NL2000189C2

NL2000189C2 - Reactieturbine met generator.

Info

Publication number: NL2000189C2
Application number: NL2000189A
Authority: NL
Inventors: Wilhelmus Petrus Jozef Visser; Mark Oostveen; Willibald Mattheus Petru Ahout
Original assignee: Micro Turbine Technology B V
Priority date: 2006-08-18
Filing date: 2006-08-18
Publication date: 2008-02-19
Also published as: WO2008020757A1

Description

Reactieturbine met generator

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een reactieturbine omvattende een inlaatdeel en uitlaatdeel en een daartussen liggende verbrandingskamer welke delen 5 rotatiesymmetrisch om de rotatie-as van de reactieturbine zijn aangebracht en waarbij een van die delen op afstand liggend van de rotatie-as is aangebracht waardoor tussen dat deel en die rotatie-as een ruimte gevormd wordt.

Een dergelijke reactieturbine is bijvoorbeeld bekend uit PCT/NL 2004/00144 ten name van Micro Turbine Technology B.V.. Begrepen zal echter worden dat ook andere 10 reactieturbines in combinatie met de generator volgens de onderhavige uitvinding gebruikt kunnen worden.

Dergelijke reactieturbines kunnen van een verbrandingskamer voorzien zijn of ander expansiedeel voor bijvoorbeeld stoom, perslucht en dergelijke. In vele gevallen wordt beoogd een dergelijke reactieturbine met een generator te koppelen voor het 15 opwekken van elektriciteit. Daarbij wordt de uitgaande as van de reactieturbine verbonden met de ingaande as van de generator. Deze zijn op aistand van elkaar liggend gezien in de richting van die as ten opzichte van elkaar aangebracht. Onder verbrandingskamer wordt daarbij een ruimte verstaan waar op enigerlei wijze drukverhoging plaats vindt (ook zonder verbranding).

20 Het is het doel van de onderhavige uitvinding in een meer compact ontwerp voor reactieturbine en generator te voorzien.

Dit doel wordt bij een hierboven beschreven reactieturbine verwezenlijkt doordat in die ruimte een deel van een elektrische generator is aangebracht. Een reactieturbine zal in het algemeen bij hoge toerentallen (10.000-100.000 toeren per minuut) draaien. 25 Gebleken is dat een met hetzelfde toerental draaiende generator klein uitgevoerd kan worden. Dit geldt in het bijzonder bij generatoren waarbij permanente magneten gebruikt worden. Door het geringe volume van dergelijke generatoren kan een deel van een dergelijke generator opgenomen worden in de ruimte van het turbinewiel van een dergelijke reactieturbine. Bij voorkeur is dit de ruimte die gevormd wordt door de 30 verbrandingskamer van ten minste een component die zich evenwijdig met de rotatie-as van de turbine uitstrekt. Daarbij kan de generator geheel of gedeeltelijk binnen die ruimte opgenomen worden. Daarbij zijn talrijke opties mogelijk voor de uitvoering van de generator. Zo is het mogelijk de rotor buiten liggend en de stator binnen liggend uit 2 te voeren. In een dergelijk geval wordt de rotor bij voorkeur rechtstreeks verbonden met het turbinewiel. De stator die een spoel omvat ligt in hoofdzaak op de imaginaire as van het turbinewiel. Eveneens is het mogelijk een uitvoering te kiezen waarbij de rotor inwendig aangebracht is op de turbine-as terwijl de stator zich ten minste 5 gedeeltelijk uitstrekt in de ruimte tussen de rotor en het turbinewiel.

In alle gevallen kan in thermische scheiding tussen het turbinewiel en de daarbinnen liggende generator voorzien worden. Deze thermische scheiding kan omvatten een isolatiemateriaal al dan niet in combinatie met een koelcircuit.

In plaats van de hier genoemde generator met magneten in de rotor kan enige 10 andere in de stand der techniek bekende generator toegepast worden.

De uitvinding heeft eveneens betrekking op een verwarmingsstelsel waarbij de hierboven beschreven reactieturbine toegepast wordt. Een dergelijk verwarmingsstelsel kan een hoogrendementsketel omvatten. De reactieturbine wordt in of bij een dergelijke verwarmingsketel opgenomen en de daarvan afkomstige warmte wordt gebruikt voor 15 het verwarmen van water of ander verwarmingsmedium. De opgewekte elektrische energie kan gebruikt worden op de plaats waar de verwarmingsketel opgesteld wordt of teruggeleverd worden aan het net.

