Расчетное и экспериментальное аэродинамическое исследование паровой турбины с органическим рабочим телом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.12, кандидат наук Сайченко Александр Сергеевич

• Сайченко Александр Сергеевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Сайченко Александр Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПРИМЕНЕНИЕ ПАРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК НА ОСНОВЕ ОРГАНИЧЕСКОГО ЦИКЛА РЕНКИНА

1.1 Принцип работы органического цикла Ренкина

1.2 История развития органического цикла Ренкина

1.3 Обзор современных паротурбинных установок на основе органического цикла Ренкина

1.3.1 Паротурбинные установки на основе органического цикла Ренкина в геотермальных установках

1.3.2 Паротурбинные установки на основе органического цикла Ренкина для утилизации биомассы

1.3.3 Паротурбинные установки на основе органического цикла Ренкина для утилизации теплоты промышленных предприятий

1.3.4 Паротурбинные установки на основе органического цикла Ренкина для утилизации солнечной теплоты

1.3.5 Паротурбинные установки на основе органического цикла Ренкина для космических аппаратов

1.4 Обзор экспериментальных стендов для исследования турбинных ступеней с органическим рабочим телом

1.5 Разработка паротурбинной установки на основе органического цикла Ренкина для утилизации теплоты уходящих газов газовых компрессорных станций

1.6 Выводы по главе

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ТУРБИННОЙ СТУПЕНИ С ОРГАНИЧЕСКИМ РАБОЧИМ ТЕЛОМ ГЕКСАМЕТИЛДИСИЛОКСАН НА ВОЗДУХЕ

2.1 Описание объекта исследования

2.2 Теория моделирования ступеней турбомашин

2.3 Численный расчет турбинной ступени с ОРТ ММ на режимах частичной нагрузки

2.3.1 Выбор граничных параметров расчетных режимов

2.3.2 Построение расчетной модели турбинной ступени и описание физической модели рабочего тела ММ

2.3.3 Методика обработки результатов численного расчета

2.3.4 Результаты численного расчета турбинной ступени с ОРТ ММ на режимах номинальной и частичной нагрузок

2.4 Расчет предварительных граничных параметров модельных режимов турбинной ступени с ОРТ ММ при работе на воздухе

2.4.1 Методика расчета предварительных граничных параметров модельных режимов турбинной ступени с ОРТ ММ на воздухе

2.4.2 Результаты расчета предварительных граничных параметров модельных режимов турбинной ступени с ОРТ ММ на воздухе

2.5 Численный расчет модельных режимов турбинной ступени с ОРТ ММ на воздухе

2.6 Анализ результатов численного расчета модельных режимов работы турбинной ступени на ОРТ ММ и на воздухе

2.7 Выводы по главе

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗДУШНОЙ МОДЕЛИ ТУРБИННОЙ СТУПЕНИ С ОРТ ММ

3.1 Экспериментальный стенд

3.1.1 Воздушная компрессорная станция

3.1.2 Состав экспериментального стенда

3.1.3 Вспомогательные системы экспериментального стенда

3.1.3.1 Масляная система

3.1.3.2 Водяная система

3.1.4 Состав измерительной системы

3.1.5 Методика обработки экспериментальных данных

3.1.6 Прочностной расчет рабочего колеса турбинной ступени

3.1.6.1 Объект исследования и геометрическая модель

3.1.6.2 Математическая модель

3.1.6.3 Характеристики динамической прочности

3.1.6.4 Собственные частоты и формы колебаний рабочего колеса

3.1.6.5 Вибрационная диаграмма рабочего колеса

3.2 Производство узлов и деталей экспериментального стенда

3.2.1 Погрешность производства соплового аппарата турбинной ступени

3.2.2 Погрешность производства рабочего колеса турбинной ступени

3.3 Сборка и наладка экспериментального стенда

3.3.1 Контроль осевых и радиальных зазоров турбинной ступени

3.3.2 Балансировка гидротормоза с рабочим колесом турбинной ступени

3.3.3 Калибровка датчиков давления, силы и температуры

3.4 Режимы и методика проведения экспериментального исследования

3.5 Выводы по главе

ГЛАВА 4. ПРОВЕДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗДУШНОЙ МОДЕЛИ ТУБИННОЙ СТУПЕНИ С ОРТ ММ. ВЕРИФИКАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ФИЗИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ С ДАННЫМИ ЧИСЛЕННОГО РАСЧЕТА

4.1 Проведение физического исследования воздушной модели турбинной ступени с ОРТ ММ

4.2 Обработка полученных данных физического экспериментального исследования

4.3 Анализ результатов экспериментального исследования

4.4 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А (обязательное) Полные результаты численных расчетов работы турбинной ступени с ОРТ ММ на режимах номинальной и

частичной нагрузок

Приложение Б (обязательное) Полные результаты численного расчета оптимальных модельных режимов работы турбинной ступени с ОРТ

ММ на воздухе

Приложение В (обязательное) Данные экспериментального

исследования воздушной модели турбинной ступени с ОРТ ММ

Приложение Г (обязательное) Неопределенность результатов экспериментального исследования воздушной модели турбинной ступени с ОРТ ММ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Расчетное и экспериментальное аэродинамическое исследование паровой турбины с органическим рабочим телом»

Актуальность работы

Одним из путей решения задачи повышения энергоэффективости, определенной Федеральным законом РФ от 23 ноября 2009 г. № 261 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», является разработка способов и устройств для утилизации средне- и низкопотенциальной теплоты газотурбинных установок, котельных агрегатов, оборудования химической, металлургической и нефтяной промышленности. Накопленный мировой опыт показывает рентабельность и эффективность такого подхода с использованием турбин, работающих по органическому циклу Ренкина (ОЦР) на низкокипящих органических рабочих телах (ОРТ) [29, 57, 58]. Такие установки применяются для утилизации теплоты уходящих газов не только газовых турбин, но также при утилизации биогаза, в солнечной и геотермальной энергетике [50, 52, 69]. Очень масштабным может быть применение турбинных установок с ОРТ на объектах ПАО «Газпром», где суммарная величина располагаемой тепловой мощности уходящих газов всех эксплуатируемых газотурбинных установок (ГТУ) по оценке [12] составила 87,9 ГВт.

Схема простейшего ОЦР включает в себя котел-утилизатор, паровую турбину, конденсатор, регенератор и питательный насос. При разработке турбин для подобных установок необходимо создание стендов для экспериментального подтверждения выполненных расчетов и проектных решений. При этом для каждого используемого ОРТ необходимо создание индивидуального лабораторного стенда, что обусловлено существенным различием термодинамических свойств низкокипящих ОРТ [43]. Создание же унифицированного лабораторного стенда для исследования турбин с ОРТ весьма затруднительно.

Одним из способов решения означенной задачи является проведение газодинамических исследований моделей паровых турбин с ОРТ на воздушных стендах, с учетом положений теории подобия [20, 28] и возможностей применения современных расчетных пакетов. Такой подход позволяет использовать воздуходувные средства и аэродинамические стенды существующих лабораторий для исследования турбомашин. Основная сложность заключается в том, что ОРТ не являются идеальными газами, их физические свойства существенно изменяются в процессе расширения в турбинной ступени [22], что требует особого подхода к применению теории подобия.

В рамках НИОКР «Разработка опытного образца комбинированной парогазовой утилизационной установки для выработки электроэнергии на собственные нужды газовых компрессорных станций», выполняемой на кафедре «Турбины, гидромашины и авиационные двигатели» СПбПУ, рассчитана и спроектирована утилизационная паротурбинная установка (УПТУ) мощностью 560 кВт с ОРТ гексаметилдисилоксан (ММ). УПТУ включает в себя двухпоточную паровую турбину, состоящую из двух зеркально отображенных турбинных ступеней с общим ротором.

Для подтверждения полученных интегральных характеристик турбинной ступени с ОРТ необходимо проведение экспериментальных лабораторных исследований. При этом использование ОРТ весьма затруднительно, так как потребуется создание полноразмерного экспериментального стенда со всеми элементами тепловой схемы, что по стоимости соизмеримо с промышленной установкой.

Значительно снизить затраты позволит исследование модели разработанной турбинной ступени на воздухе с использованием имеющихся воздуходувных средств и лабораторных стендов, что обосновывает актуальность выполненной диссертационной работы.

В работе представлены результаты исследования характеристик разработанной турбинной ступени с ОРТ ММ на режимах частичной нагрузки. Экспериментальная часть выполнялась на стенде с использованием в качестве рабочего тела сжатого воздуха, подаваемого с помощью воздушного компрессора К-500-61-1.

Расчет режимов эксперимента выполнялся с учетом теории моделирования турбомашин, определяющей критерии подобия, которые необходимо выдерживать в натурной (рабочее тело ММ) и модельной (воздух) ступенях. Была исследована работа натурной ступени на четырех режимах частичной нагрузки. Для каждого из выбранных режимов выполнялся трехмерный численный расчет в программном пакете ANSYS CFD, позволивший определить оптимальную частоту вращения ротора, соответствующую максимальному значению КПД режима. На полученных оптимальных режимах определялись критерии подобия. Была разработана методика расчета предварительных граничных параметров воздушной модели турбинной ступени, дающая возможность провести базовый численный расчет модельного режима. Далее по результатам численного расчета проводилась корректировка граничных параметров модельной ступени до тех пор, пока не было выдержано равенство критериев подобия в модельной и натурной ступенях. В результате были получены четыре смоделированных режима работы турбинной ступени на воздухе. Параметры трех режимов были полностью подтверждены экспериментальным исследованием на воздушном стенде.

