträgers 550, das am Verdichtergehäuse 310
festgeschraubt ist befindet sich eine Ringnut 524, die
bemessen ist zur Aufnahme des Ringteiles 518 der
Federfolienschublagerbaugruppe. Die Fläche 620 des
Lagergehäuses 550 trägt einen Abschnitt der nachgiebigen
Federfolienschublagerbaugruppe und stellt demnach über den
Flansch 518 den Flanschrotor 510 axial ein, der seinerseits
die axiale Position der Rotorgruppe 200 in Bezug auf die
anderen Komponenten festlegt.
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In ähnlicher Weise stellt die Bohrung 630 die Patrone
244 des nachgiebigen Federfolienradiallagers ein und stellt
dadurch den Flanschrotor 510 in Radialrichtung ein, der
seinerseits die massgebende Radialstellung der Rotorgruppe
200 in Bezug auf die anderen Komponenten bestimmt. An den
äusseren Rändern des Lagerträgers 550 ist eine Vielzahl von
Schraubbolzenlöchern 554 vorgesehen zum Befestigen des
Lagergehäuses 550 am Verdichtergehäuse 310 und am
Turbinengehäuse 412, wie vorher beschrieben.
BRENNKAMMERBAUGRUPPE
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In Fig. 8 ist die modulare Brennkammerbaugruppe 700
gezeigt. Die Brennkammerbaugruppe 700 hat eine Brennkammer
726 mit einer thermischen Anschlusseinrichtung 714 an einem
Ende und einer Brennkammerhaube 724 an einem
gegenüberliegende Ende. Die Brennkammerhaube 724 liegt über
eine thermische Expansionsfeder 716 an der
Brennkammerbaugruppe 700 an. Die Brennkammerbaugruppe 700 hat
des Weiteren eine ringförmige Kraftstoffzufuhrleitung 718,
die um einen Brennkammermischraum 728 angeordnet ist, welcher
eine Vielzahl von kreisförmigen Öffnungen 720 aufweist, in
denen Kraftstoffdüsen 722 liegen zum Zuführen von Kraftstoff
zum Vermischen von eingeleiteter Hochdruckluft vom
Verdichterauslass. Obschon nicht dargestellt, erstreckt sich
der Kraftstoffeinlass 722 durch die Haube 724. Die
Brennkammer 726 kann eine Standard- oder herkömmliche
Brennkammer mit Zündeinrichtung, oder eine katalytische
Brennkammer sein, wie gemäss dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel.
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Die Brennkammerhaube 724 hat einen Satz von Leitungen
702 und 704, welche Fluidkanäle bilden wenn die
Brennkammerbaugruppe 700 in dem Rekuperator 110 eingebaut
ist, wie in Fig. 1A dargestellt. In dem fertig
zusammengebauten Zustand bildet die Leitung 702 eine Kammer,
die die Hochdruckverdichterluft von dem Rekuperator 110
erhält zum Einströmen in die ringförmige
Kraftstoffzufuhrleitung 718. Der Kanal 704 bildet eine
Leitung, die die heissen Auslassgase aufnimmt, welche durch
das Turbinengehäuse 412 strömen und bildet einen Kanal zum
Zurückführen der Gase in den Rekuperator 110. Demgemäss ist
die Brennkammerhaube 724 eine integrierte
Leitungseinrichtung, welche an einem Ende die Auslassgase von
der Turbine in den Rekuperator 110 leitet, und mit einer
Strömungskammer versehen ist für Hochdruckluft, die den
Rekuperator 110 verlässt zum Eintritt in die
Brennkammerbaugruppe 700.
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Die vorstehend beschriebenen Bauteile und ihre Vorteile
während dem Betrieb können durch Bezug auf die folgende
Beschreibung der Betriebsweise besser gewürdigt werden als
Mittel zur Verbesserung des Wirkungsgrades, unter
Beibehaltung der gedrungenen Konstruktionsweise eines kleinen
Gasturbinentriebwerkes zur Lieferung von ökonomischem
elektrischen Strom für verschiedene Anwendungszwecke.
