NL1034458C2 - Microturbinesysteem, alsmede werkwijze. - Google Patents

Description

«

Titel: Microturbinesysteem, alsmede werkwijze

De uitvinding heeft betrekking op een microturbinesysteem.

Diverse systemen zijn bekend om elektriciteit op te wekken. Zo maken elektriciteitscentrales gebruik van relatief omvangrijke complexe, kostbare stoomturbines en elektriciteitsgeneratoren, ingericht om relatief 5 hoge vermogens (> 1 MW) op te wekken. Dergelijke stoomturbines zijn in vele varianten bekend, en gezien de omvang en kostprijs niet geschikt voor kleinschalig gebruik.

Het ontwerp van bekende, omvangrijke electriciteitscentrale-turbinesystemen is niet geschikt om te worden verkleind (“downsizing”) ten 10 behoeve van locaal gebruik. Zo zijn de turbinesystemen doorgaans voorzien van een groot aantal spleten (bijv. langs roterende turbineonderdelen en bij lagers). Der gelijke spleten kunnen niet of nauwelijks worden verkleind, binnen gewenste werkbare machinetoleranties, waardoor verkleining van overige systeemdelen zou leiden tot onaanvaardbare lekverliezen.

15 De Engelse octrooiaanvrage GB 2417294 stelt een geheel nieuw stoomturbineontwerp voor, ten behoeve van huishoudelijk of kleinschalig commercieel gebruik. Dit bekende systeem is voorzien van een onder invloed van aan turbine-kanalen toegevoerde stoom, roterende boiler. GB’294 stelt dat de turbine slechts efficiënt kan zijn bij hoge toerentallen. Rotatie kan op 20 diverse toepassingen worden overgebracht via een reductie-overbrenging.

De stoomturbine kan een 230V generator aandrijven.

Daarnaast is uit de praktijk het relatief kostbare WhisperGen™ systeem bekend, dat een cogneratiesysteem (warmte en elektriciteit) omvat gebaseerd op een 4-cilinder Stirling motor (zie WO2006135260). Een ander 25 uit de praktijk bekend systeem (de Lion® van Otag) is voorzien van een vrije zuiger.

1034458 2

De onderhavige uitvinding beoogt een verbeterd microturbinesysteem. In het bijzonder beoogt de uitvinding een relatief klein turbinesysteem dat elektriciteit met relatief hoge efficiëntie kan opwekken.

5 Volgens de uitvinding wordt het systeem hiertoe gekenmerkt doordat het is voorzien van -een eerste en een tweede schoepenwiel; -ten minste een spuitmond om een drukmedium op het eerste schoepenwiel te spuiten, om dat wiel aan te drijven, waarbij het eerste 10 schoepenwiel is geconfigureerd om het van de spuitmond ontvangen drukmedium aan het tweede schoepenwiel over te dragen, om het tweede schoepenwiel aan te drijven, het een en ander zodanig dat het eerste en tweede schoepenwiel in tegenovergestelde richting roteerbaar zijn onder invloed van het drukmedium; en 15 -een eerste respectievelijk een tweede elektriciteitsgenerator, die aan het eerste respectievelijk tweede schoepenwiel zijn gekoppeld.

Het microturbinesysteem volgens de uitvinding kan met relatief kleine afmetingen worden uitgevoerd, zodat het systeem bijzonder goed geschikt is voor locaal gebruik (bijv. in een huishouden, kleinschalig 20 commercieel gebruik, een transportmiddel, vaartuig, voertuig, vliegtuig, of dergelijke). Het systeem kan bovendien uit relatief weinig onderdelen worden op gebouwd, een duurzame en relatief goedkope constructie omvatten, en elektriciteit met een relatief hoog rendement (bij voorkeur meer dan 60%) leveren.

25 Mogelijke toepassingen van het onderhavige microturbinesysteem omvatten bijvoorbeeld een micro-WKK (warmtekrachtkoppeling) installatie, centrale verwarmingssystemen, of een semi-hybride aandrijving voor schepen. Het microturbinesysteem kan worden toegepast als tweede trap in een gecombineerde-cyclus STEG (stoom- en gascentrale) eenheid, waarbij 30 een eerste trap bijvoorbeeld een gasturbine of brandstofcel omvat.

3

Bij voorkeur is genoemd medium stoom, echter, andere hoge druk media (bijvoorbeeld hoge druk gas of een hoge druk gasmengsel) kunnen eveneens worden toegepast.

Volgens een voorkeursuitvoering van de uitvinding is het systeem 5 voorzien van synchronisatiemiddelen die zijn ingericht om rotatie van de schoepenwielen te synchroniseren. Bij voorkeur wordt rotatiesnelheid van gesynchroniseerd, via (onder gebruikmaking van) de elektriciteitsgeneratoren. In een eenvoudige uitvoering kunnen, ten behoeve van de rotatiesynchronisatie, elektrische uitgangen van de generatoren (via 10 een geschikte elektrische verbinding) indirect of direct elektrisch aan elkaar zijn gekoppeld. Alternatief kunnen de schoepenwielen en generatoren asynchroon ten opzichte van elkaar lopen tijdens gebruik.

Volgens een nadere uitwerking is elke elektriciteitsgenerator voorzien van een respectieve rotor die rotatievast aan een aandrijfas is 15 gekoppeld, welke aandrijfas rotatievast aan een respectief schoepenwiel is gekoppeld. Op deze manier kan elk schoepenwiel direct rotatieavst aan de bijbehorende generator zijn gekoppeld, zodat toepassing van inefficiënte reductieoverbreningen wordt vermeden.

Volgens een bijzonder voordelige uitvoering is het systeem voorzien 20 van een van een omgeving gasdicht afgesloten eerste kamer waarin genoemde schoepenwielen zijn opgesteld. Tijdens gebruik kan de druk in die kamer bijvoorbeeld subatmosferisch zijn (bijvoorbeeld een druk van circa 0,1 bar of lager). Bij voorkeur is het systeem voorzien van tweede, van de omgeving gasdicht afgesloten kamers waarin althans rotoren van genoemde 25 elektriciteitsgeneratoren zijn opgesteld. Een bijzonder duurzaam, efficiënt en compact systeem wordt bereikt wanneer het systeem is voorzien van middelen (althans, is geconfigureerd) om een zich tijdens gebruik in de eerste kamer heersende (bij voorkeur relatief lage) druk aan elk van de tweede kamers door te geven. In genoemde tweede kamers kan bijvoorbeeld 4 eveneens tijdens gebruik een subatmosferische druk (bijvoorbeeld een druk van circa 0,1 bar of lager) heersen.

