CC BY
49
УДК 621.165:532,6
Р.А. РУСАНОВ1, П. КЛОНОВИЧ1, А.В. РУСАНОВ2, П. ЛАМПАРТ1, М. ШИМАНЯК1,
М.А. ЧУГАЙ2, Н.В. ПАЩЕНКО2
1Институт проточных машин им. Р. Шевальского Польской академии наук, Гданьск, Польша 2Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАЛ Украины, Харьков, Украина
РАЗРАБОТКА ДИЗАЙНА ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ТУРБИНЫ ДЛЯ ЛАБОРАТОРНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ORC
УСТАНОВКИ
Рассмотрены несколько вариантов проточных частей радиалъно-осевой турбины мощностью 30 кВт для когенерационной установки,, использующей в качестве рабочего тела SES36. Численное исследование 3Б-течений выполнены с учетом реальных свойств рабочего тела,, для определения которых использовались справочные таблицы и модифицированное уравнение состояния Бенедикта-Вебба-Рубина. Представленные турбины характеризуются малым углом выхода потока из направляющего аппарата,, величина которого составляет около 4,5. Газодинамическая эффективность разработанных проточных частей турбин удовлетворяет требованиям,, предъявляемым к энергетическим машинам подобного рода.
Ключевые слова: когенерационная установка, низкокипящиерабочие тела, численный метод, турбина, радиально-осевая ступень.
Введение
Перспективным направлением развития энергосберегающих технологий как для Украины, так и для стран Европы является использование когенерационных установок малой мощности, работающих на низкокипящих рабочих телах (НРТ). Такие установки могут применяться и для утилизации низкотемпературных тепловых отходов, и для работы на возобновляемых топливах — различных видах биомасс.
Важным элементом подобных когенерационных установок является турбина. Особенность таких турбин — относительно малые габариты, что усложняет задачу по обеспечению приемлемого уровня газодинамической эффективности.
В работе представлены несколько вариантов радиально-осевых проточных частей турбин для когенерационных установок, использующих НРТ.
1. Схема установки. Исходные данные для создания турбины
Энергетические установки, работающие по органическому циклу Ренкина (ORC), по принципу действия идентичны установкам высокой мощности, использующих в качестве рабочего тела водяной пар. Области применения обычных паровых установок, а также установок, основанных на технологии ORC [1], показаны на рисунке 1.
OUTPUT POWER kw
Рис. 1. Области применения различных энергетических установок
В Институте проточных машин им. Р. Шевальского Польской академии наук (IMP PAN) разработана высокоэффективная комбинированная установка мощностью выше 400 кВт, которая состоит из поршневого двигателя и блока ORC (надстройка ORC). Основным генератором энергии является поршневой двигатель внутреннего сгорания, использующий в качестве топлива природный газ (также возможно применение синтез- и биогазов). Рассмотрено несколько вариантов надстройки ORC:
1) блок ORC утилизирует тепло выхлопных газов и тепло от системы охлаждения двигателя;
2) блок ORC утилизирует тепло выхлопных газов, а тепло от системы охлаждения используется для отопления.
© Р.А. Русанов, П. Клонович, А.В. Русанов, П. Лампарт, М. Шиманяк, М.О. Чугай, Н.В. Пащенко, 2016
В установке, применяемой в IMP PAN, используется только тепло выхлопных газов . Схема установки приведена на рисунке 2 . Рабочим телом надстройки ORC является SES36 . Тепло выхлопных газов принимается газо-термомасляным теплообменником, а затем при помощи промежуточного теплоносителя — термостойкого масла Veco 5HT передается в нагреватель и испаритель блока ORC.
Рабочее тело надстройки ORC после нагрева и испарения попадает в турбину, которая вы-
рабатывает механическую энергию и передает ее на электрический генератор. После расширения в турбине рабочее тело проходит через рекуператор, где отбирается часть его тепла. Окончательное охлаждение и конденсация рабочего тела осуществляются в конденсаторе.
Приняты следующие параметры термодинамического цикла ORC: давление/температура на входе в турбину — 16 bar/ 145 °C, давление/ температура в конденсаторе — 1.6 bar/ 50 °C. КПД ORC блока - 16%.