Цель и задачи работы

Целью работы является разработка методики моделирования процесса расширения в турбинной ступени с ОРТ гексаметилдисилоксан и проведение ее исследования на экспериментальном стенде с использованием в качестве рабочего тела сжатого воздуха.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи работы:

1) Обзор истории развития, сфер применения турбинных установок с ОРТ и экспериментальных стендов для их исследования.

2) Выполнение численного расчета натурной турбинной ступени с ОРТ ММ на режимах частичной нагрузки. Определение значений критериев подобия ступени.

3) Разработка методики расчета предварительных граничных параметров модели турбинной ступени. Численный расчет модельных режимов с рабочим телом воздух.

4) Разработка экспериментальной установки, методики проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных. Монтаж и наладка экспериментальной установки.

5) Исследование модельных режимов турбинной ступени с ОРТ ММ на экспериментальном стенде с использованием в качестве рабочего тела сжатого воздуха.

6) Анализ результатов экспериментального исследования и сравнение их с данными натурной турбинной ступени.

Научная новизна

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) Разработана методика расчета предварительных граничных параметров модели турбинной ступени с ОРТ ММ на воздушном рабочем теле.

2) На основе методики моделирования турбомашин и численных расчетов турбинной ступени с ОРТ ММ определены режимы работы модели ступени с воздушным рабочим телом, удовлетворяющие критериям подобия и допустимым параметрам аэродинамического стенда.

3) Получено экспериментальное подтверждение расчетных интегральных характеристик модельных режимов турбинной ступени с ОРТ ММ на аэродинамическом стенде. Максимальный внутренний КПД модельной

турбинной ступени при работе на воздухе составил 58,8 ± 2,4% (уровень доверия р = 68,27%), при этом результат численного расчета показал, что при работе натурной ступени на ОРТ ММ на соответствующем режиме, внутренний КПД составляет 60%.

Теоретическая и практическая значимость

Разработана и апробирована методика, позволяющая проводить экспериментальные исследования турбинной ступени с ОРТ ММ на экспериментальном стенде с использованием в качестве рабочего тела сжатого воздуха на различных режимах работы. Это позволяет в дальнейшем, при создании новых турбинных ступеней с ОРТ, проводить экспериментальные исследования их моделей на имеющихся воздушных экспериментальных стендах.

Методы исследования

В диссертационной работе использовались расчетно-экспериментальные методы на основе фундаментальных физических законов. Построена расчетная модель базовой турбинной ступени с применением современных программных пакетов конечно-элементного анализа (ANSYS CFX) для проведения численного исследования. При анализе данных экспериментальных исследований применялся метод математической статистики.

Личный вклад автора

Личный вклад автора складывается из:

1) обзора современного уровня развития паротурбинных установок на основе ОЦР и экспериментальных стендов для их изучения;

2) разработки методики расчета предварительных граничных параметров модели турбинной ступени с ОРТ ММ на воздушном рабочем теле;

3) проведения численных расчетов модельных режимов турбинной ступени с ОРТ ММ на воздушном рабочем теле;

4) разработки, контроля производства, сборки и пуско-наладки экспериментального стенда и измерительной системы;

5) проведения экспериментальных исследований и анализа полученных данных;

6) обоснования возможности моделирования турбинной ступени с ОРТ ММ на воздушное рабочее тело, опираясь на результаты экспериментального и расчетного исследований.

Положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся:

1) Выбор и обоснование режимов для проведения экспериментальных исследований на воздушном стенде.

2) Методика расчета предварительных граничных параметров модельных режимов турбинной ступени с ОРТ ММ на воздушном рабочем теле.

3) Результаты численных расчетов режимов работы турбинной ступени с ОРТ ММ и расчетов работы модели турбинной ступени на воздухе.

4) Результаты исследования режимов модели турбинной ступени с ОРТ ММ на экспериментальном стенде с использованием в качестве рабочего тела сжатого воздуха.

5) Анализ отклонения полученных результатов экспериментальных исследований от расчетных характеристик натурной турбинной ступени.

Достоверность и обоснованность полученных результатов

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечена использованием в процессе выполнения работы апробированных методик численного расчета и экспериментальных исследований турбомашин. Экспериментальное исследование проводилось с применением современных измерительных приборов, прошедших калибровку непосредственно перед проведением исследования и показавших приемлемый уровень оценки неопределенности результатов измерений.

Апробация результатов работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях:

1) Открытая научно-практическая конференция молодых работников ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург», Санкт-Петербург, май 2012 г., тема доклада: «Разработка парогазовой установки мощностью 250 кВт для утилизации теплоты уходящих газов газоперекачивающих агрегатов».

2) Научный форум с международным участием «Неделя науки СПбПУ», Санкт-Петербург, СПбПУ, 1 - 6 декабря 2014 г., тема доклада: «Разработка паротурбинной установки мощностью 560 кВт для утилизации теплоты уходящих газов турбоприводных газоперекачивающих агрегатов».

3) Международная научно-практическая конференция «Энергоэффективность и экология - 2016», Санкт-Петербург, СПбПУ, 19 - 22 мая 2016 г., тема доклада: «Разработка экологически чистой паровой турбины на органическом рабочем теле для утилизации вторичной тепловой энергии».

Публикации

По результатам исследования опубликовано 8 печатных работ:

1) Забелин, Н. А. Разработка экологически чистой паровой турбины на органическом рабочем теле для утилизации вторичной тепловой энергии / Н. А. Забелин, А. С. Сайченко // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2016. - № 3(249). - С. 5 - 14 (Перечень ВАК).

2) Забелин, Н. А. Исследование закономерностей моделирования на воздушном стенде процессов утилизационной турбины с рабочим телом гексаметилдисилоксан / Н. А. Забелин, А. С. Сайченко, А. А. Себелев,

В. Н. Сивоконь // Газовая промышленность. 2016. № 7, 8. С. 61-69 (Перечень ВАК).

3) Забелин, Н. А. Экспериментальное исследование модели органической паровой турбины мощностью 280 кВт / Н. А. Забелин, А. С. Сайченко,

B. Н. Сивоконь, Г. А. Фокин // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки, 2017. - №4. - С. 25 - 39. (Перечень ВАК).

4) Забелин, Н. А. Экспериментальный стенд для исследования высокооборотной воздушной модели одноступенчатой малорасходной турбины конструкции ЛПИ мощностью 260 кВт / Н. А. Забелин, С. Ю. Оленников, А. С. Сайченко, В. Н. Сивоконь, Е. Т. Смирнов, М. В. Смирнов // Наука и техника в газовой промышленности. 2015. №3 (63). - С. 33 - 39.

5) Рассохин, В. А. Разработка паротурбинной установки мощностью 560 кВт для утилизации теплоты уходящих газов турбоприводных газоперекачивающих агрегатов / В. А. Рассохин, А. С. Сайченко, М. В. Смирнов // Научный форум с международным участием "Неделя науки СПбГПУ": материалы научно-практической конференции. Институт энергетики и транспортных систем СПбГПУ. - 2014. - ч. 2. -

C. 90 - 93.

6) Сайченко, А. С. Разработка парогазовой установки мощностью 250 кВт для утилизации теплоты уходящих газов газоперекачивающих агрегатов / А. С. Сайченко // Открытая научно-практическая конференция молодых работников. Сборник докладов. Газпром трансгаз Санкт-Петербург, - 2012. - I том. - С. 261 - 263.

7) Смирнов, М. В. Пути повышения эффективности малорасходных турбин с большим относительным шагом / М. В. Смирнов, А. С. Сайченко, Н. А. Забелин, Г. Л. Раков // Неделя науки СПбГПУ: материалы научно-практической конференции с международным участием. Институт энергетики и транспортных систем СПбГПУ. - 2014. - С. 54 - 56.

8) Смирнов, М. В. Численное исследование особенностей течения в малорасходных турбинных ступенях конструкции ЛПИ / М. В. Смирнов, А. С. Сайченко, Н. А. Забелин, В. А. Рассохин // Неделя науки СПбГПУ: материалы научно-практической конференции с международным участием. Институт энергетики и транспортных систем СПбГПУ. -2013. - С. 54 - 55.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка сокращений и обозначений, списка литературы, 4 приложений. Текст диссертации с приложениями изложен на 155 страницах, содержит 76 рисунков, 26 таблиц, список использованных литературных источников, включающий 71 наименование.

ГЛАВА 1. ПРИМЕНЕНИЕ ПАРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК НА ОСНОВЕ

ОРГАНИЧЕСКОГО ЦИКЛА РЕНКИНА

Основными источниками средне- и низкопотенциальной теплоты являются промышленные предприятия, в технологическом контуре которых присутствует неиспользуемый тепловой потенциал, в дальнейшем выбрасываемый безвозвратно в окружающую среду с уходящими выхлопными газами, либо с охлаждающей жидкостью. Это приводит к тепловому загрязнению окружающей среды, а также к снижению конкурентоспособности конечной продукции производства, связанной со вкладом теряемой энергии в стоимость продукции. К таким производствами относятся:

- цветная и черная металлургия;

- химическая промышленность;

- производство стекла;

- производство керамики;

- производство цемента;

- дизельные электростанции;

- газотранспортная промышленность (газотурбинные двигатели).

Начиная с 2000-х годов в мире началось активное внедрение в упомянутые

производства утилизационных паротурбинных установок, работающих по ОЦР (анг. Organic Rankine cycle). Это связано с тем, что применение ОЦР позволяет преобразовывать выбрасываемую теплоту в электроэнергию с эффективностью от 8 до 18%, без дополнительных топливных затрат, снижая при этом удельные выбросы вредных веществ, что стало возможным ввиду применения нового класса нетоксичных и озонобезопасных ОРТ - силоксанов.