Volgens een nadere uitwerking is genoemd eerste schoepenwiel voorzien van eerste drukmedium-ontvangende kanalen, welke zijn 5 geconfigureerd om tijdens gebruik een van genoemde spuitmond in een eerste aandrijfrichting ontvangen drukmedium in een tweede aandrijfrichting op het tweede schoepenwiel te spuiten, waarbij zowel de eerste als tweede aandrijfrichting een axiale snelheidscomponent hebben, waarbij een tangentiële snelheidscomponent van de tweede aandrijfrichting 10 tegenovergesteld gericht is aan een tangentiële snelheidscomponent van de eerste aandrijfrichting.

De uitvinding verschaft voorts een werkwijze voor het genereren van elektriciteit, bij voorkeur onder gebruikmaking van een systeem volgens de uitvinding, de werkwijze omvattende: 15 -genereren van een drukmedium; -het in een eerste rotatierichting roteren van een eerste schoepenwiel onder gebruikmaking van genoemd drukmedium; - het in een tweede rotatierichting, tegenovergesteld aan genoemde eerste rotatierichting, roteren van een tweede schoepenwiel onder 20 gebruikmaking van drukmedium afkomstig van (afgegeven door) het eerste schoepenwiel; -het onder invloed van het eerste en tweede roterende schoepenwiel aandrijven van een eerste respectievelijk tweede elektriciteitsgenerator.

Op deze manier kunnen bovengenoemde voordelen worden 25 verkregen. Bij voorkeur hebben de in tegenovergestelde richting roterende schoepenwielen dezelfde rotatiesnelheid.

Nadere voordelige uitwerkingen van de uitvinding zijn beschreven in de volgconclusies. Thans zal de uitvinding worden verduidelijkt aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld en de tekening. Daarin toont: « 5

Fig. 1 een langsdoorsnede van een deels uiteengenomen uitvoeringsvoorbeeld van de uitvinding;

Fig. 2 een bovenaanzicht van een detail van het uitvoeringsvoorbeeld van Fig. 1; en 5 Fig. 3 een diagram van een uitvoeringsvoorbeeld.

Gelijke of overeenkomstige maatregelen worden in deze aanvrage met gelijke of overeenkomstige verwijzingstekens aangeduid. In figuren 1, 2 zijn drie orthogonale richtingen met pijlen X, Y resp. Z aangeduid.

De figuren 1-3 tonen schematisch een uitvoeringsvoorbeeld van een 10 microturbinesysteem 1 (ook wel een Turbogenerator genoemd). Het systeem is voorzien van een eerste en een tweede roteerbaar schoepenwiel 2, 3, en ten minste één spuitmond 4 (in het bijzonder van een straalbuis) om een op een bovenatmosferisch gebracht drukmedium (bijvoorbeeld een damp, stoom, of een ander medium) op het eerste schoepenwiel 2 te spuiten, om 15 dat wiel 2 aan te drijven. De wielen 2, 3 zijn in het bijzonder axiaal ten opzichte van elkaar uitgelijnd. Het eerste schoepenwiel 2 is geconfigureerd om het van de spuitmond 4 ontvangen drukmedium aan het tweede schoepenwiel 3 over te dragen, om het tweede schoepenwiel 3 aan te drijven. Het een en ander is zodanig dat het eerste en tweede schoepenwiel 2, 3 in 20 tegenovergestelde richting roteerbaar zijn onder invloed van het drukmedium. Een eerste rotatierichting van het eerste wiel 2 is met pijl Q1 in Fig. 2 aangeduid, en de tegenovergestelde rotatierichting met pijl Q2. Het systeem 1 is verder voorzien van een eerste respectievelijk een tweede elektriciteitsgenerator 12, 13, die aan het eerste respectievelijk tweede 25 schoepenwiel 2, 3 zijn gekoppeld.

De elektriciteitsgeneratoren 12, 13 kunnen op verschillende manieren zijn uitgevoerd, hetgeen de vakman duidelijk zal zijn. In het uitvoeringsvoorbeeld is elk van deze generatoren 12, 13 voorzien van vaste magneten M en spoelen S die beweegbaar ten opzichte van elkaar zijn om 6 stroom in de spoelen S op te wekken (door middel van inductie). In het bijzonder zijn de generatoren 12, 13 voorzien van rotoren R die de permanente magneten M omvatten; de rotoren R zijn bijvoorbeeld rotatievast met respectieve roteerbare aandrijfassen 22, 23 verbonden. De 5 aandrijfassen 22, 23 zijn axiaal ten opzichte van elkaar uitgelijnd (althans, strekken zich langs dezelfde hartlijn uit).

In het bijzonder is de rotor R van de eerste elektriciteitsgenerator 12 rotatievast aan een eerste aandrijfas 22 gekoppeld, welke eerste aandrijfas 22 rotatievast aan het eerste schoepenwiel 2 is gekoppeld. De 10 rotor R van de tweede elektriciteitsgenerator 13 is rotatievast aan een tweede aandrijfas 23 gekoppeld, welke tweede aandrijfas 23 rotatievast aan het tweede schoepenwiel 3 is gekoppeld. Op deze manier zijn de schoepenwielen 2, 3 direct, rotatievast, aan respectieve generatoren 12, 13 verbonden (via de assen 22, 23), zodat de rotoren R van de generatoren 12, 15 13 tijdens gebruik met dezelfde snelheden roteren als de bijbehorende wielen 2, 3.

De spoelen S maken bijvoorbeeld deel uit van statordelen van de generatoren 12, 13. De spoelen S zijn gekoppeld aan elektriciteitsuitgangen 32, 33 (zie Fig. 3) om door de respectieve generatoren 12, 13 opgewekte 20 elektriciteit (in dit geval wisselstroom) af te voeren. Elk van genoemde elektriciteitsuitgangen 32, 33 kan bijvoorbeeld een meerfaseuitgang (bijv. een 3-fase uitgang) omvatten, afhankelijk van de configuratie van de generatoren. Volgens een niet-limitatief voorbeeld kan elke generator 12, 13 bijvoorbeeld zijn voorzien van 8-pools rotoren. Elke generator 12, 13 kan 25 bijvoorbeeld zijn ingericht om circa 2000 Hz wisselstroom te leveren bij 30000 toeren per minuut. In het bijzonder zijn de eerste en tweede generator 12, 13 ingericht om dezelfde spanning op te wekken, wanneer de rotoren R van de generatoren 12, 13 bij dezelfde snelheid roteren.

