NL1022803C2 - Micro reactie turbine met geïntegreerde verbrandingskamer en rotor. - Google Patents

Description

Λ t

Micro reactie turbine met geïntegreerde verbrandingskamer en rotor.

De uitvinding heeft betrekking op een apparaat voor het opwekken van mechanisch vermogen (kracht) en thermische energie (warmte) uit een brandstof, op 5 kleine vermogensschaal (orde grootte mechanisch vermogen 10 W - 150 kW).

In de stand van de techniek zijn turbines bekend van het in de aanhef genoemde soort. In een gasturbine (Braytoncyclus) wordt een gas in een compressor gecomprimeerd, in een verbrandingskamer verhit (waardoor het gasvolume toeneemt) en vervolgens in een turbine geëxpandeerd. Door het grotere gasvolume bij expansie 10 wordt meer expansiearbeid geleverd dan aan compressie arbeid gevraagd wordt, hetgeen leidt tot netto vermogenslevering. In een stoomturbine kringloop (Rankine cyclus) wordt een vloeistof met een pomp op druk gebracht, in een ketel verdampt en vervolgens in een turbine geëxpandeerd. Door het verschil tussen compressie- en expansiearbeid vindt ook hier netto vermogenslevering plaats, maar vanwege het 15 faseverschil (vloeibaar/gasvormig) is het verschil tussen compressie en expansiearbeid veel groter dan in een gasturbinecyclus.

In beide gevallen vindt arbeidslevering plaats in een roterende stromingsmachine, door omzetting van kinetische energie (bewegingsenergie) en potentiële energie (druk) van gassen in mechanische energie. Dit principe kan beschreven worden met een 20 integrale impuls(moment)balans.

Op de wanden van stromingskanalen (de schoepen) van de draaiende rotor worden door het gas (of damp) krachten uitgeoefend die samenhangen met de lokale druk en eventuele snelheidsverandering van het stromingsmedium.

In het algemeen treden daarbij minstens drie verliesmechanismen bij compressor 25 en expansie: 1. Lekkage van gas (of damp) door spleten tussen de bewegende rotorvlakken en de stilstaande behuizing.

2. Botsingsverliezen bij de overgang in de aanstroming van een stromingskanaal naar een ander stromingskanaal.

30 3. Wrijvingsverliezen (aan kanaal- en rotorwanden en intem, in het stromende medium).

Lekverliezen hangen samen met spleetbreedten. Gezien de eindige absolute maatnauwkeurigheid waarmee bewegende afdichtingen uitgevoerd kunnen worden 1022803- Η (ook met het oog op thermische uitzetting), zijn afdichtingproblemen vooral van belang bij kleine hoofdafmetingen van de compressor en turbinerotor.

I Daarnaast zijn botsingsverliezen evenredig met de dikte van de scheidingswanden tussen de stromingskanalen (de schoepdikte) die eveneens relatief H 5 groot wordt bij kleine hoofdafineting van de rotor.

I Ten slotte nemen snelheden en het wandoppervlak bij kleine afmetingen toe in verhouding tot de doorstroomoppervlakken.

I In WO 00/39440 wordt een reactieturbine beschreven bestaande uit een nabij de I hartlijn van de draaiingsas gelegen inlaat welke zich dadelijk opsplitst in een aantal 10 inlaatkanalen verbonden met een aantal individuele verbrandingsruimten en zich tot de omtrek uitstrekkende uitlaatkanalen.

I Uit WO 90/01625 is een roterende verbrandingskamer bekend waarbij een I begrenzing daarvan gevormd wordt door een watermantel die door centrifugaaleffecten I de omtreksbegrenzing vormt.

I 15 Uit DE 441730 is een inrichting bekend zonder compressor.

I Gezien het bovenstaande is het doel van de onderhavige uitvinding om te I voorzien in een apparaat van het in de aanhef genoemde soort, waarbij de verliezen (die I juist bij kleine afmetingen relatief groot zijn) geëlimineerd of sterk gereduceerd zijn.