Рис. 2. Схема когенерационной установки с ДВС и блоком ORC
Рис. 3. Газопаровая система ORC в IMP PAN: ДВС MAN (а), котел-утилизатор (б) и ORC установка мощностью
40 кВт с расширителем (в)
б
в
2. Обоснование выбора радиально-осевой турбины
Для многих случаев турбина с радиально-осевой ступенью является оптимальным решением. Основным преимуществом радиально-осевых ступеней является их высокая эффективность для малых значений объемных расходов [4]. При этом известно, что применение установок ОЯС целесообразно для малой выработки. На основе сказанного можно утверждать, что для установок ОЯС наиболее подходят радиально-осевые турбины. Это также подтверждено в многочисленных публикациях [5—7].
Пример конструкции установки ОЯС и результаты расчетов турбогенератора мощностью 30 кВт, с использованием радиально-осевой ступени, представлены Кангом [5]. На рисунках 4 и 5 показаны 3Б-модель и фотография устройства.
Полученные мощность и КПД турбины составили 32,7 кВт и 78,7% соответственно. Следует подчеркнуть, что это общий КПД турбогенератора, в который, помимо потерь в проточной части турбины, включаются потери на валу, механические потери и потери генератора. Это — высокие значения, по сравнению с турбинами, описанными в литературе [8,9].
Высокая эффективность радиально-осевых ступеней была одной из основных причин их выбора для применения в турбогенераторах, использующих в качестве рабочего тела $Б$36 ^оШаШегш), которое является смесью [9]. Термодинамические свойства $Б$36 для Ш и 3Б расчетов описываются с помощью библиотеки Соо1Ргор [10]
В статье представлены два варианта радиально-осевых турбин: однопоточная и двухпоточная.
Рис. 4. 3В-модель турбогенератора, разработанного для рабочего тела R245fa
Рис. 5. Фотография турбогенератора, разработанного для рабочего тела R245fa
3. Радиально-осевая однопоточная турбина
Основные параметры турбины приведены в таблице 1 . Для выполнения требования обеспечения минимально допустимого значения высоты канала на входе в турбину (не менее 5 мм) был принят угол выхода потока из
НА а! равный 4.4° . Треугольники скоростей для данной проточной части показаны на рисунке 6, а основные геометрические характеристики — на рисунке 7.
Проточные части лопаток НА и РК построены в программе В1аёеОеи, которая является составной частью программного комплекса Ашу8.
Профили лопаток НА (рис . 8) имеют конусообразную форму.
Вид разработанной проточной части представлен на рисунке 9.
Таблица 1
Расчетные параметры турбины
Давление на входе 14.64 Ьаг(абс)
Температура на входе 414.15 К
Давление на выходе 2.2 Ьаг(абс)
Массовый расход 1.22 кг/сек
Скорость вращения 15000 об/мин
60 40
20
с-
PN
^2-20
-40
и2 ' u1
w1
О 50 100 150
Circuiiiereiitial component [m/s] Рис. 6. Треугольники скоростей
Рис. 7. Основные геометрические характеристики проточной части
Рис. 8. Вид спроектированного НА
Рис. 9. Вид разработанной проточной части
3Б-расчеты выполнены в программном комплексе Ашуъ СБХ. Расчетная сетка включает по одному межлопаточному каналу НА и РК и содержит около 800 тыс. элементов, из которых около 450 тыс. приходится на НА и 350 тыс. на РК. Основные результаты 1Б и ЗБ расчетов представлены в таблицах 2 и 3 соответственно.
Видно, что, несмотря на относительно большое число Маха (среднее значение числа Маха в межлопаточном канале НА — 1.33 [11]), была достигнута достаточно высокая эффективность проточной части — 88%. Расчеты проводились без учета протечек. Картина визуализации течения потока показана на рисунках 10 и 11.
Таблица 2
Основные результаты расчетов ступени
1D 3D Количество лопаток Момент Скорость вращения
P , кВт h P , кВт h НА РК M, Нм N , об/мин
29.4 0.86 30.2 0.88 22 15 19.23 15 000
Таблица 3
Результаты расчета ступени
P0 , кПа Pj , кПа P2 , кПа V K Tj ,K T2 ' K
1464 492 220 414.15 386.45 370.1
Velocity
203,91
152,93
101,96
50,98
0,00
Рис. 10. Изолинии чисел Маха в среднем сечении канала НА
ANSYS
L
Рис. 11. Векторы скорости в среднем меридиональном сечении РК
4. Радиально-осевая двухпоточная турбина
Основным недостатком однопоточной раднально-осевой конструкции является наличие существенного осевого усилия. Такой недостаток отсутствует в двухпоточной турбине, в которой поток начиная с радиального участка разделяется на два симметричных осевых потока (в разные стороны).
