分布式发电是已成为多年来讨论很多的主题的概念，但是到目前为 止，分布式发电系统还未被广泛采用。分布式发电是指使用位于需要电 能的多个地点的多个小型发电系统，由此与传统的公共电网系统(utility grid system)相区别，在传统的公共电网系统中，大型中央发电站产生电 能，随后通过通常被称为电网(grid)的电力传输线路的系统将该电能通 过很长的距离传输给多个用户。与通过公共电网(utility)进行工作的传 统发电站(其通常可以产生几兆瓦的功率)相比，分布式发电系统的大 小通常低于两兆瓦，更典型地在60到600千瓦的范围内。
分布式发电没有得到广泛应用主要可以归因于成本。在美国的大部 分地区，甚至世界的大部分地区，对于大多数用户来讲，从电网购买电 能比投资并运营分布式发电系统更加廉价。造成从分布式发电系统获取 电能的相对较高成本的主要因素在于这种系统中使用的小型发动机的相 对较低的效率，尤其是在部分载荷的工作条件下。
通常，分布式发电系统中的发电机是由小型涡轮发动机来驱动的， 通常根据大小将其称为微型涡轮或迷你涡轮。涡轮发动机通常包括：燃 烧室，用于使燃料和空气混合物燃烧，以通过将燃料的化学能转换为热 能来产生热气；涡轮，用于使热气膨胀，以使其上安装了该涡轮的轴旋 转；以及压缩机，其安装在所述轴上或与所述轴连接，可用来对提供给 燃烧室的空气进行压缩。在某些应用中还可以采用多转子涡轮发动机。 例如，涡轮增压型双转子发动机包括：低压转子，包括其上安装有低压 涡轮(LPT)和低压压缩机(LPC)的轴；以及高压转子，包括其上安装 有高压涡轮(HPT)和高压压缩机(HPC)的另一轴。将由LPC进行了 加压的工作流体输入到HPC中，在将其输入到燃烧室之前，在HPC中 进行进一步的压缩。燃烧气体首先经过HPT，然后经过LPT。主发电机 安装在高压轴上。这种双转子发动机在相同的涡轮入口温度下，相对于 单转子发动机，可以使可从高压轴得到的功率增大因子1.5到2.0。在用 于发电的其他多转子发动机中，一个轴支撑压缩机和涡轮，以形成气体 产生器或“气化器”，而另一个轴支撑通过来自气化器的排放来进行输入 的自由动力涡轮。该发电机安装在动力涡轮轴上。
由于需要来自分布式发电系统的相对较小量的电能，所以涡轮发动 机相对应地较小。由于与在发动机内发生的空气动力学相关的原因以及 其他原因，涡轮发动机的效率随着发动机尺寸的减小而倾向于减小。因 此，微型涡轮和迷你涡轮相对于较大的发动机而自动地具有效率方面的 缺点。
此外，与尺寸无关，涡轮发动机的部分载荷效率非常低，部分地因 为发动机在部分载荷条件下工作的特殊方式。更具体地，在涡轮发动机 中，通常存在下述的情况：高压涡轮入口温度(其实质上表示发动机循 环中的工作流体的峰值温度)在发动机的功率输出降低到“设计”点以 下时下降。该设计点通常为100％载荷条件，并且发动机通常被设计为使 得其峰值效率基本上出现在该设计点处。众所周知，影响发动机的热力 学循环效率的主要变量是工作流体的峰值温度。在其他条件相同的情况 下，峰值温度越高，效率越高；相反地，峰值温度越低，效率越低。因 此，如果对工作在部分载荷条件下的发动机进行控制，使得循环中的工 作流体的峰值有效温度(即，涡轮入口温度)大致低于其在设计点处的 温度，则发动机的效率趋于很大的提高。
在某些现有技术的燃气涡轮中，尤其是在用于推进的飞行器燃气涡 轮发动机和用于恒速发电机系统的大型燃气涡轮中，已经在部分载荷条 件下使用了可变几何系统，以降低空气流速，以使发动机效率不会过度 受损。例如，已在轴流压缩机中使用了可变入口导片(IGV)；在部分载 荷条件下，IGV关闭，以对于给定的压缩机速度使空气流速降低。在径 向压缩机的情况下，通常使入口定子叶片可变来实现相似的效果。在其 他情况下，采用可变第一级涡轮叶片或喷嘴来控制涡轮的速度，并由此 控制压缩机的速度，从而控制空气流速。这种可变几何系统非常昂贵， 并且轴承和其他可移动组件易于磨损，因此使得这些系统对于发电系统 并不实用，该发电系统必须能够在每年中的大部分时间内提供服务，如 果需要，必须能够基本上连续地进行工作，并且还必须能够对所服务的 载荷所需的功率的变化进行快速的响应。此外，因为发动机的尺寸小， 所以可变几何机构对于在微型涡轮和迷你涡轮中实现并不实际。因此， 需要可变几何方法以外的另选方法，以对部分载荷条件下的发动机性能 进行优化。