1.1 Принцип работы органического цикла Ренкина

Существует два основных типа конструктивных схем паротурбинных установок, работающих по циклу Уильяма Джона Ренкина (1820-1872 г.) - с регенерацией и без нее. Рабочими телами циклов могут являться очищенная вода и различные органические жидкости.

Конструктивная схема замкнутого цикла Ренкина без регенерации (рисунок 1.1) состоит из испарителя, в котором жидкое рабочее тело превращается в перегретый пар, паровой турбины, где потенциальная и внутренняя энергия рабочего тела преобразуется в полезную механическую работу вращения ротора паровой турбины, приводящей во вращение электрогенератор, конденсатора, в котором пар, конденсируясь на поверхности охлаждающих трубок, переходит в жидкую фазу и питательного насоса, повышающего давление жидкого рабочего тела до необходимого значения перед испарителем.

Рисунок 1.1 -Конструктивная схема (а) и T-S (б) диаграмма паротурбинной установки, работающей по циклу Ренкина без регенерации

Мощностной ряд современных паровых турбин составляет от десятков киловатт до 1900 МВт при эффективном КПД до 48% и параметрах пара перед

турбиной до 600 °С и 33,0 МПа [21, 60].

Параллельно с развитием крупной промышленности и энергетики возникла необходимость создания технологий, способных преобразовывать низко-(жидкости с температурой ниже 100 °С и газы менее 300 °С) и среднепотенциальную (температура до 600 °С) [3] тепловую энергию промышленного и природного происхождения (геотермальная, солнечная энергия, сжигание биомассы и т.д.). Успешным решением стало применение цикла Ренкина с альтернативными рабочими телами, в качестве которых применяются органические соединения, в состав которых входит углерод (за исключением карбидов, карбонатов, оксидов углерода и цианидов) [1], имеющие более низкую температуру испарения, чем вода. Это позволяет реализовывать цикл Ренкина при более низких температурах (от 70..100 °С) и давлениях перед паровой турбиной (до 4 МПа). Данный цикл получил название "Органический цикл Ренкина".

На рисунке 1.2 приведена распространенная конструктивная схема ОЦР с регенерацией, где пар после турбины направляется в конденсатор не напрямую, а через экономайзер, в котором от него отводится часть теплоты для подогрева жидкого рабочего тела после насоса, перед испарителем. Это позволяет повысить КПД цикла, однако увеличивает общие капитальные затраты установки.

д Испаритель \/

Рисунок 1.2 - Конструктивная схема (а) и T-S (б) диаграмма паротурбинной установки, работающей по органическому циклу Ренкина с регенерацией

1.2 История развития органического цикла Ренкина

Идея применения рабочих тел энергоустановок, отличных от водяного пара, имеет достаточно давнюю историю, что подтверждается патентом Томаса Ховарда 1826 года, заявившего способ применения эфира в качестве рабочего тела в тепловой машине [55]. В дальнейшем было исследовано большое количество различных веществ - носителей энергии, благодаря чему энергоустановки с органическими рабочими телами совершенствовались и находили применения в различных областях.

В 1890-х годах американская компания "Gas Engine & Power Company" продала около 500 установок (рисунок 1.3), основанных на паропоршневом двигателе с рабочим телом нафта (или лигройн, продукт крекинга нефти). Установка, запатентованная Франком Офельдом (Franck W. Ofeldt) [24], работала за счет подачи нафты из топливного бака в змеевик испарителя, после которого малая часть топлива подавалась на горелку, а остаток в цилиндры паропоршневого двигателя, приводя его во вращение. После двигателя нафта конденсировалась в U-образной трубке и подавалась обратно в топливный бак. Получается, что рабочее тело установки являлось одновременно и топливом.

1 - топливный бак; 2 - испаритель; 3 - паропоршневой двигатель; 4 -конденсатор Рисунок 1.3 - Установка с органическим циклом Ренкина запатентованная

Франком Офельдом в 1897г. [24]

Параллельно с Офельдом, британский изобретатель Альфред Ярроу (Alfred Yarow) в 1888 году разработал подобный двигатель с рабочим телом в виде нафты. Двигатель производился швейцарской компанией Esher Wyss AG и получил широкую известность в 1891 году, когда Альфред Нобель применил его в лодке Mignon. Однако, несмотря на то, что давление в испарителе было меньше, чем в применявшихся в то время паровых котлах, аварии во время работы двигателя все равно случались [65].

Последующие исследования рабочих тел позволили Франку Шуману (Frank Shuman) в 1907 году создать первую солнечную установку, работающую по ОЦР

л

мощностью 2,6 кВт, применив солнечный коллектор площадью 110 м и эфир в качестве рабочего тела (рисунок 1.4) [57]. В таблице 1.1 приведены последующие разработки солнечных установок с ОЦР, осуществленные до Второй мировой войны, приостановившей ход развития технологии [34].

Таблица 1.1 - Первые солнечные установки, работающие по ОЦР

Год создания Создатель Рабочее тело ОЦР Площадь солнечного коллектора, м2 Тип двигателя Мех. мощность, кВт

1907 Франк Шуман (Frank Shuman) Эфир 110 Паро-поршневой 2,6

1923 Ромагноли (Romagnoli) Хлорэтан Нет данных Паро-поршневой 1,5

1936 Луиджи ди Амелио (Luigi D'Amelio) Хлорэтан 270 Осевая турбина (1 ступень) 4

Рисунок 1.4 - Первая солнечная установка, работающая по ОЦР.

Создатель - Франк Шуман, 1907 г. [57]

В послевоенное время происходило активное развитие высокоэффективной промышленности, энергетики и техники. Растущие объемы производств, выбрасывающих в атмосферу колоссальное количество вторичных энергетических тепловых ресурсов, а также появившаяся возможность использования новых источников низкопотенциальной теплоты в виде геотермальных вод, требовало технологий, способных преобразовывать имеющийся тепловой потенциал в электроэнергию. Развитие военной техники также порождало спрос на компактные энергоустановки, способные работать автономно в течение длительного времени, причем не только на Земле, но и в космосе.

В удовлетворении возникших технических потребностей важную роль сыграла технология ОЦР. Массовость распространения ОЦР в мире зависела от технико-экономических показателей и была напрямую связана со стоимостью топливного сырья и электроэнергии, различные в каждой стране. В СССР ОЦР использовался в геотермальных установках бинарного типа (первая в мире геотермальная электростанция с бинарным циклом полезной мощностью 500 кВт была построена в СССР в 1967г. на р. Паратунка (Камчатка), рисунок 1.5, [29]) и

технике специального назначения (космических энергоблоках мощностью 1,5 и 6 кВт [7]). Однако, в СССР ОЦР не применялся для утилизации вторичных источников тепловой энергии промышленности, вероятнее всего, из-за активного введения централизованных электрических мощностей. За 1945—1985 года производство электроэнергии в СССР увеличилось в 41 раз, достигнув значения 315 ГВт [18]. В других же странах мира ОЦР нашел широкое применение и развитие.

Рисунок 1.5 - Первая в мире геотермальная электростанция с бинарным циклом полезной мощностью 500 кВт, СССР р.Паратунка, 1967 г. [29]

1.3 Обзор современных паротурбинных установок на основе органического

цикла Ренкина

Обзор современных паротурбинных установок на основе ОЦР представленный в [55; 58; 65; 66] показал, что в 2016 году было следующее распределение их установленной мощности по источникам теплоты (рисунок 1.6):

- геотермальные (76,5%);

- утилизация биомассы (10,7%);

- утилизация теплоты газотурбинных двигателей (ГТД) и двигателей внутреннего сгорания (ДВС) (8,5%);

- утилизация теплоты промышленных предприятий (4,2%);

- солнечные установки (0,1%).

Суммарное количество всех установок составляет 563 единицы, с суммарной электрической мощностью 2750 МВт. Распределение реализованных установок с ОЦР по производителям показано на рисунке 1.7. Видно, что основными лидерами являются компании Ormat, Turboden и Exergy.

Территориальное распределение эксплуатируемых установок с ОЦР показано на рисунке 1.8. Центром применения таких установок является Европа.

Рисунок 1.6 - Распределение установленной мощности установок с ОЦР

по источникам теплоты [55]

Рисунок 1.7 - Распределение реализованных установок с ОЦР

по производителям [65]

На рисунке 1.9 представлена диаграмма ежегодного ввода в эксплуатацию установок с ОЦР, разделенная по сферам применения.

Рисунок 1.8 - Территориальное распределение реализованных

установок с ОЦР [55]

Рисунок 1.9 - Диаграмма ежегодного ввода в эксплуатацию

установок с ОЦР [65]

Анализ показал, что, начиная с 2005 года, имеется существенный рост объема ежегодно вводимой в эксплуатацию мощности установок с органическими рабочими телами. В 2017 году эта цифра составила 470 МВт/год [65].

Перечень реализованных с 1995г. коммерческих паротурбинных установок, работающих по ОЦР, представлен в таблице 1.2 [43]. Техническое отличие между ними заключается в применении различных рабочих тел, существенно различающихся по химическим и термодинамическим свойствам. Рабочее тело определяет следующие особенности установки: габариты теплообменных аппаратов, определяемые массовым расходом; ограничение по максимальной температуре парогенератора, из-за возможной термической деструкции рабочего тела; высокое требование к качеству уплотнений, из-за возможных образований кислот при контакте с кислородом, токсичных свойств рабочего тела и др.