Daarnaast is het voordelig indien de generatoren 12, 13 zijn 30 ingericht om verschillende vermogens op te wekken; bij voorkeur is de 7 eerste generator 12 uitgevoerd om een hoger vermogen te leveren bij een bepaald toerental dan een door de tweede generator 13 bij hetzelfde toerental geleverde vermogen. Een verhouding van door de generatoren 12, 13 te leveren vermogens is bij voorkeur ongeveer gelijk aan een door de 5 respectieve schoepenwielen 2, 3 tijdens gebruik te leveren vermogens (zo zal het stroomopwaartse eerste schoepenwiel 2 doorgaans tijdens gebruik een hoger vermogen aan de respectieve aandrijfas 22 leveren dan het stroomafwaartse tweede wiel 3 aan de respectieve as 23 levert, in het bijzonder ten gevolge van verlies van kinetische energie van het 10 drukmedium ten behoeve van het aandrijven van het eerste schoepenwiel 2)·.

Bij voorkeur zijn de schoepenwielen 2, 3 en rotordelen van de generatoren in een of meer, van een omgeving gasdicht afgesloten ruimte(s) opgesteld. Tijdens gebruik kunnen deze een of meer ruimtes op een 15 onderdruk ten opzichte van een (buiten het systeem 1 heersende) omgevingsdruk worden gehouden. Genoemde onderdruk kan bijvoorbeeld lager zijn dan 1 atmosfeer, en kan bij voorkeur circa 0,1 bar omvatten of een lagere druk

Het uitvoeringsvoorbeeld is voorzien van een van een omgeving 20 gasdicht afgesloten eerste kamer KI waarin genoemde roteerbare schoepenwielen 2, 3 zijn opgesteld. De kamer Kl is bij voorkeur cilindervormig (bijvoorbeeld met een cilindrische wand). In Fig. 1 is deze kamer Kl in een uiteengenomen (geopende) stand weergegeven, waarbij huisdelen 6, 7 die de kamer omgeven enigszins in axiale richting X uit 25 elkaar zijn bewogen. Bij een gesloten stand van de eerste kamer Kl zijn naar elkaar toe gekeerde (bij voorkeur ringvormige) flenzen 6a, 7a van de huisdelen 6, 7 in hoofdzaak gassdicht aan elkaar gekoppeld (en bijvoorbeeld losmaakbaar met elkaar verbonden, bijvoorbeeld door niet weergegeven boutmiddelen of dergelijke). De flenzen 6a, 7a reiken axiaal vanaf 30 respectieve langswanden 6b, 7b van de kamer Kl. Elke kamerlangswand 8 6b, 7b is voorzien van een asdoorgang 6c, 7c om de aandrijfassen 22, 23 en/of centrale schoepenwieldelen (zie fig. 1) door te voeren.

Bij voorkeur is het systeem voorzien van tweede, eveneens van de omgeving gasdicht afgesloten kamers K2, K3, bij voorkeur cilindervormige 5 kamers, waarin althans de rotordelen van de elektriciteitsgeneratoren 12, 13 zijn opgesteld. In het uitvoeringsvoorbeeld zijn tevens de van spoelen S voorziene statordelen in deze tweede kamers opgesteld. Elke tweede kamer K2, K3 kan uitneembaar zijn uitgevoerd, met losmaakbaar aan elkaar gekoppelde huisdelen, om toegang te verkrijgen tot zich in die kamer 10 bevindende generatordelen. Zoals Fig. 1 toont zijn de tweede kamers K2 bijvoorbeeld voorzien van eerste zijwanden 8a, 9a die op van de wielen 2, 3 afgekeerde zijden van de langswanden 6b, 7b van de eerste kamer zijn aangebracht (bij voorbeeld via losmaakbare boutmiddelen). Elke zijwand 8a, 9a is voorzien van een doorgang om een aandrijfas 22, 23 door te voeren. In 15 het uitvoeringsvoorbeeld is elke zijwand 8a, 9a voorzien van een lager 52, 53 om de door die zijwand gevoerde roteerbare aandrijfas 22, 23 te lageren. Tegenoverliggende, in het bijzonder gesloten, zijwanden 8b, 9b van de tweede kamers K2, K3 zijn eveneens voorzien van lagers 54 resp. 55 om einden van de aandrijfassen 22, 23 te houden. Zoals uit het bovenstaande 20 volgt vormen de drie kamers KI, K2, K3 gezamenlijk bij voorkeur een behuizing die de generatoronderdelen M, S, aandrijfassen 22, 23 en turbine-schoepenwielen 2, 3 luchtdicht omsluit.

Bij voorkeur is het systeem voorzien van middelen om een zich tijdens gebruik in de eerste kamer KI heersende druk aan elk van de 25 tweede kamers K2, K3 door te geven (althans, om de druk tussen de kamers KI, K2, K3 te vereffenen). Dergelijke drukvereffeningsmiddelen kunnen op verschillende manieren zijn uitgevoerd, en bijvoorbeeld een of meer doorgangen of kanalen omvatten die zich door de zijwanden 6, 7, 8a, 9a uitstrekken, ingericht om stroming van gas vanuit elke tweede kamer naar 30 de eerste kamer toe te staan. Bij voorkeur zijn de drukvereffeningsmiddelen 9 middelen ingericht om doorvoer van een genoemd drukmedium (bijvoorbeeld genoemde stoom) vanuit de eerste kamer KI naar elke tweede kamer K2, K3 tegen te gaan of in hoofdzaak te blokkeren.