排放物(包括但并不限于氮氧化物、未燃烧的碳氢化合物，以及一 氧化碳)代表了已被证明很有希望的分布式发电的另一方面。通常，为 了获得给定的功率输出，倾向于通过使燃料的燃烧温度(也被称为火焰 温度)(该燃烧温度通常高于峰值热力学温度(涡轮入口温度))最低来 使NOX排放物减少或最少，由此减少氮的氧化产物而不会对效率产生不 利影响。降低火焰温度的主要方法是在进入燃烧区之前对燃料和空气进 行预混合，以产生燃料空气比相对较低的混合物，即，贫油混合物。该 预混合还保证了整个火焰区的温度非常接近于均匀，而不存在可能导致 局部产生NOX的热点。然而，由于使得混合物较为贫油，所以一氧化碳 (CO)、未燃烧的碳氢化合物(UHC)，以及压力波动增加。随着使得混 合物更加贫油，这些情况会继续并且火焰区变得更加不稳定，直到达到 贫油熄火极限为止。对于比该极限更贫油的混合物，无法保持火焰。实 际上，一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物排放和/或压力脉动在达到贫油熄 火极限之前变得高得不可接受。
可以通过提高对于燃烧室的入口温度并通过使用催化燃烧，将贫油 熄火极限移动到更贫油的状态(regime)。催化燃烧的使用大大提高了贫 油预混合燃烧的工作状态，导致非常低的NOX排放、可接受的CO和UHC 排放，以及基本上没有压力脉动。然而，催化燃烧引入了对于操作的另 一限制，被称为低催化剂活性限制。催化燃烧室的入口温度必须保持在 该限制以上，以维持催化燃烧。
在许多传统的微型涡轮中，发动机控制使得在部分载荷条件下，燃 烧室入口温度倾向于下降，并且燃料/空气混合物变得较贫油。在传统的 贫油预混合燃烧的情况下，这容易导致排放物增加；在催化燃烧的情况 下，降低的燃烧室入口温度可能导致不能维持催化燃烧。实际上，由于 下降的燃烧室入口温度以及在载荷减小时较普遍的渐进贫油条件，所以 贫油预混合以及催化燃烧室能够仅在燃气涡轮的载荷范围的一部分内工 作。
在某些情况下，在燃烧室之前使用了预燃烧器，以提高燃烧室入口 温度。另外，还使用了可变几何燃烧室，其中空气的一部分被转移到燃 烧室周围，以将燃料/空气比保持在使得工作稳定的水平。预燃烧器方案 导致可靠性上的缺陷：该预燃烧器的过高温度或其他故障可能会损坏主 燃烧器，并且还增加了系统的成本。另外，作为通过预燃烧器产生的压 力损耗的结果，其导致了工作成本上的缺陷；该压力损耗即使在不使用 预燃烧器时也会发生。除了用于保持燃料/空气比之外，可变几何还可用 来消除压力损耗缺陷。然而，可变几何方案成本高、复杂，并且易于过 度磨损，因此降低了可靠性并增大了维护成本。
如上所述，双转子发动机在高功率输出方面具有优势，但是它们也 使得发动机的控制更复杂，尤其是在(如所期望的)这两个轴之间没有 机械连接，从而所有控制必须通过气流的调节来实现的情况下。已经针 对汽车应用对双转子发动机进行了开发，在汽车应用中，两个轴之间存 在机械连接。这种发动机通常需要轴之间的复杂的机械离合器和齿轮系。 这种机构的制造成本高，易于磨损，并且具有高损耗。它们通常不适用 于发电应用，在发电应用中，期望具有60,000小时或更长的工作寿命， 而不需要维护。
对于许多潜在用户，这些因素的组合使得与从大型公共电网购买电 力相比，通过分布式发电系统发电具有较低的吸引力。

本发明通过提供一种采用多转子发动机的发电系统和方法，解决了 以上需求并实现了其他优点，其中，在任意工作条件下，为了获得给定 的功率输出，可以通过以下述的方式控制通过发动机的空气流速，来对 发动机效率进行充分的优化：对燃料/空气比进行控制，以保持赋予发动 机中的工作流体的高峰值温度。本发明的方法和系统可以消除发动机中 对可变几何机构的需要，可以消除对于可变几何燃烧室的需求，并且还 可以最小化或消除对于预燃烧器的需要。
根据本发明的方法方面，提供了一种方法，用于对发电机系统中的 双转子涡轮发动机的操作进行控制。该系统具有其上安装了第一涡轮和 第一压缩机以形成第一转子或气化器转子的第一轴。该第一轴包括燃烧 室，用于使空气/燃料混合物燃烧或起反应，以产生用于驱动第一涡轮的 热气。该系统还包括其上至少安装了第二涡轮以形成可独立于第一转子 旋转的第二转子(即，转子之间没有机械连接)的第二轴。来自第一涡 轮的废气被输入到第二涡轮，该废气对第二转子进行驱动。主发电机与 这些轴之一连接，从而该轴的旋转使得主发电机进行工作，以产生交变 电流；主发电机的速度变化导致该轴的速度的对应变化，并因此导致通 过该轴上的压缩机的空气流速的变化。辅助发电机/电动机与这些轴中的 另一个连接。在发电模式下，通过其轴来驱动辅助发电机/电动机，以从 该轴提取能量并产生电能；在电动机模式下，向辅助发电机/电动机提供 电能，并向其轴内注入机械能。辅助发电机/电动机的能量提取/注入能力 被用来实现发动机系统中的各种期望效果，包括对其上安装有该发电机/ 电动机的轴的速度控制。通过对其上安装有该发电机/电动机的转子的这 种速度控制，可以在任意工作条件下对通过相关压缩机的空气流速和/或 该压缩机中的压力比进行控制，由此提供对该压缩机的工作线的控制。 该工作线是压缩机的压力比-流量曲线图(称为压缩机“图”)上的线，该 压缩机沿该工作线进行工作，同时改变涡轮功率输出。该工作线在图中 的位置通常是周围温度的函数。对本发明提供的工作线的控制可以用来 实现一个或更多个效果，其包括：在任意工作条件下对发动机的效率进 行优化；以及/或者避免压缩机图的喘振区(surge region)；以及/或者防 止对包含在发动机系统中的换热器过度加热；以及/或者将催化燃烧室入 口温度保持在催化剂最小工作温度以上。另外，发电机/电动机可以在启 动期间可旋转地驱动其所安装在的轴，以用作启动装置，因此可以省略 单独的启动装置。