На рисунке 12 представлен вид проточной части, а в таблице 4 — основные геометрические характеристики двухпоточной радиально-
осевой турбины (одного потока). 3Б-расчеты спроектированной проточной части проводились с помощью программного комплекса IPMFlow [12]. Расчет выполнен на сетке с суммарным числом ячеек более 1 млн (около 500 тыс. ячеек в одном венце) с использованием уравнения состояния Бенедикта-Вебба-Рубина с 32 членами [13].
На рисунках 13 и 14 представлена визуализация течения в проточной части, а в таблице 5 — ее интегральные характеристики, полученные по результатам 3Б-расчета.
Таблица 4
Геометрические характеристики первого варианта радиально-осевой проточной части
^ НА С НА 'ых НА г, НА
100 85,96 3 3 41
^ РК г , РК ср. вых> 'в* РК 'еы*РК г, РК
81 36,3 3 16 16
Несмотря на то, что проточная часть состоит из одной ступени, на которой срабатывается большой тепловой перепад, в ней наблюдается благоприятная картина обтекания. Максимальная величина числа Маха во всей проточ-
ной части не превышает 2, отсутствуют скачки уплотнения и отрывы потока. Предложенная проточная часть имеет высокую газодинамическую эффективность, ее внутренний КПД составляет 88,5 %.
а б
Рис. 13. Векторы скорости и изолинии давления в среднем меридиональном сечении: а — НА; б — РК
Рис. 14. Векторы скорости и изолинии давления в среднем тангенциальном сечении: а — НА; б — РК
Таблица 5
Основные интегральные характеристики проточной части
а
Рь кПа Т , К Т2 , К , м/с 02 , м/с ■ 2 а 2, град Ы, Вт Л, %
440,586 394,67 379,77 152,099 29,859 26,74 72,769 7,671 30097 88,48
5. Описание выбранной конструкции
Несмотря на полученную высокую газодинамическую эффективность, из-за технологических сложностей изготовления и большой материалоемкости было принято решение не применять конструкцию двухпоточной турбины.
Для выбранной конструкции в связи с высокой скоростью вращения и большими осевыми усилиями одним из наиболее проблематичных узлов являются подшипники. С учетом того,
что разработанная установка является лабораторным образцом, а главной задачей является исследование проточной части, было принято решение использовать шариковые подшипники, которые характеризуются высокой жесткостью, доступностью, быстро могут быть замены и выдерживают большие осевые усилия. Их основным недостатком является малый ресурс эксплуатации. 3Б-модель турбогенератора показана на рисунке 15.
6. Выводы
Предложено несколько вариантов радиально-осевых проточных частей турбин для когенера-ционной установки, использующей в качестве рабочего тела SES36. Все рассмотренные варианты турбин имеют относительно высокую газодинамическую эффективность. Однопоточ-ная радиально-осевая конструкция несколько уступает варианту двухпоточной турбины по КПД, однако, ее преимуществом является то, что она имеет меньшие габариты, металлоемкость и, соответственно, стоимость.
В настоящее время образец турбогенератора изготовлен и проходят его лабораторные испытания.
Литература
1. Gaia M. 30 years of Organic Rankine Cycle Development [Electronic resource] / M. Gaia // 1st Int. Seminar on ORC Power Systems, 22-23 September 2011. - Delft, 2011. Available online : www.kcorc.org/en/literature/orc2011-proceedings.
2. Rusanov, A. Designing and updating the flow part of axial and radial-axial turbines through mathematical modeling [Text] / A. Rusanov, R. Rusanov, P. Lampart // Open Engineering. - 2015. - Vol. 5(1). - P. 399-410. DOI 10.1515/ eng-2015-0047.
3. Elaboration of the flow system for a co-generation ORC turbine [Electronic resource] / A. Rusanov, P. Lampart, S. Rusanov [at all] // Thermodynamics & Fluid Flow ES 2013 : Proc. 12th Conf. on Power System Engineering, 13-14 June 2013, Plsen, Czech Rep. - 2013. - 1 електрон. опт. диск (CD-ROM).
4. Balje, O. E. A Study on Design Criteria and Matching of Turbomachines: Part A-Similarity Relations and Design Criteria of Turbines [Text] /
O. E. Baljn // J. Eng. Power. - 1962. - Vol. 84(1). -P. 83.
5. Kang S. H. Design and experimental study of ORC (organic Rankine cycle) and radial turbine using R245fa working fluid [Text] / S. H. Kang // Energy. - 2012. - Vol. 41(1). - P. 514-524.