Dat doel wordt volgens de onderhavige uitvinding bereikt met de eigenschappen van 20 conclusie 1. Volgens de onderhavige uitvinding wordt een verbetering verkregen ten opzichte van de stand der techniek door: 1. Compressie, verhitting en expansie in één, met uitzondering van aan en uitstroomopening, gesloten kanaal te doen plaatsvinden, dat niet afgedicht hoeft te worden naar de turbinebehuizing.

25 2. Een compressiekanaal zonder schoepovergang aan te sluiten op een verbrandingskamer die weer zonder schoepovergang is aangesloten op een expansiekanaal.

3. De rotor te voorzien van een voorgemengd gas/luchtmengsel dat in de rotor tot ontbranding komt 30 4. De snelheden waar mogelijk (vooral na de compressor) betrekkelijk laag te houden waardoor wrijvingsverliezen gereduceerd worden.

5. Draaiend in heet gas met een betrekkelijk lage viscositeit.

3

Doordat het gas op de rotor kracht uitoefent door een combinatie van impuls- en drukkrachten, valt de turbine in de categorie reactieturbines.

De basisvorm van de uitvinding bestaat uit een apparaat met bovenstaande kenmerken (1-5), waarbij een gas/luchtmengsel met geringe luchtovermaat wordt aangezogen, in 5 een compressorwiel wordt gecomprimeerd, in één daarop vast aangesloten verbrandingskamer wordt verbrand en vervolgens in een daarop vast aangesloten expansiewiel wordt geëxpandeerd.

Een kenmerk van de basisuitvoering van de uitvinding is de geringe luchtovermaat van het gas/luchtmengsel. Door de geringe luchtovermaat is een hoge 10 verbrandingstemperatuur te realiseren, hetgeen het omzettingrendement (Camot efficiency) ten goede komt.

Daarnaast geldt het kenmerk dat de rotor in het geëxpandeerde verbrandingsgas draait (dat nog een betrekkelijk hoge temperatuur heeft), en daardoor de wandwrijving betrekkelijk gering is.

15 Samenhangend met het voorgaande kenmerken wordt hier genoemd dat het in de basisuitvoering van de uitvinding gaat om een hoogtoerige toepassing van een roterende stromingsmachine. Als toerental wordt een waarde boven 50 000 omwentelingen per minuut voorzien.

Van belang voor de effectiviteit van de onderhavige uitvinding is de 20 compressieverhouding (de compressor-einddruk in verhouding tot de begindruk). In de uitvoering met eentraps centrifugale compressor is de drukverhouding en daarmee het omzettingsrendement gelimiteerd. In de onderhavige uitvinding is daarin voorzien door toepassing van een compressor met meerdere trappen, waarbij de bewegingsenergie van het gas uit een trap, door impulsoverdracht in de grenslaagstroming aan 25 rotorschijven, wordt teruggewonnen en omgezet in mechanische energie. Al doende krijgt een compressorstap de statische druk aangeboden van de voorafgaande stap en blijft de bewegingsenergie van het gas behouden voor vermogenslevering.

Doordat de gehele rotor met hoge omtrekssnelheid ronddraait, is een goede warmte-uitwisseling mogelijk met de hete verbrandingsgassen rondom de rotor. 30 Daarnaast kan door straling warmte uitgewisseld worden met de behuizing van de rotor. Deze warmtewisselende eigenschappen van de rotor maakt de volgende bijzondere uitvoeringsvormen mogelijk.

1022803-

Ten eerste kan de thermische energie die nog in de verbrandingsgassen beschikbaar is, aangewend worden voor voorverwarming van het gecomprimeerde gas/lucht-mengsel, alvorens dat in de verbrandingskamer wordt verbrand. Dit terugwinnen van restwarmte wordt regeneratie genoemd. Hierdoor is minder brandstof nodig om een bepaalde 5 temperatuur uit de verbrandingskamer te halen en neemt het rendement van de gasturbine toe.

