3D shape optimisation of a low-pressure turbine stage

The possibility of reducing the flow losses in low-pressure turbine stage has been investigated in an iterative process using a novel hybrid optimisation algorithm. Values of the maximised objective function that is isentropic efficiency are found from 3D RANS computation of the flowpath geometry, which was being changed during the optimisation process. To secure the global flow conditions, the constraints have been imposed on the mass flow rate and reaction. Among the optimised parameters are stator and rotor twist angles, stator sweep and lean, both straight and compound. Blade profiles remained unchanged during the optimisation. A new hybrid stochastic-deterministic algorithm was used for the optimisation of the flowpath. In the proposed algorithm, the bat algorithm was combined with the direct search method of Nelder-Mead in order to refine the best obtained solution from the standard bat algorithm. The method was tested on a wide variety of well-known test functions. Also, the results of the optimisation of the other stochastic and deterministic methods were compared and discussed. The optimisation gives new 3D-stage designs with increased efficiency comparing to the original design.This work was supported by The National Science Centre, Grant No. 2015/17/N/ST8/01782

ORC turbine design

Workshop byl částečně podpořen projektem CZ.1.07/2.3.00/20.0139. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

ORC turbine design

Workshop byl částečně podpořen projektem CZ.1.07/2.3.00/20.0139. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

Small prototype of ORC power plant fuelled by water at 100°C: first experimental results

A general layout and principle of operation of the power plants based on the Organic Rankine Cycle (ORC) are presented together with an overall analysis of the effectiveness of such type of installations. This is followed by a more detailed description of the ORC research installation that has been originally designed, built and successfully put into operation. Substantial part of the paper is then devoted to design assumptions of that small ORC power plant that is fuelled with hot water at the temperature of 100oC, has nominal output of 22 kW and is located at the Department of Heat Engineering,West Pomeranian University of Technology in Szczecin. The R227ea organic fluid with low boiling point is used as the cycle working medium. Finally, first experimental results of the power plant tests and conclusions are given

РАЗРАБОТКА ДИЗАЙНА ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ТУРБИНЫ ДЛЯ ЛАБОРАТОРНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ORC УСТАНОВКИ

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 4,5̊) from the stator. Gas-dynamic efficiency of the developed part of the turbine flow is sufficient to power machines of this kind.Рассмотрены несколько вариантов проточных частей радиально-осевой турбины мощностью 30 кВт для когенерационной установки, использующей в качестве рабочего тела SES36. Численное исследование 3D 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 4,5̊. Газодинамическая эффективность разработанных проточных частей турбин удовлетворяет требованиям, предъявляемым к энергетическим машинам подобного рода

Application of permanent magnet generators for the construction of ORC microturbogenerators

W pracy omówiono zagadnienia związane z projektowaniem nowego typu maszyn elektrycznych dedykowanych do pracy w układach kogeneracyjnych małej mocy. Do konwersji ciepła odpadowego ze spalania biomasy na energię elektryczną zastosowano mikroturbogenerator zasilany parą czynnika niskowrzącego HFE7100. Wysokoobrotowy turbogenerator o mocy nominalnej 2,5 kWe pracuje w obiegu ORC, który oprócz energii elektrycznej umożliwia produkcję energii cieplnej na poziomie 20 kW. Do budowy wirnikowej maszyny ekspansyjnej zastosowano trójfazowy, synchroniczny silnik z magnesami trwałymi o maksymalnej prędkości obrotowej 80000 obr/min. Zaprojektowany i zbudowany mikroturbogenerator jest hermetyczny i posiada bezolejowy system łożyskowania. Ponieważ elementy generatora elektrycznego pracują w podwyższonych temperaturach, w artykule poruszono zagadnienia związane z wymaganiami stosowania zewnętrznego układu chłodzenia. W pracy przedstawiono wybrane wyniki badań mikroturbogeneratora parowego pracującego w instalacji ORC z czynnikiem niskowrzącym. Zamieszczono charakterystyki cieplno–przepływowe instalacji oraz omówiono warunki termodynamiczne jakie winny być spełnione podczas pracy ekspanderów parowych. Przedstawiono potencjalne zastosowanie małych kogeneratorów ORC z mikroturbinami parowymi w budowie układów elektroenergetycznych bazujących na OZE i cieple odpadowym.The article discusses issues related to the design of the new type of electric machines intended for operation in low power cogeneration systems. For the conversion of waste heat (coming from biomass combustion) to electricity, a microturbogenerator powered by a low-boiling medium’s vapour (HFE7100) was used. The high-speed turbogenerator with a nominal power of 2.5 kWe works in the ORC system which, in addition to generating electricity, enables heat production of 20 kW. A three-phase synchronous permanent magnet motor, with a maximum rotational speed of 80,000 rpm, is an integral part of the developed expansion machine. The designed and manufactured microturbogenerator has a hermetic structure and is equipped with an oil-free bearing system. Since some elements of the electric generator must be able to operate at elevated temperatures, this article raises issues related to the use of an external cooling system. This paper reports selected results from studies of the vapour microturbogenerator that operated in the ORC installation with HFE7100 as the working fluid. Thermal and flow characteristics of the installation are presented as well. Furthermore, thermodynamic conditions that should be met during operation of the vapour expanders are discussed. It was shown that small ORC cogeneration systems with vapour microturbines could be successfully applied in the construction of electricity systems that utilise renewable energy sources and waste heat