In het bijzonder is een dergelijke reactieturbine met generator aantrekkelijk bij gebruik in combinatie met een warm-waterbereidingsdeel. Immers het hele jaar zal 20 warm water gevraagd worden zodat het hele jaar lang een dergelijke reactieturbine effectief werkzaam kan zijn.

Indien de reactieturbine met een gas bedreven wordt, kan voor het verhogen van het rendement, vermogen, koelen van de constructie en/of het bevorderen van de verbranding het wenselijk zijn daarin water te injecteren. Dit water kan bij de 25 uitvoering waarbij een hoogrendementsketel gebruikt wordt het condensaatwater zijn dat bij het condenseren van de rookgassen van een dergelijke hoogrendementsketel ontstaat.

De uitvinding zal hieronder nader aan de hand van een in de tekening afgebeeld uitvoeringsvoorbeeld verduidelijkt worden. Daarbij tonen: 30 Fig. 1 schematisch een reactieturbine volgens de onderhavige uitvinding in vooraanzicht;

Fig. 2 de reactieturbine volgens fig. 1 in dwarsdoorsnede;

Fig. 3 een variant van de reactieturbine volgens fig. 2; en 3

Fig. 4 een met stoom werkende reactieturbine in doorsnede.

In fig. 1 is met 1 een reactieturbine aangegeven. Deze bestaat uit een compressorwiel of turbinewiel 2. Uit fig. 2 blijkt dat deze voorzien is van een inlaatopening 3 voor bijvoorbeeld lucht en een daarop volgend compressordeel. Daarop 5 sluit een verbrandingskamer 4 aan gevolgd door een stroomaiwaarts liggend expansiewiel 5 met straalmondstukken 6. Volgens een van voordeel zijnde uitvoering van de uitvinding is de verbrandingskamer 4 als een doorgaande ring uitgevoerd. Begrepen dient echter te worden dat het ook mogelijk is in een aantal verbrandingskamers te voorzien bijvoorbeeld evenveel verbrandingskamers aan te 10 brengen als inlaten 3 en straalmondstukken 6 aanwezig zijn.

In de verbrandingskamer 4 wordt een brandbaar mengsel verwezenlijkt dat via bougie 22 ontstoken wordt. Daarna kan de verbranding zichzelf in stand houden. Met een dergelijke turbine kan een as 10 met hoog toerental verwezenlijkt worden. Een dergelijke turbine is in het bijzonder geschikt voor het opwekken van geringe 15 vermogens, in de orde van kilowatts, voor het opwekken van elektriciteit.

Daartoe is een generator 7 aanwezig bestaande uit een buiten liggende rotor 8 en een binnen liggende stator 11. Rotor 8 is verbonden met de wand van de verbrandingskamer 4 en omvat een aantal permanente magneten. Eventueel kunnen maatregelen genomen worden om warmte-overdracht tussen deze twee delen tegen te 20 gaan, zoals het aanbrengen van isolatie 26.

De stator 11 bestaat uit een om een blikpakket gewikkeld aantal spoelen 12 aangebracht op stationaire as 10.

In fig. 3 is een variant getoond waarbij de generator in ruimte 28 is opgenomen. Daarbij is de as 10 van de turbine verlengd en permanente magneten 40 zijn daarop 25 aangebracht. Stator 39 is vast met de wereld verbonden stilstaand aangebracht tussen de roterende verbrandingskamer 4 en de draaiende magneten 40. Deze is voorzien van een aantal spoelen 38.

In fig. 4 is een variant van de uitvinding afgebeeld waarbij de generator in ruimte 29 is opgenomen en waarbij een fluïdum zoals een vloeistof uit houder 14 via 30 aanzuigbuis 13 in pompwaaier 15 gebracht wordt. Vervolgens vindt bij 16 verdamping plaats door de externe toegevoerde warmte die schematisch met pijl 17 aangegeven is. De straalmondstukken 18 zorgen vervolgens voor de rotatiebeweging van het turbinewiel. Bij deze uitvoering is evenals bij figuur 1 en 2 de rotor 20 liggend bij de 4 wand van de verbrandingskamer 16 aangebracht Echter is in dit geval tussen de rotor 20 en deze wand een ruimte voor koelkanalen 21 aanwezig. In dit voorbeeld is de stator in het hart van de constructie opgenomen en deze is met 24 aangegeven en omvat spoelen 25.