Voor de vakman zal duidelijk zijn dat de drukvereffeningsmiddelen 5 op diverse manieren kunnen zijn uitgevoerd. Volgens een voordelige uitvoering zijn de hierboven genoemde lagers 52, 53 de drukvereffeningsmiddelen. Elk van de lagers 52, 53 kan bijvoorbeeld zijn uitgevoerd om een bepaalde stroming van gas vanuit elke tweede kamer K2, K3 naar de eerste kamer KI toe te staan. De lagers 52, 53 kunnen zijn 10 ingericht om de tweede kamer K2, K3 op een bepaalde (genoemde) onderdruk te brengen en te houden door gas uit die kamers K2, K3 weg te voeren, naar de eerste kamer KI toe, via de lagers 52, 53. Daarnaast (zoals genoemd) zijn de lagers 52, 53 dan bij voorkeur ingericht om doorstroming van genoemd drukmedium (door de lagers 52, 53 heen) tegen te gaan.

15 In een nadere uitwerking kan bijvoorbeeld tussen een genoemd lager 52, 53 en een schoepenwiel een niet weergegeven keerring zijn aangebracht, welke keerring is ingericht om slechts gas door te laten vanuit de respectieve tweede kamer K2, K3 naar de eerste kamer KI. Een respectieve aandrijfas 22, 23 kan dan door die keerring steken.

20 Genoemde lagers 52, 53, 54, 55 kunnen elk op verschillende manieren zijn uitgevoerd, en bijvoorbeeld kogellagers omvatten, of een ander type lager.

In het uitvoeringsvoorbeeld zijn de eerste (centrale) kamer KI en tweede kamers K2, K3 losmaakbaar aan elkaar verbonden. Tussen de 25 kamers KI, K2, K3 is bijvoorbeeld isolatie- en/of dempingsmiddel 16 aangebracht, bijvoorbeeld kunststof beplating, teflon, trespa, en/of ander materiaal. Het isolatie- en/of dempingsmiddel 16 kan bijvoorbeeld dienen om warmteoverdracht tussen de wanden van de eerste kamer KI enerzijds en wanden van de tweede kamers K2, K3 anderzijds te remmen. De 30 genoemde isolatie is in het bijzonder voordelig, indien tijdens gebruik een 10 temperatuur van de eerste kamer hoger is dan een temperatuur van een generatorkamer K2, K3.

De kamerwanden van de drie kamers KI, K2, K3 zijn bij voorkeur van aluminium vervaardigd, maar kunnen tevens ander materiaal 5 omvatten (bijvoorbeeld staal). Verder kunnen de tweede kamers K2, K3 bijvoorbeeld uit een stuk met de eerste kamer KI zijn vervaardigd, of op een andere wijze onlosmaakbaar ten opzichte van elkaar zijn. Zijwanden 8a, 9a van de tweede kamers K2, K3 kunnen bijvoorbeeld met langswanden 6b, 7b van de centrale kamer KI zijn geïntegreerd.

10 Bij het uitvoeringsvoorbeeld is een eerste langswand 6b van de (stoomturbine-)kamer KI voorzien van genoemde een of meer op vaste posities opgestelde spuitmonden 4 (bijvoorbeeld bij of nabij een bovenzijde van de kamer KI). Bij voorkeur is elke spuitmond van het (op zichzelf bekende) Laval-type (zie fig. 3). Elke spuitmond 4 is ingericht om 15 drukmedium met supersonische snelheid in een bepaalde richting R1 de eerste kamer KI in te spuiten (zie Fig. 2), om het eerste schoepenwiel 2 aan te drijven. Genoemde Laval spuitmond 4 is in het bijzonder voorzien van een verjonging 4a, met een zich daarvandaan stroomafwaarts enigszins divergerend deel 4b. Elke spuitmond is bij voorkeur gericht naar een 20 omtreksdeel van het eerste schoepenwiel 2, welk omtreksdeel schoepenkanalen 62 omvat (zie hieronder).

De tweede langswand 7b van de eerste kamer KI is voorzien van een condensor-uitgang 5, om drukmedium uit de kamer KI af te voeren en aan een lage-druk condensor 81 toe te voeren. De condensor-uitgang 5 25 bevindt zich bijvoorbeeld op een positie ongeveer tegenover genoemde een of meer spuitmonden 4. Zoals Fig. 3 schematisch toont kan een drukmedium-afvoerleiding 89 na montage bijvoorbeeld op de uitgang 5 zijn aangesloten om die uitgang in fluïdumverbinding te brengen met een ingang van de condensor 81.

11

De condensor 81 kan op verschillende manieren zijn uitgevoerd, en omvat bij voorkeur een warmtewisselaar, ingericht om warmte uit het drukmedium te onttrekken ten behoeve van het condenseren van dat medium. De condensor 81 kan bijvoorbeeld zijn ingericht om de warmte, 5 afkomstig uit het drukmedium, aan omgevingslucht en/of een warmte ontvangend medium over te dragen. Dergelijke restwarmte kan bijvoorbeeld worden gebruikt in een ruimte-verwarmingssysteem (bijv. centrale verwarmingssysteem), en/of voor andere toepassingen.

Een condensaat-afvoerleiding 87, voorzien van een 10 condensaatpomp 81, kan aanwezig zijn om gecondenseerd drukmedium van de condensor 81 naar een verwarmingsinrichting 82, bijvoorbeeld een boiler of der gelijke. De verwarmingsinrichting 82 is ingericht om gecondenseerd drukmedium op bovenatmosferische druk te brengen door het drukmedium te verhitten. Bij toepassing van stoom als drukmedium kan de 15 verwarmingsinrichting 82 stoom genereren, uit door de condensor 81 gecondenseerd stoom (i.e. water).

De verwarmingsinrichting 82 kan het drukmedium bijvoorbeeld op een druk van meer dan 2 bar brengen, bij voorkeur op een druk van circa 5 bar of meer. Een temperatuur van het door de verwarmingsinrichting op 20 bovenatmosferische druk gebrachte drukmedium is bijvoorbeeld hoger dan 100°C, bij voorkeur hoger dan 150°C en meer bij voorkeur circa 200°C of meer. Het door de verhitter 82 afgegeven, aan de spuitmond(en) toe te voeren drukmedium kan bijvoorbeeld superverhitte stoom met een temperatuur in het bereik van 200-250° C omvatten.