该方法包括以下步骤：使发动机工作；控制主发电机的速度，以控 制通过主发电机所连接的转子的空气流速，并由此控制该转子的速度和 空气流速；以及使辅助发电机/电动机以发电模式或电动机模式进行工作， 以分别从该辅助发电机/电动机所连接的转子提取能量或向其注入能量， 由此控制其转子的速度和空气流量。控制器与主发电机和辅助发电机/电 动机相连，或者连接到与其相关的功率电子单元，用于控制它们的操作。
该涡轮发动机可以有多种结构。在一个实施例中，包括第一压缩机 和涡轮的第一转子为高压转子。具有第二涡轮的第二转子还包括第二压 缩机并形成低压转子。将由低压压缩机进行了加压的空气输入到高压压 缩机中，在将其输入到燃烧室中之前，在该高压压缩机中对其进行进一 步加压。将燃烧气体输入到高压涡轮中，该高压涡轮向低压涡轮进行排 放。因此，在该实施例中，该发动机实质上包括涡轮增压发动机。主发 电机安装在高压轴上，而辅助发电机/电动机安装在低压轴上。可以使用 主发电机的速度控制来控制高压转子的速度，并由此控制通过高压转子 的空气流速以及高压转子的压力比。可以使用辅助发电机/电动机的速度 控制来控制低压转子的速度，并由此控制通过低压转子的空气流速以及 低压转子的压力比。优选地，以协同的方式一起使用主发电机和辅助发 电机/电动机，以实现对两个转子的速度的同时控制，并由此实现对两个 转子的空气流量和压力比的同时控制。
在本发明的另选实施例中，发动机配备有如上所述的低压和高压转 子，但是主发电机与低压转子相连接，而辅助发电机/电动机与高压转子 相连接。
在本发明的另一实施例中，第二转子不包括压缩机，而第二涡轮包 括自由动力涡轮。第一转子或气化器对该动力涡轮进行输入。主发电机 可以与气化器轴相连接，而辅助发电机/电动机可以与动力涡轮轴相连接， 或者主发电机可以与动力涡轮轴相连接，而辅助发电机/电动机可以与气 化器轴相连接。
本发明的各个实施例中，还可以包括其他特征。例如，可以使用热 交换器或换热器对与燃料相混合的空气进行预加热，或者对空气-燃料混 合物进行预加热；该换热器导致空气或混合物与从发动机释放的废气之 间的热交换。在很低的部分载荷条件下，如果峰值循环温度保持在与100 ％载荷点相同的水平，则进入换热器的废气的温度可能超过最大允许值 (例如，由材料限制所规定)。因此，根据本发明，在这种条件下，对主 发电机和辅助发电机的速度进行控制，以控制通过发动机的空气流速， 并由此对燃料/空气比进行控制，以使得进入换热器的废气的温度不超过 预定的最大允许值。
如本领域众所周知的，还可以在发动机的低压压缩机和高压压缩机 之间包括中间冷却器，以获得中间冷却的益处。
在本发明的另一方面，燃料在催化燃烧室中燃烧，该催化燃烧室具 有保持燃烧室内的催化反应所需的预定的最小入口温度。在许多传统的 发动机控制方案中，当发动机载荷降低到100％载荷条件以下时，燃烧室 入口温度趋于下降；因此，温度可能会下降到催化反应所需的最小温度 以下。根据本发明，对燃料/空气比进行控制，以使得在部分载荷条件下， 燃烧室的入口温度至少与预定的最小入口温度相等。通过对空气流速的 控制来控制燃料/空气比，空气流速的控制是通过如上所述通过主发电机 和辅助发电机/电动机对转子的速度进行控制来实现的。
根据本发明的一个实施例，用于产生提供给负载的电能的系统包括： 第一转子，包括其上安装有第一压缩机和第一涡轮的第一轴；以及第二 转子，包括其上至少安装有第二涡轮的第二轴。该第二转子可以独立于 第一转子旋转。该系统包括燃烧室，用于使空气-燃料混合物燃烧或反应， 以产生热气，这些热气被输入到第一涡轮中，该第一涡轮对第一压缩机 进行驱动。来自第一涡轮的废气被输入到第二涡轮中。该系统还包括与 这些轴之一相连接的主发电机，以及与这些轴中的另一个相连接的辅助 发电机/电动机。功率电子单元与主发电机和辅助发电机/电动机相连接， 用于从它们接收交变电流，并合成预定频率的交变输出电流，以提供给 负载。一个实施例中的功率电子单元包括：AC/DC模块或整流器，该 AC/DC模块或整流器被构造和设置用来对来自主发电机和辅助发电机/ 电动机的交变电流进行操作，从而以非交变电压产生非交变直流电流； 以及DC/AC模块或逆变器，该DC/AC模块或逆变器被构造和设置用来 对非交变直流电流进行操作，从而合成预定的频率和相对相位的交变输 出电流和电压，以提供给负载。在一个实施例中，该整流器可以响应于 电流控制信号，来改变非交变直流电流的电平，而与来自主发电机和辅 助发电机/电动机的交变流电无关。