5 De hier getoonde turbines kunnen met de rotatie-as 10 daarvan in elke gewenste positie aangebracht worden. Bovendien hebben deze velerlei toepassingen. Een van de toepassingen is het gebruik in een verwarmingsketel die hetzij gebruikt wordt voor het bereiden van warm water voor een centrale verwarmingsstelsel hetzij gebruikt wordt voor het bereiden van warm water voor consumptiedoeleinden zoals douche, bad, 10 keuken en dergelijke. Indien een en ander gecombineerd wordt met een ketel waarbij de uitlaatgassen aan een condensatiestap onderworpen worden om het daarin aanwezige water (en warmte) terug te winnen, kan het ontstane water gebruikt worden voor het injecteren bij een turbine die met een brandstof bedreven wordt. Daardoor kan de temperatuur in de verbrandingskamer verlaagd worden waardoor emissies dalen.

15 Bovendien stijgt het rendement.

Eveneens is verrassenderwijs gebleken dat het rendement van de hier getoonde turbines, dat wil zeggen reactieturbines, toeneemt indien de kwaliteit van het gas slechter is. Dat wil zeggen bij een gas met lagere calorische waarde neemt weliswaar het vermogen af maar niet in een omvang die te verwachten viel maar in mindere mate 20 hetgeen erop neerkomt dat het rendement in feite toeneemt. Daarom zijn de hierboven beschreven generatoren in het bijzonder indien deze niet gebruikt worden in combinatie met primair op warmte-afgifte gerichte stelsels zoals centrale verwarmingsstelsels, op van voordeel zijnde wijze te gebruiken met een laag calorisch gas. Het rendement van de reactieturbine neemt toe bij toepassing van lage energie uitstroommond-stukken, 25 waarbij het gas een lagere temperatuur en druk heeft. Begrepen dient te worden dat deze werkwijze onafhankelijk van de hierboven beschreven maatregelen uitgevoerd kan worden.

Na het lezen van het bovenstaande zullen bij degenen bekwaam in de stand der techniek verdere wijzigingen opkomen die liggen binnen het bereik van de bijgaande 30 conclusies. Daarbij worden in het bijzonder rechten gevraagd voor de materie beschreven in conclusie 1 maar wordt benadrukt dat ook voor de materie van de volgconclusies afzonderlijk rechten gevraagd worden.

Claims

1. Reactieturbine (1, 19) omvattende een inlaatdeel en uitlaatdeel (6, 18) en een daartussen liggende verbrandingskamer (4,16) welke delen rotatiesymmetrisch om 5 de rotatie-as (10) van de reactieturbine zijn aangebracht en waarbij een van die delen op afstand liggend van de rotatie-as is aangebracht waardoor tussen dat deel en die rotatie-as een ruimte (28, 29) gevormd wordt, met het kenmerk, dat in die ruimte een deel van een elektrische generator (7, 19) is aangebracht.

2. Reactieturbine volgens conclusie 1, waarbij die verbrandingskamer een verbrandingskamer omvat.

3. Reactieturbine volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij in de verbrandingskamer van die turbine een waterinjector is aangebracht. 15

4. Reactieturbine volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de rotor van die generator vast met de as (10) van de reactieturbine verbonden is.

5. Reactieturbine volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij het roterende 20 deel van die generator een permanente magneet (9,40) omvat.

6. Reactieturbine volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij tussen die generator en dat deel een isolerende scheidingswand (26) is aangebracht.

7. Reactieturbine volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij tussen die generator en dat deel een koelkanaal (21) is aangebracht.

8. Stelsel omvattende een verwarmingsketel en een daarbij aangebrachte reactieturbine volgens een van de voorgaande conclusies. 30

9. Stelsel volgens conclusie 8, omvattende een warmwaterbereidingsdeel, waarbij van die reactieturbine afkomstige warmte aan dat warmwaterbereidingsdeel toegevoerd wordt.

10. Stelsel volgens conclusie 8 of 9 in combinatie met conclusie 3, waarbij die ketel een Hr-ketel is en het condensaatdeel daarvan verbonden is met die waterinjector.