BETRIEBSWEISE
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Die Inbetriebnahme wird nun mit Bezug auf Fig. 9
erläutert. Der Alternator-Stator wird als Anlassermotor
benutzt, um die Gasturbinengeneratorgruppe 100 durch
elektrisches in Rotation Versetzen des Verdichterläufers 312
und des Turbinenrades 400 anzulassen. Eine Batterie, nicht
dargestellt, liefert hierzu den elektrischen Strom. Der
Alternator-Stator 202 versetzt den Verdichterläufer 312 in
Rotation mit einer Drehzahl, um Druckluft in der
Verdichterplenumkammer 326 mit einer Temperatur von zwischen
etwa 60ºF und 100ºF zu erzeugen. Die katalytische Brennkammer
730 wird gleichzeitig elektrisch vorgewärmt durch elektrische
Leitungsdrähte, welche sich in der Brennkammer 726 befinden
und wird dabei auf eine vorbestimmte Temperatur gebracht
damit die Verbrennungsreaktion der mit einer proportionalen
Kraftstoffmenge vermischten, verdichteten Luft und dem
Kraftstoff einsetzen kann. Nachdem die Verbrennungsreaktion
in Gang gesetzt wurde treffen heisse Verbrennungsgase nun auf
die Turbinenschaufeln 410 des Turbinenrades 400 zum Einleiten
der normalen Betriebsweise. Der Alternator-Stator 202 muss
den Alternator-Rotor und den Verdichterläufer 302 nun nicht
mehr elektrisch antreiben. Die elektrische Stromzufuhr von
der Batterie wird unterbrochen.
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Wie in Fig. 9 gezeigt wird Verdichtereinlassluft, durch
die Pfeile 164 dargestellt, angesaugt und strömt durch den
Alternator-Stator 202, durch das Verdichtergehäuse 310 und
über die Kühlrippen 212, damit der Alternator-Rotor 222 und
- Stator 202 kühl bleiben. Obschon bei dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel dadurch die Einlasstemperatur gegenüber
der Umgebungstemperatur um etwa 9º angehoben wird ist zu
erwähnen, dass die Leistungs- und Wirkungsgradverluste
kleiner sind als bei den Gasturbinentriebwerken gemäss dem
Stand der Technik mit separaten Gebläsen, Abzapfluft oder
elektrischen Kühlsystemen. Ausserdem strömt die
Verdichtereinlassluft durch die Patronenträgereinlasslöcher
232 des Lagerträgers 230, um die Federfolienradiallager 234
des Alternators kühl zu halten.
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Danach wird die Verdichtereinlassluft 164 durch die
Rotation des Verdichterläufers 312 in den Diffusorabschnitt
336 gesaugt. Der Diffusorabschnitt 336 leitet die
Hochdruckluft durch die Verdichterauslasskanäle 324 und
erzeugt dadurch eine turbulente, zirkumferentiale
Nochdruckluftströmung 162 in der Verdichterplenumkammer 326.
Die in der Verdichterplenumkammer 326 in Umfangsrichtung
wirbelnde, hochverdichtete Luft dient zur Kühlung des
Gehäuses 550 der Schub- und Radialfederfolienlager, das
seinerseits die Schub- und Radialfederfolienlager 620 und 630
kühlt. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das
Druckverhältnis 3 : 1, d. h. Umgebungsluft mit einem Druck von
96,6 kPa (14 Pfund pro Quadratzoll), die durch das
Verdichtergehäuse 310 einströmt wird vom Verdichterläufer 312
und vom Diffusorabschnitt 336 in die Verdichterplenumkammer
326 unter einem Druck von 310,5 kPa (45 Pfund pro
Quadratzoll) abgegeben. Die Auslasskanäle 324 des
Diffusorabschnittes 336 sind so gestaltet, damit die
verdichtete Luft erwärmt wird bis auf eine Temperatur von
etwa 177ºC (350ºF).
