Stosownie do zapotrzebowania sieci ciepłowniczej i elektroenergetycznej turbiny ORC pracują w trybie kondensacyjnym i kogeneracyjnym. Takie podejście wymaga zaprojektowania ekspandera, który charakteryzuje się wysoką sprawnością w każdym trybie pracy. Wykonano wielokryterialną optymalizację sprawności jednostopniowej osiowej turbiny ORC 30 kWe pracującej na MM (heksametylodisiloksan). Algorytm filtrowania niejawnego (IF) służy do znalezienia układu przepływu o maksymalnej sprawności izentropowej. Podczas optymalizacji zmieniane są profile wirnika (przy piaście i ograniczeniu górnym) oraz kształt konturów ograniczeń zewnętrznych domeny wirnika. Wykonano pięć zadań optymalizacyjnych z różnymi wagami sprawności dla obu reżimów pracy. Otrzymano front Pareto najlepszych rozwiązań. Zastosowano metodę decyzyjną do wyboru optymalnego rozwiązania. Optymalizacja układu przepływowego wirnika pozwala na znaczną poprawę sprawności w obu reżimach pracy, w odniesieniu do konfiguracji bazowej zaprojektowanej metodami klasycznymi 0D. Sprawność turbiny wzrosła o 3,1 pp. w trybie kondensacyjnym i o 4,8 pp. w trybie kogeneracyjnym.

Czytaj więcej...

Jednym ze sposobów podnoszenia sprawności części przepływowej układów łopatkowych maszyn wirnikowych jest odpowiednie trójwymiarowe kształtowanie łopatek i kanałów łopatkowych. Pojęcie ołopatkowania przestrzennego obejmuje pewną ilość modyfikacji konstrukcyjnych, które polegają na prostym lub złożonym pochylaniu i zwijaniu łopatek, indywidualnym doborze i optymalizacji profilu wzdłuż wysokości łopatki oraz kształtowaniu ograniczeń zewnętrznych kanału. Kształtowanie przestrzenne kanałów łopatkowych jest obecnie ważnym elementem projektowania układów przepływowych turbin. Na rysunku poniżej przedstawiono koło łopatek kierowniczych typu „compound lean” stopnia części WP firmy Alstom oraz widok długiej łopatki kierowniczej typu „sweep back” i zwijanej łopatki wirnikowej stopnia wylotowego części NP pochodzących także z rozwiązań firmy Alstom. Z uwagi na dużą ilość parametrów geometrycznych kombinacji kształtów przestrzennych oraz konieczność dopasowania kątów ustawienia i liczby łopatek w celu zapewnienia parametrów projektowych układu łopatkowego takich jak reakcyjność, kąt wylotowy ze stopnia, spadek entalpii, natężenie przepływu, czy moc układu, wybór konstrukcji o najwyższej sprawności winien odbywać się w sposób automatyczny z zastosowaniem metod komputerowej optymalizacji.

Koło łopatek kierowniczych stopnia części WP firmy Alstom

Czytaj więcej...

Wykorzystanie paliw alternatywnych, takich jak bioalkohole, stwarza realne możliwości czystszej i bardziej przyjaznej dla środowiska eksploatacji turbin gazowych w lotnictwie i energetyce. Jednocześnie rozwój technologii turbin gazowych z elastycznymi systemami zasilania paliwem umożliwia wykorzystanie alternatywnych paliw niekopalnych, które mogą odegrać kluczową rolę w globalnych wysiłkach na rzecz spełnienia celów emisyjnych. Opracowano charakterystyki pracy i emisji silnika odrzutowego GTM-140 zasilanego mieszaninami pentanolu z naftą lotniczą i porównano wyniki z mieszankami nafty z innymi biopaliwami – propanolem (alkohol C₃) i butanolem (alkohol C₄). Wszystkie zbadane alternatywy dla biopaliw płynnych wykazały potencjał redukcji regulowanych emisji, takich jak NO_x (średnio o 40%) i CO (średnio o 25%) dla alkoholu C₅. Zwiększenie udziału pentanolu w mieszankach skutkuje obniżeniem temperatury za komorą spalania. Efektywność paliwowa silnika wyrażona jako jednostkowe zużycie paliwa (TSFC) dla wszystkich badanych biopaliw spadła średnio o 40% dla alkoholu C₅.