С первых лет ХХ века было проведено большое количество исследований химических, термо- и газодинамических свойств органических рабочих тел [68], однако выявить оптимальное по всем параметрам не удалось. На рисунке 1.10 показана Т-Б диаграмма некоторых низкокипящих рабочих тел, применяемых в ОЦР. Видно, что выбор рабочего тела напрямую зависит от граничных условий, в которых планируется эксплуатация установки с ОЦР.

н-пентан

/ изобутан ,

\ / /\ /

У \R152a /

/ / /У I \ ] /

\ II

\

\ I -Л—-,

О 0.5 1 1.5 2

Б [кДж/(кг К]

Рисунок 1.10 - Т-Б диаграмма низкокипящих рабочих тел, применяемых в ОЦР

Таблица 1.2 - Перечень реализованных с 1995г. паротурбинных установок

работающих по ОЦР [43]

Производитель Потребитель Эл.мощность установки, кВт Рабочее тело Применение установки Тип турбины Параметры на входе в турбину Кол-во, шт. Год продажи

t, С P, МПа

Atlas Copco (Швеция) Канада 2100 R134a Утил. Рад. н.д. н.д 1 2012

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сайченко Александр Сергеевич, 2018 год

- - —

•Т "17 / -г* ✓

1 * /

1 /

Г 1 перва я форм а у /

колебанш 1 * _/. 1 - г

-С / / •г 1 1 Т

1 ✓ ✓ /

и

/ / \\ У У*

г ✓ 4 1

/ V 4 1

/ ✓ ✓ 1

f ✓ ✓ * , У 1 •! г

/ > У ✓ *

> ✓ ✓ у ✓ \ ^ 1

о ✓ ** ✓ |

✓ > У ✓ ✓ .—1 1

/ > ✓ < « ] 1

✓ —•

-

1 \ 4 - * Г

режим \?1 режим Лй режим № режим .N"94 --- 16000 об мин

Номер гармоники

---к=1

---к=2

---к-3

---к»4

---к-5

---к-6

---к-7

---к-8

0,00

50,00

100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 п, Гц

Рисунок 3.21 - Вибрационная диаграмма РК

Вибрационная отстройка РК, в данном случае, не имеет большого значения, поскольку экспериментальное исследование турбинной ступени подразумевает прохождение режимов с широким диапазоном частот. Увеличение значения собственной частоты РК, путем изменения его геометрии, приведет к смещению резонансного режима на более высокую частоту вращения, т.е. на четвертый режим экспериментального исследования, являющимся самым нагруженным и проблематичным с точки зрения образования льда в проточной части турбинной ступени, приводящего к разбалансировке РК.

Вышесказанное означает, что при проведении экспериментов, не следует долго задерживаться на режимах № 2 и 3, поскольку это может со временем привести к разрушению рабочего колеса.

3.2 Производство узлов и деталей экспериментального стенда

При производстве узлов и деталей экспериментального стенда особенно тщательно контролировались размеры проточной части турбинной ступени, так как любые отклонения от теоретических чертежей влекут за собой изменение аэродинамических параметров ступени.

3.2.1 Погрешность производства соплового аппарата турбинной ступени

СА турбинной ступени состоит из входного и выходного сегментов. Выходной сегмент достаточно сложен в производстве, так как канал проточной части фрезеруется с переворотом сегмента.

Оба сегмента производились по 3D модели на пятикоординатном фрезерном станке с числовым программным управлением (ЧПУ). Самым ответственным сечением в СА является горло канала, которое формируется при сборке двух сегментов, и которое невозможно качественно измерить после сборки. Поэтому в момент производства СА (рисунок 3.22) тщательно измерялись все возможные размеры.

а - процесс фрезерования; б - сечение контролируемой величины Рисунок 3.22 - Производство входного сегмента соплового аппарата

На входном сегменте СА измерялись осевое расстояние от стенки за горлом канала до плоскости разъема СА (рисунок 3.22б) и высота канала в данном сечении. На выходном сегменте СА (рисунок 3.23) измерялась радиальная высота канала. Сложность контроля заключалась в том, что поверхности канала имеют криволинейные образующие. Значения всех измеренных величин совпали с теоретическими с точностью ±0,01 мм.

а - внутренняя часть канала; б - выходная часть канала Рисунок 3.23 - Производство выходного сегмента соплового аппарата

3.2.2 Погрешность производства рабочего колеса турбинной ступени

РК турбинной ступени состоит из 55 радиальнообразованных лопаток, отфрезерованных заодно с диском. При производстве (рисунок 3.24а) контролировались размеры корневого и периферийного диаметров лопаток, а

также ширина сечения лопаток на периферии (рисунок 3.24б). Все контролируемые величины совпали с теоретическими с точностью ±0,01 мм.

а - процесс фрезерования; б - сечение контролируемой величины Рисунок 3.24 - Производство рабочего колеса

3.3 Сборка и наладка экспериментального стенда

Залогом точности проведения эксперимента является правильная сборка экспериментального стенда и калибровка системы измерения.

Качественная сборка стенда подразумевает под собой монтаж элементов в правильных позициях, жесткая фиксация всех крепежных элементов, обеспечение полной герметизации проточной части всего стенда, точная динамическая балансировка ротора стенда в сборе с РК и дисками гидротормоза.

3.3.1 Контроль осевых и радиальных зазоров турбинной ступени

При монтаже турбинной ступени измерялся осевой сдвиг ротора по оси в обе стороны. Величина сдвига составила 0,28 мм по потоку и 0,26 мм против потока. Опираясь на эти данные, был выбран зазор 0,8 мм между СА и РК и 1,5 мм между РК и выходным корневым обводом. Наличие осевого сдвига ротора объясняется двухвальной конструкцией гидротормоза, включающего два ряда опорных и опорно-упорных подшипников, люфт которых суммируется.

Учет дополнительного осевого зазора между СА и РК особенно важен в режимах резонанса, так как РК расположен консольно и не исключено задевание усика осевого уплотнения корневого сечения РК об СА.

Монтаж РК производится на конусную втулку, обеспечивающую жесткую посадку РК на вал с осевой фиксацией. После установки РК был проверен радиальный зазор, равный 0,5 мм, выдержанный по всей периферийной окружности РК, и осевые зазоры.

3.3.2 Балансировка гидротормоза с рабочим колесом турбинной ступени

Следующим этапом сборки экспериментального стенда является динамическая балансировка ротора стенда с РК и дисками гидротормоза на станке ДИАМЕХ 2000 при частоте вращения ротора 1000 об/мин (рисунок 3.25). Компенсация небаланса проводится путем удаления, методом сверления, массы небаланса с РК и открытого колеса гидротормоза.

Рисунок 3.25 - Гидротормоз с РК турбинной ступени установленный на

балансировочный станок

В результате проведенных работ по балансировке ротора, величина неуравновешенности ротора экспериментального стенда попала в поле допуска (рисунок 3.26).

Рисунок 3.26 - Параметры сбалансированной системы РК и ротора

гидротормоза с дисками

3.3.3 Калибровка датчиков давления, силы и температуры

Перед проведением экспериментальных исследований все датчики измерительной системы (давлений, температуры и силы) были протарированны и

откалиброваны. Датчики давлений нагружались в рабочем диапазоне с помощью специального источника эталонного давления. Калибровка температуры проводилась по двум точкам: замерзания и кипения воды. Датчик силы калибровался с помощью эталонных грузов.

3.4 Режимы и методика проведения экспериментального исследования

Режимы и методика проведения экспериментального исследования воздушной модели турбинной ступени с ОРТ ММ основаны на результатах численного газодинамического и прочностного расчетов.

Программа исследования включает в себя четыре смоделированных режима (таблица 3.4), на которых проводятся измерения интегральных характеристик турбинной ступени. Поскольку заранее не известно до какой температуры успеет прогреться воздушный коллектор, подводящий воздух к экспериментальному стенду, для каждого режима рассчитано четыре варианта температуры торможения перед СА, соответствующие им оптимальные частоты вращения ротора изображены на рисунке 3.27.

Таблица 3.4 - Режимы экспериментального исследования воздушной модели турбинной ступени с ОРТ ММ

Параметры режимов исследования Ожидаемые результаты режимов исследования

№ Режима Давление и температура торможения на входе в СА Частота вращения Усилие на рычаге гидротормоза Момент вращения Мощность ступени Массовый расход Число Маха Характеристическое число и внутренний КПД ступени Статическое давление за СА и РК Статическая температура за СА и РК Степень реактивности

Р0*, Па Т0*, К Т0*, °С п, об/мин п, Гц F, Н F, кг м, Н*м N Вт с, кг/с М„ -М^2 и/Со П1 Р1, Па Р2, Па Т1, К Т2, К Рт

1 308000 343,2 70,0 9821 163,683 72,772 7,426 50,54 51951,5 1,083 1,126 0,300 0,446 0,5008 102291 98522 274,5 285,8 0,028

348,2 75,0 9889 164,817 72,772 7,426 50,54 52338,3 1,076 1,126 0,300 0,446 0,5005 102257 98513 278,4 290,1 0,028

353,2 80,0 9959 165,983 72,772 7,426 50,54 52706,7 1,068 1,126 0,300 0,446 0,5004 102276 98514 282,4 294,3 0,028

358,2 85,0 10030 167,167 72,757 7,424 50,53 53071,1 1,061 1,126 0,300 0,446 0,5004 102287 98514 286,4 298,5 0,028

2 471700 343,2 70,0 12877 214,617 128,697 13,132 89,38 120529 1,66 1,463 0,402 0,514 0,5844 107271 98656 241,9 255,1 0,043

348,2 75,0 12970 216,167 128,611 13,124 89,32 121311 1,649 1,463 0,402 0,514 0,5836 107223 98644 245,1 258,5 0,043