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Danach gelangt die verdichtete Wirbelluft 162 aus der
Plenumkammer 326 in den Umfangsrekuperator 110 durch die
Fluidkammer 112, in welcher die verdichtete Fluidströmung
sich aufteilt auf einen Uhrzeigersinn- und einen
Gegenuhrzeigersinnweg, wie durch die Pfeile 162 dargestellt,
zur Strömung durch den in Umfangsrichtung verlaufenden
Hochdruckfluidkanal 140 in dem ringförmigen Kern 118 das
Rekuperators 110. Die aufgeteilte Hochdruckluft strömt in die
Einlassöffnung 128 und fliesst dann in Axialrichtung durch
den axialen Hochdruckfluidkanal 144, in welchem sie in einer
geteilten Richtung durch jeden in Umfangsrichtung
verlaufenden Hochdruckfluidkanal 140 strömt. Die verdichtete
Hochdruckluft fliesst nun im Uhrzeigersinn und im
Gegenuhrzeigersinn in jedem in Umfangsrichtung verlaufenden
Hochdruckfluidkanal 140 entlang dem gesamten ringförmigen
Kern 118 des Rekuperators 110.
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Die verdichtete Luft wird erwärmt in
wärmeaustauschbeziehung mit den angrenzenden in
Umfangsrichtung verlaufenden Niederdruckfluidkanälen 116,
welche die heissen Auslaussgase enthalten. Diese heissen
Auslassgase in den in Umfangsrichtung verlaufenden
Niederdruckfluidkanälen 116 strömen auf gleiche Weise im
Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn jedoch
entgegengesetzt gerichtet zu der Strömungsrichtung der
Hochdruckgase, so das der Wärmetauscher ein echter
Gegenstromwärmetauscher ist.
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Die erhitzte, verdichtete Luft aus dem
Umfangsrekuperator 110 wird dann der ringförmigen Brennkammer
710 der Brennkammerbaugruppe 700 zugeführt. Gemäss dem
bevorzugten Ausführungsbeispiel wurde die verdichtete Luft
auf eine Temperatur von etwa 1000ºF erhitzt. Die heisse
verdichtete Luft, welche die Brennkammer 710 verlässt, strömt
in Umfangsrichtung in dem Brennkammermischraum 728 mit
Kraftstoff aus einem Kraftstoffbehälter (nicht dargestellt),
wobei die hohe Umfangsturbulenz den Kraftstoff wirksam
zerstäubt und mit der Luft vermischt, zur Erzeugung eines
Luft/Kraftstoffgemisches in dem Brennkammermischraum 728, das
dann der Brennkammer 726 zugeführt wird.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die
Brennkammer eine katalytische Brennkammer 720. In dieser
Brennkammer liegt keine Flamme vor, wie bei einer
herkömmlichen Brennkammer. Der Kraftstoff und die Luft
reagieren mit dem Katalysator bei etwa 1500ºF oder unterhalb
eines Grenzwertes wobei wesentliche NOx-Mengen entstehen
würden. Die katalytische Brennkammer 730 hat ein
Luft/Kraftstoffverhältnis von etwa 153 : 1, somit ist die
Verbrennung virtuell vollständig und die Entstehung von
Schadstoffen wie z. B. CO und Kohlenwasserstoffen ist
herabgesetzt. Die katalytische Brennkammer 730 verbrennt
gemäss dem bevorzugten Ausführungsbeispiel das
Luft/Kraftstoffgemisch und erzeugt dabei heisse Treibgase mit
einer Temperatur von etwa 1500ºF. Der Hauptkraftstoff ist bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel unverbleiter Kraftstoff,
der nicht teuer ist und niedrige Schadstoffemissionen
gewährleistet. Die Brennkammer kann aber auch ohne Äderungen
mit Butan, Propan, Ethanol, Methanol/Ethanol-Gemischen der
einem Benzin/Alkoholgemisch betrieben werden.