25 De spuitmond of spuitmonden 4 van het systeem 1 kan/kunnen via een geschikte toevoerleiding 88 op een uitgang van de verwarmingsinrichting 82 zijn aangesloten, om het op druk gebrachte drukmedium te ontvangen. Bij voorkeur is de drukmedium-toevoerleiding 88 voorzien van regelmiddelen, bijvoorbeeld een regelklep 85, om doorvoer 30 van het bovenatmosferische drukmedium te regelen, aan te passen en/of af » 12 te sluiten. Genoemde regelmiddelen 85 zijn bijvoorbeeld aanstuurbaar door een optionele stuurinrichting 84 van het systeem 1.

Fig. 2 toont een detail van het systeem 1, in bovenaanzicht. Stroming van drukmedium is met pijlen Rl, R2, m in fig. 2 aangegeven. Bij 5 voorkeur is het eerste schoepenwiel 2 voorzien van (boogvormige) eerste drukmedium-ontvangende kanalen 62 (zie Fig. 2), welke zijn geconfigureerd om tijdens gebruik een van genoemde spuitmond 4 in een eerste aandrijfrichting Rl ontvangen drukmedium in een tweede aandrijfrichting R2 op het tweede schoepenwiel 3 te spuiten. Zoals Fig. 2 toont hebben zowel 10 de eerste als tweede aandrijfrichting een axiale snelheidscomponent (parallel aan de rotatieas van het schoepenwiel 2, in een met pijl X aangeduide richting). Een tangentiële snelheidscomponent van de tweede aandrijfrichting (zijnde tangentieel ten opzichte van de omtreksrichting van het schoepenwiel 2) is tegenovergesteld gericht aan een tangentiële 15 snelheidscomponent van de eerste aandrijfrichting. In fig. 2 zijn genoemde tangentiële componenten evenwijdig aan de met pijl Y aangeduide richting. De eerste aandrijfrichting Rl kan bijvoorbeeld een hoek in het bereik van circa 60-80°, bijvoorbeeld circa 70°, met de axiale richting X insluiten, of een andere hoek.

20 De schoepenwielen 2, 3 zijn in het bijzonder elk langs de omtrek voorzien van respectieve schoepen (althans schoepvormende wanden of tussenschotten) 62a, 63a, welke de kanalen 62, 63 in tangentiële richtingen omgeven (zie Fig. 2).

De schoepen-kanalen 62, 63 hebben elk bij voorkeur constante 25 kanaalbreedtes Wl, W2 in de laterale kanaalrichtingen, gezien langs drukmedium-doorstroomrichtingen (deze breedtes zijn met pijlen Wl, W2 in Fig. 2 aangeduid). Hiertoe zijn tegenoverliggende zijden van schoepdelen 62a resp. 63a, die een kanaal 2 resp. 3 omgeven, deels concentrisch. De kanaalbreedte W2 van elk van de kanalen 63 van het tweede wiel 3 is, bij 30 het uitvoeringsvoorbeeld, enigszins groter (bijvoorbeeld ten minste 10% 13 groter, en in het bijzonder circa 50%-200% groter) dan de kanaalbreedte W1 van de kanalen 62 van het eerste wiel 2.

De schoepen 62a, 63a zijn (in het onderhavige systeem 1) zodanig gevormd dat de zich daartussen uitstrekkende kanalen 62, 63 U-vormig 5 zijn, gezien in radiale richting. Een kromming van de kanalen 62 van het eerste wiel 2 kan bijvoorbeeld enigszins groter zijn de kromming van de kanalen 63 van het tweede wiel 3 (gezien in radiale schoepwiel-richting, zie Fig. 2). Zoals Fig. 2 verder toont, kan het uit elke spuitmond 4 supersonisch gespoten drukmedium in hoofdzaak S-vormige banen doorlopen, via de 10 kanalen van de twee wielen 2, 3.

Bij voorkeur is het systeem voorzien van synchronisatiemiddelen ingericht om rotatie van de schoepenwielen 2, 3 te synchroniseren. Het systeem 1 kan bijvoorbeeld aan dergelijke synchronisatiemiddelen koppelbaar zijn.

15 Volgens een eenvoudige uitvoering zijn elektrische uitgangen 32, 33 van de stroomgeneratoren 12, 13 via een elektrische verbinding aan elkaar gekoppeld, ten behoeve van synchronisatie van rotatiesnelheid van de generatoren 12, 13 en daaraan gekoppelde schoepenwielen 2, 3. Dit is in fig. 3 weergegeven. In het weergegeven circuit zijn de elektrische uitgangen 20 32 elk voorzien van een gelijkrichter 38, waarbij uitgangen van de gelijkrichters 38 elektrisch aan elkaar zijn gekoppeld. Op deze manier kan genoemde synchronisatie automatisch worden bereikt, met relatief eenvoudige en duurzame middelen, en kan het microturbinesysteem een bijzonder hoog rendement leveren. In een nadere uitwerking kunnen de 25 uitgangen bijvoorbeeld driefasestroom-uitgangen omvatten. In dat geval zijn de eerste, tweede en derde fase van de ene generator 12 bij voorkeur respectievelijk met de eerste, derde en tweede fase van de andere generator 13 elektrisch verbonden (ten behoeve van omkering van de draairichting).

Het onderhavige systeem kan bijvoorbeeld zijn ingericht om een 30 nominaal vermogen kleiner dan circa 50 kW te leveren, in het bijzonder 14 kleiner dan circa 20 kW. Een door het systeem 1 tijdens gebruik afgegeven vermogen kan bijvoorbeeld liggen in het bereik van 1-15 kW.

Zoals Fig. 3 toont kan bijvoorbeeld een stuurinrichting 84 zijn voorzien, om het systeem te regelen, bijvoorbeeld zodanig dat de 5 schoepenwielen 2, 3 met een gewenste, voorafbepaalde nominale snelheid roteren. Het systeem (bijvoorbeeld de stuurinrichting 84) kan verder bijvoorbeeld zijn voorzien van niet weergegeven gebruiker-bedieningsmiddelen en/of gebruiker-communicatiemiddelen, bijvoorbeeld een gebruiker-interface of dergelijke, ten behoeve van bediening van het 10 systeem, en/of om een gebruiker informatie te leveren omtrent een bedrijfstoestand van het systeem.