Czytaj więcej...

Jednym ze sposobów dostosowania układów łopatkowych turbin ciepłowniczych do pracy w warunkach zmiennego obciążenia, np. w związku z kogeneracją energii elektrycznej i ciepła, jest regulacja adaptacyjna. Podstawowym elementem regulacji adaptacyjnej jest stopień adaptacyjny umieszczony za upustem. Przy odprowadzeniu pary na cele ciepłownicze zmienna geometria układu łopatkowego kierownicy stopnia adaptacyjnego pozwala na redukcję masowego natężenia przepływu bez redukcji spadku ciśnienia w grupie kolejnych stopni położonych w dół przepływu od upustu. Wykorzystany zostaje pełny dostępny spadek ciśnienia, co pozwala na uniknięcie ekspansji pozałopatkowych, które poza tym, że są źródłem strat mocy turbiny wprowadzają dodatkowy element niepewności w pracy dyfuzora wylotowego.

Przykłady kierownic stopnia adaptacyjnego: łopatka z przestawną krawędzią wlotową (A), łopatka ze złożoną linią podziału (B), łopatka z obracaną krawędzią wylotową – lotką (C), obracana łopatka (D); 1 – pełne otwarcie kanału, 2 – otwarcie częściowe

Czytaj więcej...

Jednym ze sposobów regulacji turbin parowych wielkiej mocy pracujących w warunkach zmiennego obciążenia jest regulacja napełnieniowa. Para doprowadzana jest do układu łopatkowego poprzez kilka grup dysz – skrzynek dyszowych. Każda skrzynka dyszowa posiada własny zawór regulacyjny. Każdy z zaworów ma własną charakterystykę otwierania przy uruchomieniu turbiny do pełnego obciążenia, a w stanie ustalonym ma swój własny poziom otwarcia (dławienia), stosownie do żądanego obciążenia turbiny. Regulacja napełnieniowa wymaga obecności (zwykle jednego) stopnia regulacyjnego dostosowanego do zasilania na części obwodu. Za stopniem regulacyjnym następują dalsze typowe stopnie turbinowe zasilane na całym obwodzie.

a)b)

a) Schemat doprowadzenia pary do turbiny w regulacji napełnieniowej
b) Schemat rozmieszczenia skrzynek dyszowych na obwodzie stopnia regulacyjnego

Czytaj więcej...

Przepływy w dużych turbinach parowych w stanach ustalonych uważa się za adiabatyczne. Zagadnienia sprzężonej wymiany ciepła pojawiają się np. w trakcie rozruchu turbiny od stanu zimnego i jej wygrzewania do osiągnięcia stanu ustalonego. Przy uruchomieniu turbiny ze stanu zimnego następuje wzrost temperatury elementów metalowych o kilkaset stopni. Towarzyszy temu rozszerzanie cieplne metalu. Obserwuje się przesunięcia i deformacje cieplne elementów metalowych oraz wzrost naprężeń w metalu. Zjawiska te zachodzą w innym tempie dla elementów kadłubów i dla wirnika. Inne wydłużenia elementów wirnika i kadłubów prowadzą do redukcji luzów technologicznych i zwiększają ryzyko zatarcia elementów turbiny. Częste zmiany obciążenia i duże prędkości nagrzewania elementów metalowych prowadzą do szybkiego zmęczenia cieplnego i pękania materiału. Deformacje cieplne mogą prowadzić do trwałych odkształceń elementów turbiny.

Czytaj więcej...

Turbina Tesli składa się z kilku (kilkunastu) cienkich tarcz zamocowanych na wale. Siłą napędową turbiny jest przepływ czynnika w przestrzeni międzytarczowej. Zasilanie ma miejsce przeważnie z kilku dysz ulokowanych dyskretnie na obwodzie, a wypływ czynnika odbywa się przez otwory w tarczy ukazane na rysunku.

Wirnik wielodyskowej turbiny Tesli
[dokumentacja patentowa – Hicks Kenneth USA]

Czytaj więcej...