353,2 80,0 13063 217,717 128,596 13,122 89,31 122167 1,637 1,463 0,402 0,514 0,5835 107229 98643 248,6 262,2 0,043

358,2 85,0 13155 219,250 128,582 13,121 89,3 123022 1,625 1,463 0,402 0,514 0,5835 107232 98643 252,1 265,9 0,043

3 537580 343,2 70,0 14057 234,283 147,343 15,035 102,3 150643 1,893 1,552 0,438 0,543 0,6004 109138 98297 232,8 244,5 0,049

348,2 75,0 14159 235,983 147,329 15,034 102,3 151716 1,879 1,552 0,438 0,543 0,6002 109120 98287 236,1 248,0 0,049

353,2 80,0 14261 237,683 147,300 15,031 102,3 152782 1,866 1,552 0,438 0,543 0,6001 109115 98286 239,5 251,5 0,049

358,2 85,0 14361 239,350 147,300 15,031 102,3 153846 1,853 1,552 0,438 0,543 0,6000 109118 98284 242,9 255,1 0,049

4 713800 343,2 70,0 15669 261,150 206,062 21,027 143,1 234823 2,514 1,730 0,518 0,571 0,6271 112113 98516 216,1 226,6 0,049

348,2 75,0 15791 263,183 205,774 20,997 142,9 236327 2,496 1,730 0,518 0,571 0,6263 112025 98449 219,0 229,7 0,049

353,2 80,0 15904 265,067 205,731 20,993 142,9 237967 2,479 1,730 0,518 0,571 0,6261 111957 98434 222,1 233,1 0,049

358,2 85,0 16008 266,800 205,976 21,018 143,1 239807 2,461 1,730 0,518 0,571 0,6265 112064 98441 225,3 236,4 0,050

а)

п, Гц Зависимость п(Т0*) 169

167

165

163

161

159

157 Т0*, С

50 55 60 65 70 75 80 85 90

б)

п, Гц Зависимость п(Т0*) 220

218

216

214

212

210

208 Т0*, °С

50 55 60 65 70 75 80 85 90

п, Гц Зависимость п(Т0*)

239 237 235 233 231 229 227

Т0*

в)

50 55 60 65 70 75 80 85 90

г)

п, Гц

269

267

265

263

261

259

257

255

253

Зависимость п(Т0*)

Т0*

50 55 60 65 70 75 80 85 90

а - режим №1; б - режим №2; в - режим №3; г - режим №4 Рисунок 3.27 - Зависимости оптимальной частоты вращения турбинной ступени от температуры торможения на входе в СА на четырех модельных режимах

При проведении экспериментального исследования воздушная компрессорная станция выводится на назначенный стабильный режим работы таким образом, чтобы давление торможения перед СА соответствовало программе исследования и пошагово равнялось P0* = 308; 471,7; 537,58; 713,8 кПа. При этом для каждого из режимов, в зависимости от текущего значения температуры перед СА, устанавливается необходимая частота вращения ротора путем изменения момента сопротивления гидротормоза регулированием подачи и отвода воды в

камерах гидротормоза. При выходе на режим исследования по всем параметрам (Р0*; Т0*; п) делается временная выдержка для стабилизации режима и записи данных измерительной системы.

Проведение экспериментального исследования, как уже было сказано, состоит из трех параллельных задач: регулирование параметров воздуха на входе в экспериментальный стенд; регулирование частоты вращения ротора; контроль и анализ данных измерительной системы.

Необходимые параметры воздуха на входе в экспериментальный стенд достигаются путем управления входной запорной арматурой перед компрессорной станцией (изменение температуры) и сбросной, иначе байпасной, запорной арматурой (изменение давления).

Регулирование частоты вращения ротора является достаточно сложной задачей и требует от исполнителя большого опыта, так как работа гидротормоза может сопровождается вибрациями, приводящими к нарушению стабильности водяного кольца, что в результате приводит к изменению частоты вращения ротора и уходу от необходимого режима. В данной ситуации помогает автоматическая система измерения, работающая непрерывно и позволяющая отбирать и анализировать все необходимые режимы, вне зависимости от их длительности.

Расчетные данные указывают, что особенностью режимов № 2,3,4 является понижение статической температуры потока в проточной части ступени ниже 0 °С, с достижением минимального значения примерно -50 °С. Это может привести к постепенному зарастанию проточной части ступени льдом, что грозит опасностью введения компрессорной станции в режим помпажа.

Во избежание опасной ситуации, при переходе между 2-3-4 режимами предусмотрен прогрев ступени, когда на воздушном коллекторе полностью открывается сбросная запорная арматура, при этом входное давление в СА падает до 200..250 кПа (при температуре 45..60 °С), коэффициент понижения давления в турбинной ступени также падает. При этом проточная часть турбинной ступени прогревается до 15..25 °С, после чего, в возможно короткое время регулируется

сбросная запорная арматура и гидротормоз, позволяя перейти к следующему режиму исследования.

Как уже было сказано в разделе 3.3.5, данные численного прочностного расчета говорят о возможном резонансе на режимах № 2 и 3, что может привести к возникновению плановой высокочастотной вибрации фундамента стенда.

3.5 Выводы по главе 3

1) Разработана и спроектирована экспериментальная установка для исследования воздушной модели турбинной ступени с ОРТ ММ.

2) Произведены и смонтированы элементы экспериментального стенда, измерительная система оттарирована и откалибрована. Проведена полная пуско-наладка стенда.

3) Разработана методика проведения экспериментального исследования согласно прочностным и газодинамическим расчетам турбинной ступени.

4) Экспериментальный стенд физической модели турбинной ступени с ОРТ ММ подготовлен к проведению испытаний на воздушном рабочем теле.

ГЛАВА 4. ПРОВЕДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗДУШНОЙ МОДЕЛИ ТУБИННОЙ СТУПЕНИ С ОРТ ММ. ВЕРИФИКАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ФИЗИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ С ДАННЫМИ ЧИСЛЕННОГО РАСЧЕТА

4.1 Проведение физического исследования воздушной модели турбинной

ступени с ОРТ ММ

Экспериментальное исследование воздушной модели турбинной ступени с ОРТ ММ проходило в соответствии с разработанной методикой. В ходе эксперимента была подтверждена правильность выполненных прочностных и режимных расчетов. На режимах № 3 и 4 наблюдалось плановое образование тумана и снежно-ледовых отложений за РК ступени и на выходе из выхлопного патрубка стенда (рисунок 4.1). Также на режиме № 3, из-за явлений резонанса, ощущалась сильная вибрация фундамента стенда.

9Л

Рисунок 4.1 - Проведение физического исследования воздушной модели турбинной ступени с ОРТ ММ на режиме №4

4.2 Обработка полученных данных физического экспериментального

исследования

Полученные данные экспериментального исследования воздушной модели турбинной ступени с ОРТ ММ представлены в Приложении В, в таблицах В.1 и В.2 [14]. Выборка результатов измерений, соответствующих режимам, проводилась по методу трех стандартных отклонений. Расчет неопределенностей измерений проводился согласно ГОСТ 54500.1-2011 [6] и представлен далее в Приложении Г, результаты расчета, соответствующие уровню доверия р = 68,27%, представлены в таблице 4.2, входные величины имеют нормальное распределение.

Обработка экспериментальных данных проводилась по методике, указанной в пункте 3.1.5. Среднеарифметические значения данных экспериментального исследования и данные численного моделирования режимов представлены в таблице 4.1. Каждому режиму соответствует свое модельное характеристическое число и/С0. Значения полученных экспериментальных и численных зависимостей КПД, мощности N характеристического числа и/С0 и термодинамической степени реактивности рт_ср турбинной ступени от начального давления торможения перед ступенью Р0* изображены на рисунках 4.2 - 4.5. В таблицах 4.2 и 4.3 представлены относительные отклонения среднеарифметических значений данных эксперимента на воздухе от численного расчета на воздухе и численного расчета на ММ.

Работа на режиме №4 сопровождалась интенсивным выпадением из воздуха паров и твердой фазы воды, то есть тумана, снега и льда, что видно на рисунке 4.1. Это связано с тем, что статическая температура на данном режиме опускается ниже -50 °С за СА, приводя к пульсационному зарастанию проточной части турбинной ступени, уменьшая при этом сечения каналов рабочих лопаток и, как результат, КПД. Визуально толщину снежно-ледового отложения на поверхности выхлопного патрубка можно оценить в 2...3 мм. Определить

толщину отложений на поверхности рабочих лопаток невозможно, однако сомнений в их наличии нет.

Расчет массы выпадающей твердой фазы показал, что на режиме № 4 образовывается 24 гр/с жидкой (твердой) фазы, не участвующей в полезной работе турбинной ступени, что приводит к снижению мощности ступени на 0,5%. Прогрев проточной части между режимами позволяет достичь кратковременного эффекта. В дальнейшем данная проблема может быть решена путем установки проточного электрического нагревателя мощностью более 200 кВт, однако в рамках данного исследования нагреватель не применялся.

Учитывая вышесказанное, режим №4 в анализе полученных результатов не рассматривался.