该系统优选地还包括：发电机功率传感器，可用来测量从该系统输 出的功率；以及负载功率传感器，可用来测量负载所需的功率。控制器 可用来控制燃料系统，以使得从该系统输出的功率基本上与负载所需的 功率相匹配，同时对主发电机的速度进行控制，以对主发电机所连接的 转子的速度进行控制(并由此对该转子的空气流速进行控制)。辅助发电 机/电动机用来从其所连接的转子提取能量或者向该转子注入能量，以实 现如上所述的各种效果。
附图说明
已对本发明进行了总体描述，下面将参照附图，这些附图没有必要 按比例绘制，并且其中：
图1是根据本发明一个实施例的发电系统的示意图；
图2是对现有技术的控制方法(虚线)和根据本发明一个实施例的 控制方法(实线)进行比较，发动机中的多个点处的温度作为相对发电 机载荷的函数的曲线图；
图3是图1的发动机的低压压缩机的曲线图，示出了周围温度为- 30℃时，具有和不具有辅助发电机/电动机控制情况下的工作线；
图4示出了现有技术的没有辅助发电机/电动机控制的发动机的低压 压缩机图；
图5示出了在对低压转子使用辅助发电机/电动机控制时的低压压缩 机图，还示出了对于多个不同环境温度的工作线；
图6示出了对于多个不同环境温度，辅助发电机/电动机功率与主发 电机功率的关系；
图7是根据本发明第二实施例的发电系统的示意图；
图8是根据本发明第三实施例的发电系统的示意图；
图9是根据本发明第四实施例的发电系统的示意图；以及
图10是根据本发明第五实施例的发电系统的示意图。

下面将参照附图更加全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的 某些而不是全部实施例。实际上，可以按照许多不同的形式来实施这些 发明，并且不应当将这些发明理解为限于此处所阐述的实施例；更确切 地，提供这些实施例，以使得本公开满足可适用的法律要求。在所有附 图中，相同的标号表示相同的单元。
图1中示意性地示出了根据本发明一个实施例的发电机系统10。该 系统包括燃气涡轮发动机20，其使燃料和空气的混合物燃烧，以产生热 燃烧气体，该热燃烧气体随后膨胀以产生机械能。在所示实施例中，该 涡轮发动机包括低压转子和高压转子。该低压转子包括安装在可旋转轴 24的一端上的低压压缩机22，以及安装在该轴的另一端上的低压涡轮26。 该高压转子包括安装在第二轴30的一端上的高压压缩机28，以及安装在 该轴30的另一端上的高压涡轮32。低压压缩机22被设置用来从其出口 向高压压缩机28的入口侧提供加压空气，该高压压缩机28对该空气进 一步进行压缩。可以在低压和高压压缩机之间设置可选的中间冷却器23， 用于在将加压空气输入到高压压缩机中之前对其进行冷却。随后将压缩 空气输入通过换热器或热交换器34，在该换热器或热交换器34中，通过 与发动机废气进行热交换来对该空气进行预先加热，如下面的进一步说 明。随后将该空气与经由燃料控制阀38提供的燃料一起输入到燃烧室36 中；另选地，可以在燃烧室上游的多个点中的任意一点处对空气和燃料 进行混合；例如，可以将燃料与空气一起引入到低压压缩机中，并且可 以在发动机的压缩系统中进行混合，这是有利的，因为可以消除独立的 燃料压缩机，并且可以在热交换器34中对燃料进行预先加热。燃烧室可 以是多种类型，包括但并不限于扩散火焰、催化、贫油预混合，或其他 类型。燃料/空气混合物在燃烧室中燃烧，并且将热燃烧气体提供给高压 涡轮32，其使得气体膨胀，使得涡轮被可旋转地驱动。高压涡轮进而使 轴30旋转，轴30对高压压缩机28进行驱动。
将来自高压涡轮32的废气输入到低压涡轮26中，该低压涡轮26使 该气体进一步膨胀，使得涡轮被可旋转地驱动，由此对低压压缩机22进 行驱动。使来自低压涡轮26的废气经过热交换器34，以对要引入到燃烧 室中的空气或空气-燃料混合物进行预先加热。
主发电机40安装在高压轴30或者与高压轴30相连接。该发电机可 以是多种类型，包括永磁体发电机或绕组发电机，或者二者的组合。高 压轴可旋转地驱动主发电机，主发电机可用来产生交变电流。主发电机 可以直接安装在该轴上或与该轴相连接，以使得该轴和该发电机之间存 在一比一的速度关系，或者另选地，该发电机和轴可以通过齿轮系等进 行连接，从而存在不同的速度关系。在任意情况下，主发电机40的运转 速度都表示高压轴30的速度，并由此表示发动机的高压转子的运转速度。
系统10还包括燃料系统，用于向燃烧室36提供燃料。该燃料系统 通常包括：燃料泵(未示出)；以及燃料计量阀38，可以通过适当的控制 信号对其进行控制，以控制燃料流速。如上所述，可以引入燃料，以在 发动机中的多个点中的任意一个处与空气进行混合。