H Een tweede mogelijkheid voor warmte-uitwisseling met het gecomprimeerde gas/lucht- H mengsel is koeling van dat gas/lucht-mengsel door enerzijds uitstraling van de rotor naar de turbine behuizing en anderzijds door koeling van de rotor met betrekkelijk I 10 koude aangezogen lucht. Door het aangezogen gas/lucht-mengsel te koelen kan een I hogere compressieverhouding gerealiseerd worden, dat ten goed komt aan het thermo- mechanisch omzettingsrendement.

I Een derde uitvoeringsvorm waarbij de goede warmte-uitwisseling van de rotor met z’n I omgeving benut wordt is verwarmen van het medium in de rotor, door een externe I 15 warmtebron. Deze externe warmtebron kan gevormd worden door bijvoorbeeld een stralingsbrander of hete gassen die langs de rotor gevoerd worden. Op deze wijze kan de verbranding gecontroleerd uitgevoerd worden en behoeft het medium in de rotor de verbranding zelf niet mogelijk te maken. Op deze wijze kan een gas door de compressor aangezogen worden en door de externe bron verhit worden. Ook is het 20 mogelijk dat niet een gas, maar een vloeistof door de rotor aangezogen wordt, in de rotor op druk gebracht wordt en vervolgens door de externe bron zodanig verhit wordt dat verdamping optreedt. De gevormde damp kan vervolgens in het expansiewiel geëxpandeerd worden. Op deze wijze is een Rankine (stoom) cyclus verkregen. In analogie met de gasturbine cyclus is ook hier een regeneratieve actie mogelijk door 25 warmte van de geëxpandeerde damp te benutten voor voorverwarming van het procesmedium, voorafgaande aan de verhitting door de externe warmtebron

De uitvinding heeft eveneens betrekking op een reactieturbine omvattende een roteerbaar aangebracht turbinewiel met een nabij de hartlijn daarvan aangebrachte inlaat en een nabij de buitenomtrek aangebrachte uitlaat waarbij tussen die inlaat en die 30 uitlaat een compressor is aangebracht, waarbij die compressor een meertrapscompressor omvat, waarbij elke compressieruimte omvat een nabij de hartlijn aangebrachte inlaat en nabij de buitenomtrek van het turbinewiel aangebrachte uitlaat en waarbij een verbindingsleiding is aangebracht tussen de uitlaat van de eerste 5 compressortrap en de inlaat van de tweede compressortrap. Deze bijzondere uitvoering van de compressor kan al dan niet in combinatie met een (stroomafwaartse) verbrandingskamer toegepast worden. De bovenbeschreven bijzondere uitvoering van de verbrandingskamer is voor deze variant van de compressor niet essentieel.

5 Immers reactieturbineconstructies zijn bekend die zonder reactiekamer werken.

I Volgens een van voordeel zijnde uitvoering van deze getrapte compressor wordt I de verbindingsleiding begrensd door de wanden van de ruimte van de eerste I compressortrap en van de tweede compressortrap. Op deze wijze beweegt het gas zich I zig-zag heen en weer.

I 10 De uitvinding heeft eveneens betrekking op een reactieturbine omvatttende een I roteerbaar aangebracht turbinewiel met een daarbij de hartlijn daarvan aangebrachte I inlaat en nabij de buitenomtrek aangebrachte uitlaat, waarbij tussen die uitlaat en inlaat I een compressor en verbrandingskamer zijn aangebracht. Daarbij wordt volgens de I uitvinding gebruik gemaakt van warmtewisselaarmiddelen waarmee de warmte uit het I 15 uittredende gas gebruikt wordt voor het verwannen van het gas dat uit de compressor I afkomstig is en aan de verbrandingskamer toegevoerd wordt, waarbij warmtewisseling I direct plaats vindt dat wil zeggen het uitstromende gas verwarmt via een I warmtewisselaar direct de stroom uit de compressor bewegend gas. De uitvoering van I de compressor of verbrandingskamer is voor deze variant waarbij direct de I 20 warmtewisseling toegepast wordt, niet essentieel.