Таблица 4.1 - Результаты экспериментального и численных исследований

№ Режима Давление и температура торможения на входе в СА Частота вращения Усилие на рычаге гидротормоза Момент вращения Мощность ступени Массовый расход Число Маха Характеристическое число и внутренний КПД ступени Статическое давление за СА и РК Статическая температура за СА и РК Степень реактивности

Ро*, Па То*, °С п, об/мин К Н А мом, м, Н*м N Вт G, кг/с Ма -М^2 и/Со П1 Р1, Па Р2, Па Т1, К Т2, К Рт_ср

1 ММ, численный расчет 99395,5 163,3 4440 - 13,327 6196,66 0,665 1,113 0,300 0,446 0,476 40942,1 40041,1 428,2 429,4 0,025

Воздух, численный расчет 308000 51,2 9544,7 72,700 50,490 50468,5 1,083 1,125 0,301 0,446 0,500 102444 98569 259,6 270,4 0,029

Воздух, эксперимент 313031 51,2 9580,9 73,357 50,946 51118,2 1,115 не измерялось 0,449 0,509 101716 100798 не измерялось 0,005

2 ММ, численный расчет 156181 169,4 6252 - 27,012 17685,3 1,042 1,492 0,402 0,514 0,578 42024,2 40050,7 427,7 429,5 0,035

Воздух, численный расчет 471700 72,8 12928,3 128,649 89,347 120960,7 1,654 1,463 0,402 0,514 0,584 107245 98649 243,7 257,0 0,043

Воздух, эксперимент 471874 72,8 13292,6 121,332 84,265 117326,8 1,648 не измерялось 0,532 0,577 107439 101559 не измерялось 0,027

3 ММ, численный расчет 184588 171,7 7000 - 33,153 24302,3 1,232 1,601 0,438 0,543 0,600 42314,9 40188,4 427,7 429,5 0,033

Воздух, численный расчет 537580 71,8 14092,9 147,338 102,326 151020,7 1,888 1,552 0,438 0,543 0,600 109132 98294 234,0 245,7 0,049

Воздух, эксперимент 537246 71,8 14152,7 140,054 97,268 144152,7 1,872 не измерялось 0,550 0,588 107480 101884 не измерялось 0,022

4 ММ, численный расчет 227182 174,8 7850 - 43,171 35488,6 1,516 1,715 0,518 0,571 0,626 43019,7 40036,4 427,8 429,5 0,041

Воздух, численный расчет 713800 77,4 15844,3 205,754 142,896 237101,1 2,488 1,730 0,518 0,571 0,626 111993 98442 220,5 231,3 0,049

Воздух, эксперимент 712893 77,4 15915,7 173,903 120,775 201274,4 2,457 не измерялось 0,580 0,550 119875 103944 не измерялось 0,051

Таблица 4.2 - Суммарные стандартные неопределенности результатов экспериментального исследования

№ Режима Ис_Рс*, Па ис_ДРД Па ис Тс*, °С Ис_Р0*, Па Ис Т0*, °С Ис_п, об/мин Иc_Fмом, Н Ис М, Н*м Ис_К, Вт Ис Ь0, Дж/ (кг*К) Ис_О, кг/с Ис И/С0 ис_П1 Ис_Р1, Па Ис_Р2, Па ис_рт ср

1 1202 70,330 0,327 1215 0,291 55,373 3,804 0,863 2670 327,141 0,016 0,002 0,027 337,239 267,28 0,002

2 3084 68,028 0,201 2909 0,168 51,968 8,435 1,914 8166 433,376 0,015 0,002 0,040 339,909 267,307 0,002

3 1397 68,248 1,213 1380 0,804 66,614 5,572 1,264 5775 394,685 0,015 0,002 0,024 492,528 320,145 0,002

4 795 67,202 0,248 798 0,207 116,82 5,524 1,253 5867 222,422 0,014 0,004 0,016 651,910 346,724 0,002

Таблица 4.3 - Относительные отклонения среднеарифметических значений данных эксперимента на воздухе от численного расчета на воздухе

№ Режима Регулируемые параметры Полученные параметры

Р0*, % Т0*, % п, % И/С0, % п отш % Рт^ % К, % М, % Fмом, % О, % Р1, % Р2, %

1 1,6 0 0,4 0,7 1,7 -81,2 1,3 0,9 0,9 2,9 -0,7 2,3

2 0 0 2,8 -2 -1,2 -36,8 -3 -5,7 -5,7 -0,3 0,2 2,9

3 -0,1 0 0,4 1,3 -2,1 -54,3 -4,5 -4,9 -4,9 -0,8 -1,5 3,7

4 -0,1 0 0,5 1,6 -12,2 5 -15,1 -15,5 -15,5 -1,3 7 5,6

Таблица 4.4 - Относительные отклонения среднеарифметических значений данных эксперимента на воздухе от численного расчета на ММ

№ Режима И/С0, % п отн % Рт_ср, %

1 0,6 6,9 -78,2

2 3,6 -0,3 -22,5

3 1,2 -2,1 -32,1

4 1,6 -12,2 25,4

—КПД Воздух Численный расчет —■— КПД Воздух Эксперимент

- - КПД ММ Численный расчет при модельном давлении

Рисунок 4.2 - Зависимость = /(Р0*) турбинной ступени на модельных режимах в экспериментальном исследовании на воздухе и в численном

расчете на воздухе и ММ

N Вт

_Мощность Воздух Численный расчет —"—Мощность Воздух Эксперимент

Рисунок 4.3 - Зависимость N = /(Р0*) турбинной ступени на модельных режимах в численном расчете и экспериментальном исследовании на воздухе

U/C

0

0,700 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 0,000

300000 350000 400000 450000 500000 550000 600000 650000 700000 750000 Po*,Па —U/C0 Воздух Численный расчет —"—U/CO Воздух Эксперимент

Рисунок 4.4 - Зависимость U/C0=f (Po*) турбинной ступени на модельных режимах в численном расчете и экспериментальном исследовании на воздухе

Рт_ср 0,35

0,30 0,25 0,20 0,15 0,10

0,05 0,00

300000 350000 400000 450000 500000 550000 600000 650000 700000 750000 Po*,Па

• рт_ср Воздух Численный расчет —рт_ср Воздух Эксперимент А рт_ср ММ Численный расчет при модельном давлении

Рисунок 4.5 - Зависимость рт ср = /(Р0*) турбинной ступени на модельных режимах в экспериментальном исследовании на воздухе и в численном расчете

на воздухе и ММ

4.3 Анализ результатов экспериментального исследования

Анализ результатов экспериментального исследования воздушной модели турбинной ступени с ОРТ ММ показывает, что исследование проведено с достаточно высокой точностью, максимальное относительное отклонение граничных параметров эксперимента составляет 2,8% - на режиме №2. Среднеарифметические значения основных характеристик физического эксперимента на режимах № 1, 2 и 3 имеют относительное отклонение от результатов численного расчета на воздушном рабочем теле в диапазоне до 5,7%. Однако, полученные отклонения по КПД полностью перекрываются полем суммарных стандартных неопределенностей, соответствующих уровню доверия р = 68,27%.

Значения большого относительного отклонения по степени термодинамической реактивности рт ср, как уже было сказано в пункте 2.6, объясняется малым абсолютным значением величины. Так на режиме №1, для натурной ступени рт _ММ_№1=0,025 (2,5%) при абсолютном значении отклонения для воздушной модели Арт=0,02 (2,0%). В связи с этим, далее считается, что требование равенства степени термодинамической реактивности в натурной и модельной ступенях выдержано.

Полученный результат подтверждает достаточно высокое качество постановки численного расчета и точности проведения физического эксперимента.

Отклонения, полученные на режиме №4 (до 15,1% относительного значения), как уже было сказано в разделе 3.5, могут быть объяснены выпадением твердой фазы влаги из воздуха, то есть тумана, снега и льда, что видно на рисунке 4.1. Это связано с тем, что статическая температура на данных режимах опускается ниже -50 °С за СА, приводя к пульсационному зарастанию проточной

части турбинной ступени, уменьшая при этом сечения каналов рабочих лопаток и, как результат, снижая КПД ступени.

4.4 Выводы по главе 4

1) Проведено экспериментальное исследование модели турбинной ступени с ОРТ ММ на воздушном рабочем теле согласно плану и методике проведения эксперимента.

2) Выполнен анализ полученных экспериментальных данных. Рассчитаны суммарные стандартные неопределенности результатов. В анализе результатов данные режима №4 не участвовали из-за отсутствия технической возможности корректно провести исследование на данном режиме.

3) Получены экспериментальные интегральные характеристики исследуемой турбинной ступени с ОРТ ММ на воздушном рабочем теле на трех модельных режимах. Значения интегральных характеристик коррелируют с данными численного расчета натурной ступени. Максимальное значение внутреннего КПД модельных режимов составило 58,8 ± 2,4% (уровень доверия р = 68,27%), при этом анализ результатов численных расчетов показал, что при работе ступени на ОРТ ММ внутренний КПД на соответствующем режиме составляет 60%. Полученный результат означает, что при проведении экспериментального исследования были достигнуты действительно модельные режимы натурной турбинной ступени.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1) Обзор мирового парка турбоустановок с ОРТ показал, что существует растущий спрос на установки для утилизации низкопотенциальной теплоты. В 2017 году суммарная мощность введенных в эксплуатацию установок с ОРТ составила 470 МВт/год.

2) Разработка высокоэффективных турбинных ступеней с ОРТ требует индивидуальных экспериментальных исследований. Однако, стоимость создания полноразмерного натурного экспериментального стенда с ОРТ соизмерима со стоимостью промышленной установки, что снижает рентабельность создания натурного экспериментального стенда. Одним из путей решения данной задачи является исследование моделей турбинных ступеней с ОРТ на имеющихся экспериментальных стендах с использованием в качестве рабочего тела воздуха.

3) Для натурной турбинной ступени с ОРТ ММ были определены параметры работы на частичных нагрузках, модельные режимы которых обеспечиваются параметрами имеющегося воздушного экспериментального стенда. Максимальное значение давления торможения перед модельной ступенью составило 0,713 МПа при температуре торможения 77,4 °С и частоте вращения ротора 15844 об/мин.