Bij voorkeur is de stuurinrichting 84 uitgevoerd om een rotatieparameter (bijv. rotatiesnelheid of een daarmee samenhangende parameter, bijvoorbeeld een wisselspanningsfrequentie) van een genoemd 15 schoepenwiel en/of en genoemde generator-rotor te bepalen. Hiertoe kan de stuurinrichting bijvoorbeeld zijn voorzien van en/of aangesloten op een geschikte sensor, die bijvoorbeeld in of buiten de behuizing KI, K2, K3 kan zijn aangebracht. Een dergelijke sensor kan bijvoorbeeld een optische, elektrische, magnetische en/of andere sensor omvatten, ingericht om rotatie 20 van een schoepenwiel en/of en genoemde generator-rotor te meten. In het onderhavige voorbeeld is de stuurinrichting 84 eenvoudig ingericht om genoemde rotatieparameter te bepalen aan de hand van een uitgangsspanning, en in het bijzonder aan de hand van de frequentie, van een van de generatoren; hiertoe is de inrichting 84 aan een van de 25 elektrische uitgangen 32, 33 gekoppeld. De stuurinrichting 84 kan de frequentie van de wisselspanning, afgegeven via de uitgang 32, meten en bijvoorbeeld vergelijken met een gewenste, af te geven wisselspanning. Alternatief kan de stuurinrichting 84 de rotatiesnelheid van de generator-rotor bepalen op basis van de via uitgang 32 afgegeven wisselspanning, en 30 de zo bepaalde rotatiesnelheid vergelijken met een gewenste (bijv. nominale) t 15 rotatiesnelheid. Hiertoe kan informatie betreffende een genoemde af te geven wisselspanning en/of gewenste rotatiesnelheid bijvoorbeeld in een geheugen van de stuurinrichting 84 zijn opgeslagen, hetgeen de vakman duidelijk zal zijn. De stuurinrichting 84 kan op diverse manieren zijn 5 uitgevoerd, en bijvoorbeeld een processor, controller, computer, micro-elektronica, en/of dergelijke omvatten, en kan op de behuizing van het systeem 1 zijn aangebracht of op afstand van het systeem zijn opgesteld. Bij voorkeur is de stuurinrichting 84 ingericht om de regelmiddelen 85 ten behoeve van drukmiddeltoevoer te regelen. Verder is de stuurinrichting 84 10 bij voorkeur ingericht om de verwarmingsinrichting 82 (of regelmiddelen 83 daarvan) te besturen.

Volgens een niet-limiterende uitvoering kan een diameter van elk genoemd schoepenwiel 2, 3 (in dit voorbeeld gemeten in het YZ-vlak) bijvoorbeeld kleiner zijn dan circa 1 m, in het bijzonder kleiner dan circa 0,5 15 m en meer in het bijzonder kleiner dan circa 0,2 m. Volgens een bijzonder voordelige uitvoering bedraagt de schoepenwieldiameter circa 15 cm of minder, bijvoorbeeld circa 13 cm.

Verder kan een maximale lengte van het systeem (gemeten in een axiale richting X) bijvoorbeeld kleiner zijn dan 1 m, en bij voorkeur kleiner 20 dan 0,5 m. Genoemde lengte is in het onderhavige voorbeeld de afstand gemeten tussen van elkaar afgekeerde zijvlakken van de zijwanden 8b, 9b van de tweede kamers K2, K3.

Een hoogte van het systeem 1 kan bijvoorbeeld ongeveer gelijk zijn aan een breedte van het systeem (in het bijzonder wanneer het systeem 1 in 25 hoofdzaak rotatiesymmetrisch is uitgevoerd ten opzichte van een langs-as, zoals het onderhavige voorbeeld), dat is echter niet noodzakelijk. In het uitvoeringsvoorbeeld wordt genoemde hoogte bepaald door de buitendiameter van de eerste kamer KI. Deze buitendiameter is enigszins groter dan de buitendiameter van de schoepen 2, 3 (bijvoorbeeld circa 2-10 30 cm groter, onder meer afhankelijk van de dikte van de flenzen 6a, 6b en een 16 gewenste afstand tussen de schoepen en de flenzen 6a, 6b). Volgens een uitvoering zijn een maximale hoogte en breedte van het systeem (gemeten in richtingen Z resp. Y) bijvoorbeeld elk kleiner dan 1 m, en bij voorkeur elk kleiner dan 0,5 m, meer bij voorkeur kleiner dan 0,3 m. Een bijzonder 5 voordelige uitvoering wordt bereikt wanneer genoemde maximale hoogte en breedte van het systeem elk circa 20 cm of minder bedragen.

In het voorbeeld zijn de diameters van de tweede kamers K2, K3 (gemeten in YZ vlakken) gelijk aan elkaar. Bovendien zijn deze diameters in het voorbeeld kleiner dan de genoemde diameter van de tussenliggende 10 eerste kamer KI. Dit is voordelig maar niet noodzakelijk, en hangt bijvoorbeeld af van de generatorconfiguraties.

Volgens een nadere uitwerking kan tijdens bedrijf een rotatiesnelheid van een genoemd schoepenwiel 2, 3 hoger zijn dan 4000 tpm (toeren per minuut), in het bijzonder hoger dan 10000 tpm, en meer in het 15 bijzonder hoger dan 20000 tpm, hetgeen bijvoorbeeld afhangt van de configuratie van de schoepenwielen. Empirisch en/of door middel van berekening kan bijvoorbeeld eenvoudig worden vastgesteld, welke rotatiesnelheid bij welke schoepenwiel-configuratie een gewenste hoge efficiëntie levert. Genoemde rotatiesnelheid kan bijvoorbeeld circa 28000 20 tpm bedragen bij een schoepdiameter van 13 cm.

Het in de figuren getoonde systeem kan een werkwijze voor het genereren van elektriciteit uitvoeren. De werkwijze omvat bijvoorbeeld het genereren van bovenatmosferisch stoom (of een ander drukmedium) door de verwarmingsinrichting 82. Ten behoeve van stoomgeneratie kan de 25 verwarmingsinrichting 82 bijvoorbeeld een via een brandstoftoevoer 82 toegevoerde brandstof (bijvoorbeeld aardgas, of een andere brandstof) verbranden, om met de vrijgekomen warmte stoom uit water te genereren. Een regelklep 83 of dergelijke kan zijn voorzien om brandstoftoevoer aan de verwarmingsinrichting 82 te regelen.