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Heisse Verbrennungsgase aus der Brennkammer 700 gelangen
dann durch die Einlasskanäle 416 zu dem Turbinenrad 400 und
beaufschlagen die Turbinenschaufeln 410 zur Erzeugung einer
Ausgangsleistung, welche Energie liefert zum Antrieb des
Verdichterläufers 300 und des Alternator-Rotors 222.
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Das Turbinenrad 400, der Verdichterläufer 300 und der
Alternator-Rotor 222 drehen auf der gemeinsamen Welle 610,
die getragen ist durch die doppelwirkenden
Federfolienschublager 620, ein Federfolien-Radialschublager
640 und zwei Federfolien-Radiallager 234 des Verdichters. Bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel rotiert die
Rotationsgruppe 200 mit einer Drehzahl von 96.000
Umdrehungen/Minute, und erzeugt dabei eine kontinuierliche
elektrische Energie mit einer Leistung von 24 Kilowatt durch
den Alternator-Stator 202 zur Zuführung über die
Stromleitungen 250 nach aussen zu der Umgebung des
Triebwerkes.
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Wenn die Rotationsgruppe 200 mit 96.000
Umdrehungen/Minute umläuft wirkt die Spindelwelle 612 des Zugankers 610
als Ausrichtmittel für das Turbinenrad 400, den
Verdichterläufer 300 und den Alternator-Rotor 222, um einen
gemeinsamen Rotationsmittelpunkt zu finden. Die Spindelwelle
612 wird bei 96.000 Umdrehungen/Minute flexibel und ersetzt
eine zweiteilige Vielkeilwelle, die in herkömmlichen
Turbinentriebwerken vorgesehen ist.
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Der O-Ring 320 der Rotationsbaugruppe 201 und die
thermische Expansionsfeder 716 der Brennkammerbaugruppe 700
schaffen eine Einrichtung in welcher die Rotationsgruppe
verschiebbar ist wenn sie sich thermisch ausdehnt, als Mittel
zum Abbauen der thermischen Spannungen. Des Weiteren dient
der O-Ring 320 als Dichtungsmittel für die
Verdichterplenumkammer 326, wodurch das übliche Schnecken-
oder Spiralgehäuse entfallen kann, das in
Gasturbinentriebwerksbauformen gemäss dem Stand der Technik
vorgesehen ist zum Aufnehmen der Verdichterauslassluft.
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Im Betrieb ist die Rotationsgruppe 200 sehr einfach und
nicht teuer. Sie ist nicht unähnlich zu derjenigen eines
Turboladers, mit einem Generator an einem Ende. Wie vorher
beschrieben hat die Gasturbinengeneratorgruppe 100 eine
Modulbauweise und hat einen einstufigen
Zentrifugalverdichterläufer 300, ein einstufiges
Radialturbinenrad 400 und ein Dauermagnetalternatorrotor 222,
die auf einer gemeinsamen Welle 610 montiert sind.
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Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die
Rotationsgruppe 200 ausgelegt für eine Drehzahl von 96.000
Umdrehungen/Minute zur Erzielung eines
Triebwerkswirkungsgrades von 30%. Bei Teillast kann die
Drehzahl herabgesetzt werden, was zu einer Herabsetzung der
Ausgangsleistung durch Verringerung des Druckverhältnisses,
und der Massenströmung führt mehr als durch Herabsetzen der
Turbineneinlasstemperatur, wie üblich bei Ausführungen gemäss
dem Stand der Technik. Dies ergibt einen wesentlich höheren
Wirkungsgrad im Teillastbetrieb. Z. B. fällt der Wirkungsgrad
nur von 30% auf 25% bei einem Drittel der Volllast.
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Es wurde eine verbesserte Gasturbinengeneratorgruppe
beschrieben und dargestellt. Obschon besondere
Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben worden sind,
ist es aber nicht beabsichtigt die Erfindung auf diese
Ausführungsbeispiele einzuschränken. Die vorstehende
Beschreibung und die zugehörigen Zeichnungen schlagen dem
Fachmann andere Ausführungsbeispiele und Änderungen innerhalb
dem Schutzumfang der Ansprüche vor.