4) Рассчитаны параметры режимов работы турбинной ступени с ОРТ ММ на частичных нагрузках с оптимальными характеристиками и определены значения критериев подобия для каждого из режимов.

5) Разработана методика расчета предварительных граничных параметров модельных режимов турбинной ступени с ОРТ ММ на воздушном рабочем теле. Определение предварительных граничных параметров позволяет осуществить расчеты модельного режима методом последовательного уточнения.

6) Рассчитаны модельные режимы турбинной ступени с ОРТ ММ на воздушном рабочем теле, значения критериев подобия которых отличаются до 5,6% относительно критериев подобия натурной ступени.

7) Разработана, произведена и смонтирована экспериментальная установка для исследования воздушной модели турбинной ступени с ОРТ ММ. Проведена полная пуско-наладка экспериментального стенда и измерительной системы.

8) Проведены экспериментальные исследования модели турбинной ступени с ОРТ ММ на воздушном рабочем теле согласно плану и методике проведения эксперимента.

9) Выполнен анализ полученных данных экспериментального исследования. Рассчитаны суммарные стандартные неопределенности результатов.

10) Получено экспериментальное подтверждение интегральных характеристик модельных режимов турбинной ступени с ОРТ ММ на аэродинамическом стенде. Значения интегральных характеристик коррелируют с данными численного расчета натурной ступени с максимальным относительным отклонением не более 6,9%. Максимальный внутренний КПД модельной турбинной ступени при работе на воздухе составил 58,8 ± 2,4% (уровень доверия р = 68,27%), при этом результат численного расчета показал, что при работе натурной ступени на ОРТ ММ на соответствующем режиме, внутренний КПД составляет 60%. Полученный результат подтверждает эффективность работы натурной турбинной ступени на режимах частичной нагрузки.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ СОКРАЩЕНИЯ

АВО Аппарат воздушного охлаждения

ГКС Газовая компрессорная станция

гтд Газотурбинный двигатель

ГТУ Газотурбинная установка

ДВС Двигатель внутреннего сгорания

ДФС Дифенильная смесь

ЛПИ Ленинградский политехнический Институт

НИОКР Научно-исследовательская и опытно-конструкторская работа

НРТ Низкокипящее рабочее тело

ОРТ Органическое рабочее тело

ОЦР Органический цикл Ренкина

РК Рабочее колесо

РЛ Рабочие лопатки

РС Расходомерное сопло

СА Сопловой аппарат

СПбПУ Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

ТГиАД Турбины, гидромашины и авиационные двигатели

УПТУ Утилизационная паротурбинная установка

ЧПУ Числовое программное управление

ММ Гексаметилдисилоксан

SST Shear Stress Transport

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Символ Расшифровка Единицы измерения

Геометрические характеристики ступени

X, у, ъ Линейные координаты м

1 Высота

В Диаметр

Ь Хорда профиля рабочей лопатки

Ь Длина плеча рычага гидротормоза

Ъ Количество лопаток (сопел) шт.

8 Коэффициент парциальности ступени -

+ у Безразмерная пристенная координата

Кинематика ступени

а Угол потока в абсолютном движении град.

в Угол потока в относительном движении

С1 Абсолютная скорость на выходе из СА м/с

Wl Относительная скорость на выходе из СА

С2 Абсолютная скорость на выходе из РК

Относительная скорость на выходе из РК

и Окружная скорость

Параметры рабочего процесса ступени

Р0* Давление торможения потока перед СА Па

Р1 Статическое давление в потоке за СА

Р2 Статическое давление в потоке за РК

N Внутренняя мощность ступени Вт

МРК Момент вращения рабочего колеса Н*м

Л1 Внутренний КПД ступени -

Частота вращения ротора рад/с

п Частота вращения ротора об/мин

и Окружная скорость м/с

а Скорость звука м/с

к Показатель адиабаты -

Я Универсальная газовая постоянная Дж/[кг*К]

гр* то Температура торможения перед СА К

Т Статическая температура потока за СА К

Р Плотность потока кг/м3

V Кинематическая вязкость м/с2

Рт Термодинамическая степень реактивности турбинной ступени -

Рк Кинематическая степень реактивности турбинной ступени -

О Массовый расход воздуха через турбинную ступень кг/с

Р Усилие на рычаге гидротормоза Н

К Изоэнтропийная разность энтальпий, вычисленная по полным параметрам потока перед турбиной ступенью и по статическому давлению за ней

К Изоэнтропийная разность энтальпий, вычисленная по полным параметрам потока перед турбинной ступенью и по статическому давлению за СА Дж/кг

к Изоэнтропийная разность энтальпий, вычисленная по статическим параметрам потока перед и за РК

к Работа Эйлера

Число Струхала

Яе Число Рейнольдса

Ей Число Эйлера

и/С0 Характеристическое число

С0 Условная скорость, рассчитываемая по перепаду энтальпии на ступень м/с

м Число Маха -

V ккин Коэффициент кинематического подобия

Ср и Су Изобарная и изохорная теплоемкости Дж/[кг*К]

Лг Коэффициент понижения давления -

Цу Суммарная стандартная неопределенность

11 А, 1 Случайная неопределенность по типу А

иВ,1 Систематическая неопределенность по типу В

ИНДЕКСЫ

1 относящийся к сопловому аппарату

2 относящийся к рабочим лопаткам н натурная

м модельная

' корневое сечение

'' периферийное сечение

воз. воздух

макс. максимальное

кин. кинематическое

дин. динамическое

геом. геометрическое

мом. момент

ср. среднее

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1) Белов, Г. В. Органический цикл Ренкина и его применение в альтернативной энергетике / Г. В. Белов, М. А. Дорохова // Научное издание МГТУ им. Н. Э. Баумана "Наука и образование", 2014. №2. С. 99-124.

2) Беседин, С. Н. Экспериментальный стенд и методика исследования турбомашин газотурбинных установок малой мощности / С. Н. Беседин, В. А. Рассохин, Г. Л. Раков // Известия Самарского научного центра Российской Академии наук, Том 12, № 1(2), 2010. - С. 284 - 289.

3) Вяткин, М. А. Вторичные энергетические ресурсы промышленности / М. А. Вяткин. - М.: Всесоюз. заоч. политех. ин-т, 1986. - 44 с.

4) ГОСТ 4543-71. Прокат из легированной конструкционной стали. Технические условия. - Введ. 01.01.1973. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 1996. - 94 с.

5) ГОСТ 8.586.1—2005. Государственная система обеспечения единства измерений. Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. Часть 1. Принцип метода измерений и общие требования. — М.: Стандартинформ, 2007. — 42 с.

6) ГОСТ Р 54500.3 — 2011 (ИСО 98-3: 2008) Неопределённость измерения. Часть 3. Руководство по выражению неопределённости измерения. — М.: Стандартинформ, 2012. - 100 с.

7) Гришутин, М. М. Паротурбинные установки с органическими рабочими телами / М. М. Гришутин. - Л.: Машиностроение, 1988. - 219 с.

8) Дейч, М. Е. Исследование и расчет ступеней осевых турбин / М. Е. Дейч, Б. М. Трояновский. - М.: Машиностроение, 1964. - 628 с.

9) Епифанов, А. А. Численное моделирование трехмерного течения в решетках и ступенях малорасходных турбин ЛПИ: дисс. ... канд. техн.

наук: 05.04.12/ Епифанов Андрей Андреевич. - СПб., 2012. - 122 с.

10) Забелин, Н. А. Исследование закономерностей моделирования на воздушном стенде процессов утилизационной турбины с рабочим телом гексаметилдисилоксан / Н. А. Забелин, А. С. Сайченко,

A. А. Себелев, В. Н. Сивоконь // Газовая промышленность. 2016. № 7, 8. C. 61-69 [Электронный ресурс] // URL: http://neftegas.info/ gasindustry/7-8-2016/issledovanie-zakonomernostey-modelirovaniya-na-vozdushnom-stende-protsessov-utilizatsionnoy-turbiny-/ (дата обращения: 04.03.2018).

11) Забелин, Н. А. Исследование особенностей течения в малорасходных турбинных ступенях конструкции ЛПИ / Н. А. Забелин, Г. Л. Раков,

B. А. Рассохин, А. А. Себелев, М. В. Смирнов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2013. №1 (166). - С. 45 - 53.

12) Забелин, Н. А. Оценка располагаемой тепловой мощности уходящих газов газоперекачивающих агрегатов единой системы газоснабжения России / Н. А. Забелин, А. В. Лыков, В. А. Рассохин// Научно-технические ведомости СПбПУ. 2013. №4-1 (183). С. 136 - 144.

13) Забелин, Н. А. Разработка экологически чистой паровой турбины на органическом рабочем теле для утилизации вторичной тепловой энергии / Н. А. Забелин, А. С. Сайченко // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2016. - № 3(249). - С. 5 - 14.

14) Забелин, Н. А. Экспериментальное исследование модели органической паровой турбины мощностью 280 кВт / Н. А. Забелин, А. С. Сайченко, В. Н. Сивоконь, Г. А. Фокин // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки, 2017. - №4. - С. 25 - 39.

15) Забелин, Н. А. Экспериментальный стенд для исследования высокооборотной воздушной модели одноступенчатой малорасходной турбины конструкции ЛПИ мощностью 260 кВт / Н. А. Забелин,

С. Ю. Оленников, А. С. Сайченко, В. Н. Сивоконь, Е. Т. Смирнов, М. В. Смирнов // Наука и техника в газовой промышленности. 2015. №3 (63). - С. 33 - 39.