I De uitvinding heeft eveneens betrekking op een warmtekrachtstelsel waarbij gebruik gemaakt wordt van een van de hierboven beschreven reactieturbine- I uitvoeringen in combinatie met een electrische generator. De daarbij vrijkomende I warmte wordt bij voorkeur gebruikt voor het verwarmen van een gebouw.

I 25 I De uitvinding zal verder worden beschreven aan de hand van de bijgaande figuren, waarin I Fig. 1 een gasturbine volgens de basisuitvoering.

I Fig. 2 een gasturbine volgens de basisuitvoering, met meertraps-schijven- I 30 compressor; I Fig. 3 een gasturbine volgens de basisuitvoering, waarbij regeneratie van restwarmte plaatsvindt; I 1022803- Η Η Fig. 4 een gasturbine volgens de basisuitvoering, waarbij koeling van gecomprimeerd gas geschiedt.

Fig. 5 een gasturbine volgens de basisuitvoering, waarbij externe verwarming van gas plaatsvindt.

5 Fig. 6 een stoomturbine volgens de basisuitvoering van de gasturine, met externe verbranding, geïntegreerde vloeistofpomp, verdamper en expansiewiel.

Fig. 7 een stoomturbine volgens figuur 6, waarbij regeneratie van restwarmte plaatsvindt.

10 Figuur 1 toont een rotor 1 in de basisuitvoering met compressorwiel 2, die een gas/luchtmengsel aanzuigt door de opening 3. Het compressie-kanaal 2, waarin de druk van het gas verhoogd wordt door de centrifugale versnelling die op de gasstroom werkt, I sluit vast aan op de verbrandingsruimte 4 die uitgevoerd is als één ringvormige kamer.

De initiële ontbranding van het voorgemengde gas/luchtmengsel kan geschieden door I 15 ontsteking met een vonkonsteker (bougie) 22, waarbij de elektrische energie vanuit de behuizing 23 (ook door een vonk) naar de bougie wordt overgebracht. Ook de H verbrandingsruimte 4 is vast aangesloten op het expansiewiel 5, waarin de hete gassen I uitstromen door een straalbuis 6, die de uitstromende gasstraal een overwegend tangentiële snelheid geven. De uitstroom kan geschieden zuiver tangentieel (aan de I 20 rotoromtrek), of met een axiale component richting compressor (zoals geschetst) of I juist van de rotor afgericht, of een combinatie van voorgaande richtingen.

I Doordat de gassen met een hogere snelheid- en/of grotere radius uit stromen ten I opzichte van de aangezogen gassen, wordt een netto koppel op de rotor 1 uitgeoefend I dat via een uitgaande as .. benut kan worden aandrijving van een werktuig, b.v. een 25 elektriciteitsgenerator met een vermogen van bijvoorbeeld tussen 10W en 150KW.

Omdat de absolute snelheid van het uitstromende medium een verlies aan I bewegingsenergie representeert dient die zo laag mogelijk gehouden te worden. Gezien I het behoud van impulsmoment betekent dit dat op de rotor een klein mechanisch I koppel uitgeoefend zal worden. Dit houdt in dat een gevraagd mechanisch vermogen I 30 bij voorkeur ontwikkeld moet worden bij een klein mechanisch koppel en een hoog I toerental van de rotor. Voorzien wordt een toerental van meer dan 50000 I omwentelingen per minuut.