系统10还包括安装在低压轴24上或与低压轴24相连接的辅助发电 机/电动机42。该辅助发电机/电动机42可选择性地以发电模式或电动机 模式进行工作。在发电模式下，该辅助发电机/电动机由低压涡轮26可旋 转地驱动，并产生交变电流。在电动机模式下，向该辅助发电机/电动机 提供电能，并且其用作电动机，以可旋转地驱动轴24。如以下进一步描 述的，与主发电机40一起对辅助发电机/电动机进行控制，以对发动机 20的操作产生多种所期望的影响。
系统10还包括功率电子单元44。在所示的实施例中，该功率电子单 元包括主整流器46，其可用来将由主发电机40产生的交变电流(其频率 可以随着发电机的速度变化而变化)转换为非交变直流电流，还可以在 电流控制模式下进行工作，以与交变输入电流的特性无关地控制直流电 流的电平(在特定限制内)。这种主动电流控制通常基于利用半导体开关 器件的脉宽调制(PWM)方案，这些半导体开关器件以高频执行开关操 作，以有效地使得电流仅在输入电流波形的各个周期的一部分中通过。 允许电流通过的该“时间窗口”可以持续变化，从而改变从主整流器输 出的“平均”电流。该功率电子单元还包括辅助整流器48，其可以在发 电模式下将由辅助发电机/电动机42产生的交变电流转换为非交变直流 电流，还可以在电流控制模式下进行工作，以按照与主整流器类似的方 式，与交变输入电流的特性无关地控制直流电流的电平(在特定限制内)。
该功率电子单元还包括逆变器50，用于对来自整流器46、48的输出 进行处理，从而合成固定频率的交变输出电流。在许多国家，标准电源 频率为60个周期每秒，而在其他国家为50个周期每秒。对来自逆变器 的输出频率进行选择，以与系统10要运转的特定地点所使用的标准电源 频率相匹配。
系统10包括与功率电子单元44相连接的控制器60。通过控制半导 体开关器件(未示出)的操作，该控制器可用来控制主动电流控制整流 器46、48的操作，所述半导体开关器件执行开关操作，以使得电流仅在 输入电流波形的各个周期的一部分期间通过并到达各个整流器。通过对 允许电流通过的时间窗口进行控制，该控制器对从各个整流器输出的非 交变直流电流的平均电平进行控制。采用该电流控制对主发电机40旋转 的速度进行调节；此外，当辅助发电机/电动机42工作在发电模式时，采 用该电流控制对该辅助发电机/电动机的速度进行调节。如以下进一步说 明的，通过对主发电机和辅助发电机的速度进行控制，可以有益的方式 对燃气涡轮发动机组件在它们各自的图上的工作点产生影响，以实现特 定的期望效果。
系统10还包括与控制器60相连的用于测量各种参数的多个传感器。 例如，设置有输出功率表(未示出)，用于测量该系统产生了多少电能。 一个或更多个发动机传感器62、64对与发动机循环相关的一个或更多个 热力学或性能变量(例如，空气流量、功率、燃料流速、压缩机入口压 力、压缩机出口压力等)进行监测。这些变量可以用来确定发动机组件 工作在它们的图上的何处，即，发动机是否在其设计点或设计点附近运 转，或者是否明显地偏离设计运转。在所示的实施例中，传感器62与高 压转子相关联，而传感器64与低压转子相关联。传感器62可以在高压 涡轮32的入口处测量涡轮入口温度，或者可以根据其导出或估计出涡轮 入口温度的另一参数。高压涡轮的涡轮入口温度表示发动机中的工作流 体的峰值温度，并对发动机的总体效率具有显著的影响。因此，通过测 量HPT入口温度以及其他参数，可以导出发动机的相对热力学效率。类 似地，传感器64可以测量低压涡轮26的入口温度或者可以根据其导出 或估计出该温度的另一参数。该系统优选地还包括用于测量各个压缩机 的流速、速度以及压力比(或等效参数)中的至少两个的传感器(未示 出)，以使得可以导出压缩机的工作点。
控制器60与上述传感器中的每一个相连。该控制器可以通过对主发 电机和辅助发电机进行调节，使得在发动机的任意工作条件下，该发动 机的总体效率基本上最大，来调节该发动机的操作。通常，这需要使各 个涡轮的涡轮入口温度最大。对于涡轮入口温度的控制主要是通过控制 空气流速来控制在燃烧室中燃烧的混合物的燃料/空气比而实现的，该空 气流速是发动机的旋转组件的速度的函数。然而，在某些情况下，不能 在不考虑必须要考虑的其他约束的情况下对涡轮入口温度进行调节。
例如，在部分载荷条件下，如果没有对发动机进行适当的控制，则 换热器34的入口温度可能会超过由材料限制所规定的最大允许水平。因 此，传感器66在废气流中测量换热器34的入口温度。控制器60优选地 与用于监测换热器入口温度的传感器66相连，并且该控制器通过调节主 发动机和辅助发电机以防止温度超过材料限制，同时在该附加约束内将 涡轮入口温度保持得尽可能高，来调节该发动机的操作。