6. Capata R. Preliminary Design and Simulation of a Turbo Expander for Small Rated Power Organic Rankine Cycle (ORC) [Text] / R. Capata, G. Hernandez // Energies. - 2014. - Vol. 7(11).
- P. 7067-7093.
7. Methods for design of radia-axial turbines for ORC cogeneration unit working with MDM [Text] / P. Klonowicz, R. Rusanov, A. Rusanov [at all] // Bull. NTU "KhPI". Ser., Power heat Eng. Process. Equip. - 2015. - Vol. 16(1125). - P. 67-77.
8. Klonowicz P. Design and numerical study of turbines operating with MDM asworking fluid [Text] / P. Klonowicz // Open Engineering. -2015. - Vol. 5(1). DOI 10.1515/eng-2015-0050. -P. 120-128.
9. Suchocki T. Numerical investigation of a GTM-140 turbojet engine [Text] / T. Suchocki, P. Lampart, P. Klonowicz // Zesz. Nauk. Ciepl. Masz. Przepywowe - Turbomach, Politech, ydzka.
- 2014. - No. 145, - P. 115-116.
10. Design and performance measurements of an organic vapour turbine [Text] / P. Klonowicz, A. Borsukiewicz-Gozdur, P. Hanausek [at all] // Appl. Therm. Eng. - 2014. - Vol. 63(1). -P. 297-303.
11. Three-Dimensional RANS Simulation of a High-Speed Organic Rankine Cycle Turbine [Text] / J. Harinck, D. Pasquale, R. Pecnik [at all] // First International Seminar on ORC Power Systems ORC 2011, Delft, The Netherlands. - 2011.
12. Calculations of 3D viscous compressible tur-bomachinery flows [Text] / S. Yershov, A. Rusanov, A. Gardzilewicz [at all] // Proc. 2nd Symp. on
Comp. Technologies for Fluid / Thermal / Chemical Systems with Industrial Applications, ASME PVP Division Conf., 1-5 August 1999, Boston, USA, PVP. - 1999. - Vol. 397(2). - P. 143-154.
13. Русанов А. В. Интерполяционно-аналитическая аппроксимация модифицированного уравнения состояния Бенедикта-
Вебба-Рубина для учета реальных свойств рабочих тел в трехмерных расчетах [Текст] / А. В. Русанов, П. Лампарт, Р. А. Русанов // Компрессорное и энергетическое машиностроение. - 2014. - Вып. 3. - С. 18-23.
Поступила в редакцию 17.06.2016
Р.А. Русанов, П. Клонович, А.В. Русанов, П. Лампарт, М. Шиманяк, М.О. Чу-гай, Н.В. Пащенко. Розробка дизайну проточно! частини турбши для лабораторно! енергетично! ORC установки
Представлено калька eapianmie рад1ально-осьових проточных частин турбт потужшстю 30 кВт для когенерацшно1 установки, що використовуе як робоче тыо SES36. Чисельне до^дження 3Б-течш в проточних частинах виконано з урахуванням реальних властивостейробочого тim, що визначаються за допомогою довiдкових таблиць i модифшованого piвняння стану Бенедикта-Вебба-Рубта. Представлеш турбти харак-теризуються дуже малим кутом виходу потоку (близько 4,5) з направляючого апарату. Гaзодинaмiчнa ефектившсть розроблених проточних частин турбн е достатньою для енергетичних машин подiбного виду.
Ключов1 слова: когенерацшна установка, низькокиплячi pобочi тыа, чисельний метод, турбЫа, paдiaльно-осьовa стутнь.
R.A. Rusanov, P. Klonowicz, A. V. Rusanov, P. Lampart, M. Szymaniak, M.A. Chugay, N. V. Pashchenko. Elaboration of the flow part of turbine for laboratory energy ORC unit
Presented several options of 30 kW radial-axial turbine flow parts for cogeneration plant, which uses as a working oil SES36. Numerical investigation of 3D flow in flow parts are made based on actual properties of the working fluid, which are determined using a reference tables and modified Benedict-Webb-Rubin equation of state. Presented turbines are characterized by a very small output angle of stream (about 4,5) from the stator\ Gas-dynamic efficiency of the developed part of the turbine flow is sufficient to power machines of this kind.
Key words: cogeneration unit, low-boiling working body, numerical method, turbine, radialaxial stage.