7

Voor die toepassingen waarbij een eentraps compressorwiel que drukverhogjng niet voldoet, wordt in figuur 2 een uitvoeringsvorm gegeven met een meertraps (in dit geval 2) compressor wiel. In deze uitvoeringsvorm van de compressor wordt na elke (centrifugale) compressie stap (kanaal 2) het gas aan een impuls-regeneratietrap 9 5 toegevoerd. Het gas (dat een hogere tangentiele snelheidscomponent heeft dan die van het compressorwiel 2) geeft daarbij door wrijving in de grenslagen aan de schijven tangentiele impuls over aan de rotor waardoor mechanische energie geleverd wordt. Door het achter elkaar plaatsen van verschillende trappen wordt een opeenstapeling van statische drukverhoging verkregen, waardoor de drukverhouding toeneemt zonder een 10 extreem hoog toerental en/of rotorafmeting. Bijzonder kenmerk van de schijvencompressor is dat de bewegingsenergie van het gas na elke compressie-stap grotendeels wordt omgezet in mechanische energie (in de grenslagen aan de schijven) en zo wordt teruggewonnen.

Figuur 3 geeft een de basisuitvoering van de turbine, waarbij de thermische 15 energie die nog in de uitlaatgassen aanwezig is, wordt benut voor voorverwarming van het gecomprimeerde gas/luchtmengsel in een regeneratieruimte 10. De regeneratieruimte 10 is voorgeschakeld en vast verbonden met de verbrandingsruimte 4. Door regeneratie van restwarmte wordt een hoger thermodynamisch rendement van de turbine bereikt.

20 In figuur 4 geeft een uitvoeringsvorm van de basisconfiguratie waarbij het gecomprimeerde gas/luchtmengsel wordt gekoeld door een koelstroom 11. Door koeling kan een hogere compressi e-einddruk verkregen worden, zonder dat gepaard gaat met ongewenste zelfontbranding van het arbeidsmedium. Als het medium niet né, maar tijdens compressie in kanaal 2 teruggekoeld wordt, wordt een isotherm 25 compressie proces benaderd dat eveneens voordelig is voor het systeemrendement. Vanuit de thermodynamica is bekend dat een gasturbinecyclus met regeneratie en isotherme- compressie en expansie de ideale Camot-cyclus benaderd.

Zoals in figuur 5 is weergegeven kan voorverwarming van de gecomprimeerde gas/luchtmengsel ook plaatsvinden door middel van een externe warmtebron 12 die 30 warmte via de rotorwand afgeeft aan de lucht in het verhittingskanaal 4. Externe verbranding (buiten de rotor) levert als voordelen een beter te controleren (ontsteken) en stabielere verbranding. Bovendien is een externe verbranding vanwege de grotere vrijheidsgraden (geometrie) makkelijker te realiseren.

1022803- Η Een uitvoeringsvorm met externe warmtebron werkend op basis van een Rankine- I stoom-cyclus is weergegeven in figuur 6. Deze uitvoeringsvorm werkt op basis van een H verdampende vloeistof. De vloeistof wordt door een aanzuigbuis 13 uit een vloeistoftoevoerbuis 14 gezogen en op een verhoogde druk gebracht in het pompwiel 5 15. Door de draaiingsas verticaal te plaatsen is geen roterende afdichting nodig tussen I de rotor en het vloeistoftoevoerbuis. In de vast op het pompkanaal 15 aangesloten I verdampingsruimte 16 wordt de vloeistof verdampt onder invloed van warmte die is I aangevoerd door een externe warmtestroom 17. De gevormde damp wordt in de I straalbuizen 18 in de omgeving geëxpandeerd, waarbij het z’n impuls overdraagt aan de 10 rotor. Het voordeel van een de Rankine cyclus is de hogere arbeidsfactor (minder I compressie arbeid nodig in verhouding tot de expansiearbeid).

I Tenslotte geeft figuur 7 een uitvoeringsvorm waarbij de restwarmte van de damp na expansie wordt hergebruikt (geregenereerd) voor voorverwarming van vloeistof, I voorafgaande aan toevoer van thermische energie middels de externe warmtebron 19, I 15 die in dit geval aan de holle rotorwand geplaatst is. Evenals dat bij de gasturbine geldt, I neemt door regeneratie de energie efficiency van het systeem toe.