16) Иванов, В. П. Колебания рабочих колес турбомашин / В. П. Иванов. -М.: Машиностроение, 1983. - 224 с.

17) История компании ОАО "Калужский турбинный завод" [Электронный ресурс] // URL: http://oaoktz.ru/company/history.aspx (дата обращения: 04.03.2018).

18) История энергетики России [Электронный ресурс] // URL: http://svpressa.ru/energy/ (дата обращения: 04.03.2018).

19) Кириллов, А. И. Некоторые результаты численного моделирования турбулентного течения в решетках турбомашин / А. И. Кириллов, С. А. Галаев // Труды XV Школы-семинара молодых ученых и специалистов под рук. акад. РАН А. И. Леонтьева. Том 2. М.: Изд-во МЭИ, 2005. - С. 7 - 12.

20) Кириллов, И. И. Теория турбомашин / И. И. Кириллов. - Л.: Машиностроение, 1964. - 512 с.

21) Лисянский, А.С. Паротурбостроение ЛМЗ в современных условиях / А.С.Лисянский, В.В. Назаров // Электрические станции. - 2000. - №12. - С. 69.

22) Морозов, Н. В. Паровые турбины на низкокипящем рабочем теле / Н. В. Морозов, В. П. Карасев // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева. 2010. - С. 102 - 106.

23) Официальный сайт компании Ormat [Электронный ресурс] // URL: http://www.ormat.com/en/proj ects/all/main/?Country=0&Seg=0&Tech=6 (дата обращения: 04.03.2018).

24) Пат. US611792 A США. Engine / Frank W. Ofeldt. Опубл. 04.10.1898.

25) Повх, И. Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении / И. Л. Повх. - Л.: Машиностроение, 1974. - 480 с.

26) Сайченко, А. С. Разработка парогазовой установки мощностью 250 кВт для утилизации теплоты уходящих газов газоперекачивающих агрегатов / А. С. Сайченко // Открытая научно-практическая конференция молодых работников. Сборник докладов. Газпром трансгаз Санкт-Петербург. I том., 2012. - С. 261 - 263.

27) Себелев, А. А. Численный анализ процесса расширения в двухступенчатой осевой турбине, работающей с MDM силоксаном / А. А. Себелев, А. С. Сайченко, Н. А. Забелин, М. В. Смирнов // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки, 2016. - №3. - С. 29 - 38.

28) Седов, Л. И. Методы подобия и размерности в механике / Л. И. Седов. - М.: Наука, 1967. - 428 с.

29) Томаров, Г. Н. Геотермальная энергетика: Справочно-методическое издание / Г. Н. Томаров, А. И. Никольский, В. Н. Семенов, А. А. Шипков. - М.: "Интертехэнерго-Издат", "Теплоэнергетик", 2015. -304с.

30) Фокин, Г. А. Автономные источники электрической и тепловой энергии для магистральных газопроводов и газораспределительных станций / Г. А. Фокин // М.: ФИЗМАТЛИТ, 2015. 168 с.

31) Anh N., Wendland M., Fischer J. Working fluids for high-temperature organic Rankine cycles // Energy. - 2011. - №36. - P. 199 - 211.

32) Avadhanula V., Lin C. Empirical models for a screw expander based on experimental data from organic Rankine cycle system testing // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. - 2014. - 136:062601.

33) Ben-Ran Fu, Yuh-Ren Lee, Jui-Ching Hsieh. Experimental investigation of a 250-kW turbine organic Rankine cycle system for low-grade waste heat recovery // International Journal of Green Energy.- 2016. - №13. -

P. 1442 - 1450.

34) Bertani R. Geothermal power generation in the world 2010-2014 update report // Proceeding World Geothermal Congress 2015 [Электронный ресурс] // URL: https://pangea.stanford.edu/ERE/db/WGC/papers/WGC/ 2015/01075.pdf

35) Borsukiewicz-Gozdur. Experimental investigation of R227ea applied as working fluid in the ORC power plant with hermetic turbogenerator // Applied Thermal Engineering. - 2013. - №56. - P. 126-133.

36) Bronicki L. Short review of the long history of ORC power systems // Keynote lecture at the ASME ORC 2013 Conference - 2013.

37) Campana F., Bianchi M., Branchini L., Pascale A., Peretto A., Baresi M., Fermi A., Rossetti N., Vescovo R. ORC waste heat recovery in European energy intensive industries: Energy and GHG savings // Energy Conversion and Management.- 2013. - №76. - P. 244 - 252.

38) Cataldo R., Bennett G. U.S. Space Radioisotope Power Systems and Applications: Past, Present and Future. [Электронный ресурс] // URL: https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20120000731.pdf (дата обращения: 04.03.2018).

39) Choon Seng Wong. Design Process of Low Temperature Organic Rankine Cycle (LT-ORC). PHd thesis. - 2015.

40) Choon Seng Wong. Scaling of Gas Turbine from Air to Refrigerants using Similarity Concept // ASME - ORC2015 [Электронный ресурс] // URL: http://www.asme-orc2015.be/uploads/File/Presentation%20020.pdf (дата обращения: 04.03.2018).

41) Concentrated Solar Power case histories of Turboden [Электронный ресурс] // URL: https://www.turboden.com/case-histories/1938/enas-ente-acque-della-sardegna (дата обращения: 04.03.2018).

42) Desideri A., Broek M., Gusev S., Lecompte S., Lemort V., Quoilin S. Experimental study and dynamic modeling of a WHR ORC power system with screw expander // ASME Organic Rankine Cycle 2013 & 2nd International Seminar on ORC Power Systems. - 2013.

43) Emiliano I.M. Casati, New concepts for Organic Rankine Cycle Power Systems. - Milan, 2014.

44) Fu B. R., Lee Y. R., Hsieh J. C. Design, construction, and preliminary results of a 250-kW organic Rankine cycle system // Applied Thermal Engineering. - 2015. - №80. - P. 339 - 346.

45) Hawkins L., Lei Z., Blumber E., Mirmobin P., Erdlac R. Heat-to-electricity with highspeed magnetic bearing-generator system // In Geothermal Resources Council Annual Meeting - 2012. - №36. - P. 1073-1078

46) Hepberger M. ORC waste heat recovery system using kiln exit and cooler vent air [Электронный ресурс] // URL: https://www.vdz-online.de/filea dmin/gruppen/vdz/Jahrestagung_Zement_2012/Download-Dateien/Tag2_ Verfahrenstechnik/Hepberger.pdf?sword_list%5B%5D=VDZ&no_cache=1 &L= (дата обращения: 04.03.2018).

47) Hexamethyldisiloxane (HMDS) / OSPAR Commission 2004 [Электронный ресурс] // URL: https://www.ospar.org/documents?d=6992

(дата обращения: 04.03.2018).

48) Hsu S. W., Chiang H. W. D., Yen C. W. Experimental investigation of the performance of a hermetic screw-expander organic Rankine cycle // Energies. - 2014. - №7. - P. - 6172 - 6185.

49) Kang S. Design and experimental study of ORC and radial turbine using R245fa working fluid // Energy.- 2012. - №41. - P. 514 - 524.

50) Key World Energy Statistics // International Energy Agency - 2015.

51) Klonowicz P., Borsukiewicz-Gozdur A., Hanausek P., Kryllowicz W., Bruggemann D. Design and performance measurements of an organic

vapour turbine // Applied Thermal Engineering.- 2014. - №63. - P. 297 -303.

52) Larjola L. Electricity from industrial waste heat using high-speed organic Rankine cycle (ORC) // International journal of production economics -1995. - №41. - P. 227 - 235.

53) Lee Y. R., Kuo C. R., Wang C. C. Transient response of a 50 kW organic Rankine cycle system // Energy. - 2012. - №48. - P. - 532 - 538.

54) Minea V. Power generation with ORC machines using low-grade waste heat or renewable energy // Applied Thermal Engineering. - 2014. - №69. -P. 143 - 154.

55) ORC market: a world overview [Электронный ресурс] // URL: http://orc-world-map.org/analysis.html (дата обращения: 04.03.2018).

56) Prando D., Renzi M., Gasparella A., Baratieri M. Monitoring of the energy performance of a district heating CHP plant based on biomass boiler and ORC generator // Applied Thermal Engineering. - 2015. - №79. - P. 98 -107.

57) Pytilinski, J.T. Solar energy installations for pumping irrigation water // Solar Energy - 1978. - №21 (4). - P. 255 - 262.

58) Quoilin S., Lemort V. Technological and Economical Survey of Small-Scale Organic Rankine Cycle Systems. Fifth European conference, Economics and management of energy in industries - 2009 // URL: http://www.eolss.net/sample-chapters/c05/E6-35-43-00.pdf

(дата обращения: 04.03.2018)

59) Sebelev A., Scharf R., Zabelin N., Smirnov M. Design and numerical analysis of processes in siloxane vapor driven turbine // Proceedings of the 3rd International Seminar on ORC Power Systems. Brussels, Belgium. -2015. - P. 640 - 649.

60) Siemens steam turbine portfolio. Steam turbines from 10 kW to 1,900 MW

[Электронный ресурс] // URL: https://www.energy.siemens.com/mx/pool/ hq/power-generation/steam-turbines/downloads/new/siemens-steam-turbines-product-overview-EN-updated.pdf (дата обращения: 04.03.2018).

61) Small scale biomass co-generation technology status and market opportunities [Электронный ресурс] // URL: http://task32.ieabio energy.com/wp-content/uploads/2017/03/06-Bini-Turboden.pdf

(дата обращения: 04.03.2018).