β 17

Het gegenereerde stoom (of ander drukmedium) wordt gebruikt om het eerste schoepenwiel 2 in een eerste rotatierichting in te rotatie brengen en te houden. Hiertoe wordt het bovenatmosferische stoom via de toevoerleiding 88 aan de een of meer (bij voorkeur ten minste twee) Laval 5 spuitmonden 4 toegevoerd, welke spuitmonden 4 de stoom met supersonische snelheid in de richting van de kanalen 62 van het eerste wiel 2 spuiten om dat wiel 2 aan te drijven. Zoals uit fig. 2 volgt kan het roterende eerste schoepenwiel 2 een tangentiele voortbewegingsrichting van de stoom omkeren, en in de kanalen 63 van het tweede wiel 3 spuiten om 10 dat tweede wiel 3 aan te drijven. Op deze manier wordt het tweede wiel 3 in een tweede rotatierichting, tegenovergesteld aan genoemde eerste rotatierichting, in rotatie gebracht en gehouden, onder gebruikmaking van drukmedium afkomstig van het eerste schoepenwiel 2.

Stoom, afkomstig uit de kanalen 63 van het tweede schoepenwiel 3, 15 kan uit het systeem 1 worden afgevoerd via condensoruitgang 5. Bij voorkeur heerst in deze uitgang een onderdruk (condensordruk) die door/inde condensor 81 wordt opgewekt. Via de uitgang 5 afgevoerde, door het systeem 1 verbruikte, stoom kan via de leiding 89 aan de condensor 81 worden toegevoerd en door de condensor worden gecondenseerd 20 (stroomafwaarts ten opzichte van de schoepenwielen). Gecondenseerd drukmedium (water, in dit voorbeeld) kan door de pomp 81 en leiding 87 terug naar de drukmediumgenerator 82 worden gevoerd, om daaruit wederom bovenatmosferisch drukmedium (stoom) te genereren.

Bovendien worden de eerste respectievelijk tweede 25 elektriciteitsgenerator aangedreven onder invloed van de direct daaraan gekoppelde roterende schoepenwiel 2, 3

Bij voorkeur hebben de in tegenovergestelde richting roterende schoepenwielen 2, 3 dezelfde rotatiesnelheid, hetgeen door middel van genoemde synchronisatiemiddelen 32, 33, 38 kan worden bereikt (althans, 30 doordat de uitgangen van de generatoren elektrisch aan elkaar zijn 18 gekoppeld, en derhalve gedwongen worden om in-fase te draaien via elektrische interactie. Hierbij wordt de rotatiesnelheid van de twee schoepenwielen 2, 3 gesynchroniseerd onder gebruikmaking van de synchronisatie van rotatie van de rotoren R van de 5 elektriciteitsgeneratoren.

Zo opgewekte stroom kan bijvoorbeeld aan een of meer (eind-) stroomgebruikers worden toegevoerd. Daarnaast kan de opgewekte wisselstroom (AC) bijvoorbeeld door een omzetter 40 in gelijkstroom (DC) worden omgezet. Bovendien is het voordelig wanneer een of meer 10 electriciteitsopslagstations 39 zijn voorzien, bijvoorbeeld voorzien van een of meer accumulator, accu’s, of dergelijke, om door het systeem gegenereerde elektriciteit op te slaan.

Bij voorkeur genereert tijdens gebruik de eerste elektriciteitsgenerator meer dan 50%, in het bijzonder meer dan circa 70%, 15 van een totaal opgewekt vermogen, terwijl de tweede elektriciteitsgenerator een resterend deel (minder dan 50%, resp, minder dan circa 30%) van een totaal door het systeem 1 opgewekte vermogen.

Bij voorkeur wordt het systeem 1 zodanig geregeld dat het systeem een gewenst nominaal vermogen levert. Hiertoe worden de wielen 2, 3 en 20 rotoren R op een gewenste, voorafbepaalde rotatiesnelheid gebracht en gehouden. De stuurinrichting 84 kan hiertoe bijvoorbeeld een bovengenoemde rotatieparameter (bijv. rotatiesnelheid of een daarmee samenhangende parameter, bijvoorbeeld een wisselspanningsfrequentie) van een genoemd schoepenwiel en/of en genoemde generator-rotor bepalen, 25 in het bijzonder door middel van een genoemde geschikte sensor. Aan de hand van de bepaalde rotatieparameter kan de stuurinrichting 84 een geschikte/gewenste regeling van drukmediumgeneratie en drukmediumtoevoer (via regelmiddleen 86, 85) bewerkstelligen. Daarnaast kan de stuurinrichting 84 toevoer van drukmedium aan de turbine laten 30 afnemen of zelfs geheel blokkeren, indien de inrichting 84 een ongewenste 19 en/of onveilige turbine-bedrijfstoestand (bijvoorbeeld een overschrijding van turbine-rotatiesnelheden ten opzichte van een nominale rotatiesnelheid) detecteert.

Verder kan een door het systeem 1 afgegeven vermogen 5 bijvoorbeeld worden geregeld door activering/deactivering van een of meer spuitmonden 4, voor het geval dat het systeem ten minste twee spuitmonden 4 heeft. Elke spuitmond kan dan bijvoorbeeld zijn voorzien van een respectief regelmiddel 85, zodanig dat toevoer van drukmedium, aan het wiel 2 via de spuitmonden 4, onafhankelijk per spuitmond 4 kan worden 10 geregeld.

Het onderhavige systeem kan een impuls (actie) type stoomturbine omvatten, voorzien van vast opgestelde spuitmonden 4 en met twee snelheidstrappen. Het systeem 1 heeft geen stationaire leidschoepen nodig. Verder kan toepassing van tandwieloverbrengingen worden vermeden. Door 15 de configuratie van het systeem kan energie op een bijzonder efficiënte wijze worden gegenereerd. Het systeem is compact en kan relatief lage vermogens, lokaal, leveren, op bijzonder veilige en betrouwbare wijze. Bovendien is het systeem bijzonder duurzaam, en kan relatief goedkoop worden uitgevoerd.

20 Het onderhavige systeem is trillingsarm, stil, en kan geschikt of ingericht zijn om van diverse brandstofsoorten of warmtebronnen gebruik te maken (in het bijzonder t.b.v. het opwekken van het drukmedium), bijvoorbeeld restwarmte.

Voor de vakman spreekt vanzelf dat de uitvinding niet beperkt is 25 tot de uitvoeringsvoorbeelden. Diverse wijzigingen zijn mogelijk binnen het raam van de uitvinding zoals is verwoord in de hiernavolgende conclusies.