I 1022803-

Claims (15)

1. Reactieturbine omvatttende een roteerbaar aangebracht turbinewiel, waarbij dat tmbinewiel omvat een nabij de hartlijn daarvan aangebrachte inlaat en nabij de buitenomtrek aangebrachte uitlaat, waarbij tussen die uitlaat en inlaat een compressor 5 en verbrandingskamer zijn aangebracht, met het kenmerk, dat die veibrandingskamer omvat een open ringvormige kamer, welke kamer volledig binnen dat turbinewiel begrensd is.

2. Reactieturbine volgens conclusie 1, waarbij die compressor een 10 meertrapscompressor omvat, waarbij elke compressieruimte omvat een nabij de hartlijn aangebrachte inlaat en nabij de buitenomtrek van het turbinewiel aangebrachte uitlaat en waarbij een verbindingsleiding is aangebracht tussen de uitlaat van de eerste compressortrap en de inlaat van de tweede compressortrap.

3. Reactieturbine volgens conclusie 2, waarbij die verbindingsleiding begrensd wordt door een wand van de ruimte van de eerste compressortrap en een wand van de ruimte van de tweede compressorstap.

4. Reactieturbine volgens conclusie 2 of 3, waarbij die wand een wrijvingsschijf omvat. 20

5. Reactieturbine volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de uitwendige diameter van het turbinewiel kleiner dan 200 mm is.

6. Reactieturbine volgens een van de voorgaande conclusies, omvattende 25 warmtewisselaarmiddelen voor het verwarmen van het gas afkomstig uit de compressor.

7. Reactieturbine volgens conclusie 6, waarbij het warmtewisselaaroppervlak van die warmtewisselaarmiddelen enerzijds de uitlaat van het uitlaatkanaal van dat turbinewiel 30 begrenst en anderzijds de verbinding tussen compressor en verbrandingsruimte. 1022803- Η I 10

8. Reactieturbme volgens een van de voorgaande conclusies, omvattende warmtewisselaarmiddelen voor het koelen van het gas dat aan de compressor I toegevoerd en/of gecomprimeerd wordt. I 5

9. Warmtekrachtstelsel omvattende een reactieturbme volgens een van de voorgaande I conclusies en een electrische generator.

10. Warmtekrachtstelsel volgens conclusie 9, waarbij warmtewisselaarmiddelen I aangebracht zijn verbonden met een verwarmingsstelsel voor gebouwen. I 10

11. Werkwijze voor het roterend aandrijven van een turbinewiel van een reactieturbme, omvattende het via de inlaat daarvan inbrengen van een gas, het comprimeren daarvan, I het in een verbrandingskamer reageren van dat gas tot verbrandingsgas en het via een uitlaat afVoeren van dat verbrandingsgas, met het kenmerk, dat op slechts een plaats in 15 dat turbinewiel verbranding plaats vindt en het daarbij ontstane verbrandingsgas in I deelstromen opgesplitst wordt.

12. Werkwijze volgens conclusie 11, waarbij dat comprimeren in ten minste twee I trappen uitgevoerd wordt, waarbij tussen die trappen een transporttrap aanwezig is, I 20 waarbij de bewegingsenergie van het medium uit de eerste compressietrap wordt I omgezet in mechanische energie in die tussentrap waarbij de statische druk van het I medium behouden blijft.

13. Werkwijze volgens conclusie 12, waarbij tijdens die transporttrap dat gas langs een 25 wrijvingsoppervlak geleid wordt.

14. Werkwijze volgens een van de conclusies 11-13, waarbij dat gas/arbeidsmedium I bestaat uit een voorgemengd gas/luchtmengsel. I 30

15. Werkwijze volgens een van de conclusies 11-13, waarbij dat gas/arbeidsmedium I bestaat uit een tweefase medium dat als vloeistof op druk gebracht wordt en door I toevoer van thermische energie overgaat in damp en als geëxpandeerde damp de uitlaat I verlaat.