Design and performance study of a small-scale waste heat recovery turbine

The paper presents the design process of a radial-axial turbine working with SES36 working fluid. First, the mean-line design process is performed and then the geometry is developed. In the next stage the numerical verification is performed taking into account the real properties of the working fluid. The properties are implemented via a look-up table and by a modified Benedict-Webb-Rubin equation of state. The presented turbine is characterized by a very small stator outflow angle which is about 4.5◦ but despite this small value, the efficiency of the machine is relatively high and equal to about 88%. The influence of internal leakages has also been investigated

Методи проектування турбін осьового типу для когенераційної установки ORC, яка використовує в якості робочого тіла силікатне масло

The paper describes two methods for the design of blading systems of axial turbines for an OrganicRankine Cycle (ORC) cogeneration unit working with silica oil MDM. The algorithms are based onmathematical models of various levels of complexity – from 1D to 3D. Geometry of flow parts is described withthe help of analytical methods of profiling using a limited number of parameters. The 3D turbulent flow model isrealised in the software complex IPMFlow, which is developed based on the earlier codes FlowER and FlowERU,or in software complex ANSYS. Examples of developed turbines for a 500 kW machine are presented.Представлены алгоритмы проектирования проточных частей турбин осевого типа. Алгоритм основан на использовании математических моделей различных уровней сложности – от 1D до 3D. Описание геометрии проточных частей выполняется с помощью методов аналитического профилирования, исходными данными для которых служит ограниченное число параметрических величин. Модель 3D турбулентного течения реализована в программном комплексе IPMFlow, который является развитием программ FlowER и FlowER-U и программном комплексе ANSYS. Представлены примеры разработанных проточных частей турбин энергетических машин мощностью 500 кВт.Представлено алгоритми проектування проточних частин турбін осьового типу. Алгоритм базується на використанні математичних моделей різних рівнів складності - від 1D до 3D. Опис геометрії проточних частин виконується за допомогою методів аналітичного профілювання, початковими даними для яких служить обмежене число параметричних величин. Модель 3D турбулентної течії реалізована в програмному комплексі IPMFlow, який є розвитком програм FlowER і FlowER-U та програмному комплексі ANSYS. Представлені приклади розроблених проточних частин турбін енергетичних машин потужністю 500 кВт

Методы проектирования турбин осевого типа для когенереционной установки ORC, использующая в качестве рабочего тела силикатное масло (MDM)

The paper describes two methods for the design of blading systems of axial turbines for an Organic Rankine Cycle (ORC) cogeneration unit working with silica oil MDM. The algorithms are based on mathematical models of various levels of complexity – from 1D to 3D. Geometry of flow parts is described with the help of analytical methods of profiling using a limited number of parameters. The 3D turbulent flow model is realised in the software complex IPMFlow, which is developed based on the earlier codes FlowER and FlowERU, or in software complex ANSYS. Examples of developed turbines for a 500 kW machine are presented.Представлены алгоритмы проектирования проточных частей турбин осевого типа. Алгоритм основан на использовании математических моделей различных уровней сложности – от 1D до 3D. Описание геометрии проточных частей выполняется с помощью методов аналитического профилирования, исходными данными для которых служит ограниченное число параметрических величин. Модель 3D турбулентного течения реализована в программном комплексе IPMFlow, который является развитием программ FlowER и FlowER-U и программном комплексе ANSYS. Представлены примеры разработанных проточных частей турбин энергетических машин мощностью 500 кВт