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

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

The paper describes two methods of design of blading systems of radial-axial turbines for an Organic Rankine Cycle (ORC) cogeneration unit working with silica oil MDM. Preliminary design of the turbine flow part draws on methods of 1D calculation and pre-selection of basic geometric characteristics. Final design involves also methods for construction of 3D geometry and methods of 3D flow calculations of the turbine flow part. 3D numerical calculations of turbine flows are made with the help of the software package IPMFlow, developed based on the earlier codes FlowER and FlowER-U, or using the software complex ANSYS. 100 kW ORC turbine designs with the single-stage radial-axial turbine are elaborated in this paper.Описано два метода проектирования проточных частей турбин радиально-осевого типа для когонерационной установки, работающей по органическому циклу Ренкина, использующей в качестве рабочего тела силикатное масло (MDM). Предварительное проектирование проточной части основано на методе 1D расчетов и предварительного выбора основных геометрических характеристик. Окончательная доводка геометрии проточной части включает в себя также методы построения 3D геометрии и методов 3D расчета течения в проточной части турбины. 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 100 кВт

Методи проектування турбін радіально-осевого типу для когенереційної установки ORC, що використовує в якості робочого тіла силікатне масло (MDM)

The paper describes two methods of design of blading systems of radial-axial turbines for an Organic Rankine Cycle (ORC) cogeneration unit working with silica oil MDM. Preliminary design of the turbine flow part draws on methods of 1D calculation and pre-selection of basic geometric characteristics. Final design involves also methods for construction of 3D geometry and methods of 3D flow calculations of the turbine flow part. 3D numerical calculations of turbine flows are made with the help of the software package IPMFlow, developed based on the earlier codes FlowER and FlowER-U, or using the software complex ANSYS. 100 kW ORC turbine designs with the single-stage radial-axial turbine are elaborated in this paper.Описано два метода проектирования проточных частей турбин радиально-осевого типа для когонерационной установки, работающей по органическому циклу Ренкина, использующей в качестве рабочего тела силикатное масло (MDM). Предварительное проектирование проточной части основано на методе 1D расчетов и предварительного выбора основных геометрических характеристик. Окончательная доводка геометрии проточной части включает в себя также методы построения 3D геометрии и методов 3D расчета течения в проточной части турбины. 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 100 кВт.Описано два методи проектування проточних частин турбін радіально-осьового типу для когонераціонной установки, що працює по органічному циклу Ренкіна, та використовує в якості робочого тіла силікатне масло (MDM). Попереднє проектування проточної частини базується на методі 1D розрахунків та попереднього вибору основних геометричних характеристик. Остаточний доведення геометрії проточної частини включає в себе також методи побудови 3D геометрії і методів 3D розрахунку течії в проточній частині турбіни. Модель 3D турбулентної течії реалізована в програмному комплексі IPMFlow, який є розвитком програм FlowER і FlowER-U та програмному комплексі ANSYS. Наведено приклади розроблених проточних частин турбін енергетичних машин потужністю 100 кВт