该控制器实现对发动机操作的控制的具体控制方案并不是本发明的 关键。例如，对于发动机的每一个转子，该控制器可以在存储器中存储 涡轮入口温度对由该控制器监测的适当参数的预定计划表。所监测的这 些参数应该表明发动机组件工作在它们的图上的何处。该控制器可以使 用适当的控制算法来控制空气流量(通过以某种适当的方式来控制发电 机速度，例如通过控制来自整流器的DC电流)，使得涡轮入口温度基本 上与该预定计划表所示的值相匹配。这仅是一种可能的控制方案的简化 示例，还可以根据本发明使用其他方案。
如上所述，辅助发电机/电动机可以在发电模式或者电动机模式下进 行工作。到目前为止，在本说明书中，已对发电模式下的速度控制进行 了描述。然而，电动机模式也可以用于速度控制。在电动机模式下，辅 助发电机/电动机向低压转子中注入能量，由此使低压转子加速；所注入 的能量的量决定了转子速度增大的程度。相反，在发电模式下，辅助发 电机/电动机从转子提取能量，并且所提取的能量的量决定了转子速度减 小的程度。通过选择适当的模式并适当地控制辅助发电机/电动机，可以 在很大的速度范围内对转子的速度进行调节。控制器60执行模式选择以 及辅助发电机/电动机的调节。在电动机模式下，向辅助发电机/电动机提 供电能以对其进行驱动。可以通过功率电子单元44中的适当电路(未示 出)从主发电机提取能量。可以使用来自主发电机的高频、高压(例如， 大约400到900伏)电流来驱动辅助发电机/电动机，而不需要首先将该 电流转换成低频和低压。可以在电动机模式下使用多种控制方案来控制 辅助发电机/电动机，如AC电动机控制领域所公知的，包括但并不限于 伏特/赫兹控制、无传感器矢量控制、通量矢量控制，或者磁场导向控制。
本发明的另一个特征是，在发动机启动期间在电动机模式下使用辅 助发电机/电动机来驱动相关联的转子。因此，可以省略独立的启动装置。 在启动期间，可以从适当的源(例如，电池和逆变器或者其他电源)向 辅助发电机/电动机提供电能。
图2示出了示例性的涡轮入口温度与相对发电机载荷特性的关系， 并对系统10的发动机中的不同点处的多个温度(实线)与在采用现有技 术类型的控制方法的情况下存在的对应温度(虚线)进行了比较。根据 本发明，在100％的相对发电机载荷值(即，发动机的设计点)的情况下， 高压涡轮入口温度基本上等于大约1200K的最大允许涡轮入口温度。该 HPT入口温度保持在该值直到大约40％的相对发电机载荷。相反，在现 有技术的控制方法中，涡轮入口温度随着载荷下降到低于100％而稳定下 降。因此，在相同的相对载荷下，根据本发明的控制方案的总体发动机 效率要高于现有技术的控制方案。
在40％的相对载荷下，可以看出，低压涡轮出口温度(实质上等于 换热器入口温度)升高到大约900K的最大允许换热器温度。在更低的 载荷下，如果HPT入口温度保持在大约1200K，则LPT出口温度将超 过该最大允许换热器温度。因此，根据本发明，允许HPT入口温度下降 到低于1200K足够的量，以防止换热器入口温度超过最大允许水平。
当燃烧室36为催化燃烧室时，会出现可以影响对系统的控制的另一 因素。如上所述，催化燃烧室具有必须保持以维持催化反应的最小入口 温度。在现有技术的控制方法中，可以从图2中看出，在大约50％的相 对载荷以下，燃烧室入口温度下降到低于大约800K的该最小温度。然 而，根据本发明，可以通过对主发电机和辅助发电机/电动机进行调节来 控制燃烧室入口温度，以使其在发动机的任意工作点处都不会下降到低 于催化剂最小温度。为此，该系统优选地包括与控制器60相连的燃烧室 入口温度传感器68。该控制器对燃烧室入口温度进行监测，并以适当的 方式对发电机进行控制，以将该温度始终保持在催化剂最小温度或以上。 例如，从图2可以看出，使用本发明的控制方法的燃烧室入口温度从100 ％载荷点处的大约800K升高到40％载荷点处的大约860K。在40％载 荷以下，燃烧室入口温度大约恒定地保持在大致860K。因此，本发明使 得能够在部分载荷条件下实现效率的提高，同时还使得催化燃烧室能够 在所有工作点以及所有时刻都正常工作。
在图2中还可以注意到，燃烧室入口温度在本发明的控制方法中通 常比在现有技术的方法中要高。优选地，较高的燃料/空气比和较高的燃 烧室入口温度通常有利于预混合低排放燃烧室的较低排放。
以上说明的控制方案进行了下述的假设：直接测量涡轮入口温度并 将其用作控制参数。然而，在某些情况下，由于涡轮入口温度传感器必 须进行工作的极端应用环境，测量涡轮入口温度可能并不可行。因此， 另选地，可以测量发动机循环中的其他热力学变量，并根据循环计算来 导出涡轮入口温度。作为另一另选方案，该控制器可以存储适当控制参 数(例如，发动机空气流速)与相对发电机载荷的计划表，可以测量热 力学变量，使得能够导出该控制参数；该控制器随后对实际的(即，导 出的)控制参数进行调节(drive)，以使其基本上等于计划值。