Zo kunnen genoemde schoepenwielen op diverse manieren zijn uitgevoerd.

,1034458

Claims (20)

1. Microturbinesysteem, voorzien van -een eerste (2) en een tweede schoepenwiel (3), -ten minste een spuitmond (4) om een drukmedium op het eerste schoepenwiel te spuiten, om dat wiel aan te drijven, 5 waarbij het eerste schoepenwiel is geconfigureerd om het van de spuitmond ontvangen drukmedium aan het tweede schoepenwiel over te dragen, om het tweede schoepenwiel aan te drijven, het een en ander zodanig dat het eerste en tweede schoepenwiel in tegenovergestelde richting roteerbaar zijn 10 onder invloed van het drukmedium; en -een eerste respectievelijk een tweede elektriciteitsgenerator (12, 13), die aan het eerste respectievelijk tweede schoepenwiel zijn gekoppeld.

2. Systeem volgens conclusie 1, voorzien van synchronisatiemiddelen 15 (32, 44, 38) ingericht om rotatie van de schoepenwielen (2, 3) te synchroniseren.

3. Systeem volgens conclusie 1 of 2, waarbij elke elektriciteitsgenerator (12, 13) is voorzien van een respectieve rotor (R)die rotatievast aan een aandrijfas (21, 22) is gekoppeld, 20 welke aandrijfas rotatievast aan een respectief schoepenwiel (2, 3. is gekoppeld.

4. Systeem volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij het drukmedium stoom is.

5. Systeem volgens een van de voorgaande conclusies, voorzien van 25 een van een omgeving gasdicht afgesloten eerste kamer (Kl) waarin genoemde schoepenwielen zijn opgesteld. 1034458

6. Systeem volgens conclusies 5, voorzien van een condensor (81) die op genoemde eerste kamer is aangesloten om drukmedium uit die kamer te ontvangen en te condenseren.

7. Systeem volgens conclusie 5 of 6, voorzien van twee tweede, van de 5 omgeving gasdicht afgesloten kamers (K2, K3) waarin rotordelen van genoemde elektriciteitsgeneratoren zijn op gesteld

8. Systeem volgens conclusie 7, voorzien van middelen (52, 53) om een zich tijdens gebruik in de eerste kamer heersende druk aan elk 10 van de tweede kamers door te geven.

9. Systeem volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij het systeem (1) is ingericht om een nominaal vermogen kleiner dan circa 50 kW te leveren, in het bijzonder kleiner dan circa 20 kW.

10. Systeem volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij een 15 diameter van elk genoemd schoepenwiel (2, 3) kleiner is dan circa 1 m, in het bijzonder kleiner dan circa 0,5 m en meer in het bijzonder kleiner is dan circa 0,2 m.

11. Systeem volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij tijdens bedrijf een rotatiesnelheid van een genoemd schoepenwiel (2, 3) 20 hoger is dan 4000 tpm (toeren per minuut), in het bijzonder hoger is dan 10000 tpm, en meer in het bijzonder hoger is dan 20000 tpm.

12. Systeem volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij genoemd eerste schoepenwiel is voorzien van eerste 25 drukmedium-ontvangende kanalen (62), welke zijn geconfigureerd om tijdens gebruik een van genoemde spuitmond in een eerste aandrijfrichting (Rl) ontvangen drukmedium in een tweede aandrijfrichting (R2) op het tweede schoepenwiel te spuiten, waarbij zowel de eerste als tweede aandrijfrichting een 30 axiale snelheidscomponent hebben, waarbij een tangentiële ·: snelheidscomponent van de tweede aandrijfrichting tegenovergesteld gericht is aan een tangentiële snelheidscomponent van de eerste aandrijfrichting.

13. Werkwijze voor het genereren van elektriciteit, bij voorkeur onder 5 gebruikmaking van een systeem volgens een van de voorgaande conclusies, omvattende: -genereren van een drukmedium; -het in een eerste rotatierichting roteren van een eerste schoepenwiel (2) onder gebruikmaking van genoemd 10 drukmedium; - het in een tweede rotatierichting, tegenovergesteld aan genoemde eerste rotatierichting, roteren van een tweede schoepenwiel (3) onder gebruikmaking van drukmedium afkomstig van het eerste schoepenwiel; 15 -het onder invloed van het eerste en tweede roterende schoepenwiel aandrijven van een eerste (12) respectievelijk tweede elektriciteitsgenerator (13).

14. Werkwijze volgens conclusie 13, waarbij de in tegenovergestelde richting roterende schoepenwielen dezelfde rotatiesnelheid 20 hebben.

15. Werkwijze volgens conclusie 13 of 14, waarbij rotatiesnelheid van de schoepenwielen wordt gesynchroniseerd onder gebruikmaking van een synchronisatie van rotatie van rotoren van de elektriciteitsgeneratoren.

16. Werkwijze volgens een van de conclusies 13-15, waarbij de eerste elektriciteitsgenerator meer dan 50%, in het bijzonder meer dan circa 70%, van een totaal opgewekt vermogen genereert, terwijl de tweede elektriciteitsgenerator een resterend deel van het totaal opgewekte vermogen genereert.

17. Werkwijze volgens een van de conclusies 13-16, waarbij de schoepenwielen en rotoren van de generatoren in een of meer, van een omgeving gasdicht afgesloten ruimtes zijn opgesteld, welke ruimtes op een onderdruk ten opzichte van een 5 omgevingsdruk worden gehouden.

18. Werkwijze volgens een van de conclusies 13-17, waarbij het met supersonische snelheid een of meer spuitmonden verlaat om het eerste schoepenwiel aan te drijven, waarbij het roterende eerste schoepenwiel een tangentiele voortbewegingsrichting van het 10 drukmedium omkeert om het tweede schoepenwiel aan te drijven.

19. Werkwijze volgens een van de conclusies 13-18, waarbij het drukmedium stroomafwaarts van de schoepenwielen wordt gecondenseerd door een condensor.

20. Werkwijze volgens een van de conclusies 13-19, waarbij ten minste twee spuitmonden worden toegepast, en waarbij een door het systeem 1 afgegeven vermogen wordt geregeld door activering/deactivering van een of meer van de spuitmonden. 1034458