所使用的具体控制方法以及为实施本方法而测量的参数并非关键。 本发明的基本概念在于通过对主发电机和辅助发电机/电动机进行调节来 控制发动机的操作。
同时，在载荷跟踪(following)工作模式下，必须对来自发电机系 统10的功率输出进行控制，以使其与负载所需的功率相匹配。该功率输 出主要是燃料流速的函数。因此，在载荷跟踪模式下，控制器如上所述 对空气流速进行控制，同时还对功率输出(由适当功率表(未示出)来 测量)进行控制，以满足需要。载荷跟踪控制方案也是公知的，因此这 里不进行进一步说明。
根据具体应用，系统10还可以在载荷跟踪以外的多种模式下进行工 作。在这些情况下，仍然可以采用已进行了说明的相同类型的速度和空 气流量控制。
本发明必须对主发电机和辅助发电机速度进行电控制，以控制通过 发动机的空气流速，并由此对发动机效率进行优化，还可以实现如上所 述的其他效果。在永磁体发电机的情况下，通过如上所述对整流器进行 控制来实现对发电机的控制。在绕组发电机的情况下，可以采用多种控 制方案。在一种方案中，控制器对励磁系统(未示出)进行控制，以调 节发电机速度。AC/DC和DC/AC转换不是必需的，而是可以使用AC/AC 转换器来合成所需频率的AC输出电流，以提供给负载。另选地，可以如 上所述地使用整流器和逆变器，在这种情况下，无需对整流器进行电流 控制，因为可以通过控制励磁系统来执行发电机速度的调节。
在另一种方案中，可以通过控制励磁系统和控制整流器的组合来实 现发电机速度控制。
如何控制发动机速度的细节并不是本发明的关键，根据本发明可以 使用多种方案来实现该操作。
优选地，本发明允许对具有固定几何的压缩机、涡轮以及燃烧室组 件的发动机的热力学循环进行控制。
可以通过调节主发电机和辅助发电机来实现的另一有利结果是避免 了压缩机工作的喘振区，尤其是比高压压缩机更易于出现喘振问题的低 压压缩机。在诸如周围温度较低时的特定工作条件下，喘振尤其令人烦 恼。随着周围温度下降，低压压缩机的工作线在该压缩机的压力比对流 量图中上升，因此朝向喘振线移动。借助于辅助发电机/电动机对发动机 操作进行的调节使得压缩机能够在比正常情况低的工作线上工作，由此 降低了遇到喘振的可能性。图3示出了低压压缩机的代表性图。针对没 有辅助发电机/电动机的现有技术的发动机，以及根据本发明的具有辅助 发电机/电动机(对其进行调节以控制低压压缩机的行为)的发动机，示 出了负30℃的周围温度下的工作线。可以看出，在较高流量的条件下， 现有技术的发动机的工作线具有很少的喘振容限(如果存在喘振容限的 话)。然而，辅助发电机/电动机控制的使用大大地降低了工作线，以使得 存在大得多的喘振容限。
对压缩机的工作线的位置进行控制还可以使压缩机能够在其图的峰 值效率区处或附近在很宽的条件范围内进行工作。在没有辅助发电机/电 动机控制的传统发动机系统中，例如，周围温度的较大变化容易导致工 作线在图上的较大移动。具体地，随着周围温度下降，工作线在给定流 量的情况下向上移动到较高的压力比，因此可能从该图的峰值效率区移 出。作为示例，图4示出了没有辅助发电机/电动机控制的现有技术的发 动机的低压压缩机图。可以看出，+30℃的工作线位于该图的峰值效率 区附近，而在-30℃下，工作线明显攀升，因此不再位于峰值效率区附 近。希望能对工作线进行控制，以使得压缩机可以在很宽的温度范围内 工作在峰值效率区附近。本发明的辅助发电机/电动机控制实现了该目的。
图5示出了在对低压转子应用辅助发电机/电动机控制时的低压压缩 机图。示出了周围温度为322K(大约+50℃)、298K(+25℃)、288K (+15℃)以及236K(-37℃)的工作线。在86度的范围内，通过辅 助发电机/电动机控制工作线进行了相对小的移动。为了实现这种结果， 辅助发电机/电动机根据需要向低压转子注入能量或从低压转子提取能 量。图6示出了该操作，该图示出了对于表示在图5的图上的四种不同 环境温度的辅助发电机/电动机功率与主发电机功率的关系。可以看出， 在236K(-37℃)的低周围温度下，辅助发电机/电动机向低压转子中 注入能量以使其加速(即，电动机模式)，由此使图上的工作线下降。在 322K(大约+50℃)的高周围温度下，辅助发电机/电动机从该转子中提 取能量以使其减速(即，发电机模式)，由此使该工作线上升。
本发明并不限于图1所示的双转子发动机类型。图7-10示出了本发 明的四个其他另选实施例。在图7中，示出了发电机系统110，其包括发 动机120，该发动机具有由气化器进行输入的自由动力涡轮。该气化器包 括安装在轴130上的压缩机128以及同样安装在轴130上的涡轮132。与 上述实施例相同，该气化器包括换热器34、燃烧室36，以及燃料计量阀 38。自由动力涡轮126被设置用来从气化器接收废气并使其膨胀，以可 旋转地驱动该动力涡轮。主发电机40安装在其上安装有动力涡轮126的 轴上或与该轴相连接，以使得主发电机40可以由该动力涡轮来驱动。辅 助发电机/电动机42安装在气化器轴130上或与该轴相连接，并由涡轮 132来驱动。与以上实施例相同，功率电子单元44与这些发电机相连。 与以上实施例相同，还包括换热器入口温度传感器66和燃烧室入口温度 传感器68，以及发动机传感器62、64。控制器60与功率电子单元和各 个传感器相连，并且可用来通过调节辅助发电机/电动机来调节气化器的 速度，以及通过调节主发电机来调节自由动力涡轮126的速度。可以采 用这种速度控制来实现上述目的中的任何一个。
在图8中，示出了发电系统210，其包括发动机220，该发动机220 具有由气化器进行输入的自由动力涡轮。该气化器包括安装在轴230上 的压缩机228以及同样安装在轴230上的涡轮232。与前述实施例相同， 该气化器包括换热器34、燃烧室36，以及燃料计量阀38。自由动力涡轮 226被设置用来从气化器接收废气并使其膨胀，以可旋转地驱动该动力涡 轮。主发电机40安装在气化器轴230上或与该轴相连接，并由涡轮232 来驱动。辅助发电机/电动机42安装在安装了该动力涡轮的轴上或与该轴 相连接，以使得辅助发电机/电动机42由该动力涡轮来驱动。与以上实施 例相同，功率电子单元44与这些发电机相连。与以上实施例相同，包括 换热器入口温度传感器66和燃烧室入口温度传感器68，以及发动机传感 器62、64。控制器60与功率电子单元以及各个传感器相连，并且可用来 通过调节主发电机来调节气化器的速度，以及通过调节辅助发电机/电动 机来调节自由动力涡轮226的速度。可以采用这种速度控制来实现上述 目的中的任何一个。
图9中示出了本发明的另一个实施例。发电系统310包括基本上如 在图1的实施例中所述的双转子发动机20。主发电机40安装在低压轴 24上或与该轴相连接，以使得主发电机40由低压涡轮26来驱动。辅助 发电机/电动机安装在高压轴30上或与该轴相连接，以使得高压涡轮对辅 助发电机/电动机进行驱动，或者由辅助发电机/电动机来驱动高压涡轮。 与以上实施例相同，功率电子单元44与这些发电机相连。与以上实施例 相同，包括换热器入口温度传感器66和燃烧室入口温度传感器68，以及 发动机传感器62、64。控制器60与功率电子单元以及各个传感器相连， 并且可用来通过调节主发电机来调节低压转子的速度，以及通过调节辅 助发电机来调节高压转子的速度。可以采用这种速度控制来实现上述目 的中的任何一个。
最后，本发明并不限于其中发动机为燃气涡轮的涡轮增压发动机循 环，还可以应用于涡轮增压往复式发动机循环。图10示出了本发明应用 于涡轮增压往复式发动机的一个可能示例。发电系统410包括往复式或 内燃式发动机420，该往复式或内燃式发动机420可以被构造为燃烧多种 类型的燃料中的任何一种，并且可以按照多种类型的热力学循环进行工 作。废气驱动涡轮增压器与该发动机连接，并且包括安装在轴424上的 压缩机422和安装在该轴上的用于驱动该压缩机的涡轮426。在压缩机 422中压缩的气体被提供给发动机进气口(可选地首先在中间冷却器(未 示出)中进行了冷却)，并与燃料进行混合，并被提供到发动机的汽缸， 在汽缸中进行燃烧，燃烧气体通过排气系统排出，并被提供给涡轮426。 涡轮使废气膨胀，以产生用于驱动压缩机的机械能。用于发电的主发电 机40安装在发动机420的输出轴421上或与该轴相连接。辅助发电机/ 电动机42安装在涡轮增压器的轴424上或与该轴相连接。与以上实施例 相同，功率电子单元44与这些发电机相连。与以上实施例相同，可以包 括传感器62、64。控制器60与功率电子单元和各个传感器相连，并且可 用来通过调节辅助发电机/电动机来调节涡轮增压器的速度。如果需要， 该控制器还可以如上所述通过调节主发电机来调节往复式发动机的速 度。可以采用这种速度控制来实现上述目的中的任何一个。这些目的尤 其适用于均质压燃式(HCCI)发动机，该均质压燃式发动机实质上是一 种往复式式发动机，其中在将燃料和空气引入到汽缸中之前，对燃料和 空气进行预混合，然后通过压缩热进行点火，即，采用贫油预混合燃烧 的往复式发动机。燃烧领域的技术人员可以容易地理解，与本发明的优 点适用于HCCI发动机相同，对于往复式发动机和涡轮来说贫油预混合 燃烧的要求和约束是相同的。
得益于前述说明书和相关附图所给出的教示，本发明所属领域的技 术人员可以很容易地想到此处阐述的本发明的许多变型和其他实施例。 因此，应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施例，而是旨在将这 些变型和其他实施例包含在所附权利要求的范围内。尽管此处采用了特 定的术语，但是它们只是在一般和描述意义上被使用，并不是出于限制 的目的。