Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Малоизвестное оборудование для производства электроэнергии

В разделе “Малоизвестное оборудование для производства электроэнергии” размещены материалы об оборудовании и циклах, не нашедших пока в нашей стране распространения, а также о двигателях, имеющих историческое значение, как например, двигатель Теслы.

Это следующие типы двигателей и циклов.

  1. Паровые поршневые двигатели.
  2. Свободно-поршневые двигатели внутреннего сгорания.
  3. Паровинтовые агрегаты.
  4. Паровые объемные машины роторного типа (ПРОМ и модули Vado Power Unit – колеса Рутса, двигатель Ванкеля внешнего сгорания, роторные коловратные машины, расширители кулачкового типа).
  5. ORC-циклы.
  6. Двигатели Стирлинга внешнего сгорания.
  7. Микро-ТЭЦ.
  8. Цикл Калины.
  9. Турбина Теслы.
  10. Турбодетандеры.
  11. Паровая турбина ORC-цикла, газотурбинная установка малой мощности, турбодетандер — конструкции СПбПУ.
  12. Агрегаты, работающие на вскипающей жидкости: гидропаровые турбины на основе осевой ступени, центробежной ступени, колеса Герона или Сегнерово колесо, винтовой двухфазный расширитель.
  13. Безлопаточные струйно-реактивные турбины на газе (паре).

Ниже кратко рассмотрены перечисленные технологии.

  1. Паровые поршневые двигатели.

Современные паровые поршневые двигатели западного производства.

Противодавленческие паровые поршневые двигатели (паровые моторы, ПМ).

В самое последнее время на российском рынке появились предложения продукции ряда фирм: немецкой фирмы Spilling, чешских  компаний PolyComp и Tenza s.a. По своей конструкции – это паровые поршневые машины одноступенчатые с системой золотникового распределения пара в отличие от современных паровых машин многоступенчатого исполнения. Внутренний к.п.д. процесса расширения таких машин несколько выше в сравнении с осевыми турбинами этого уровня мощности, то есть, находится на уровне 0,65…0,75. Следует отметить, что это машины противодавленческого типа. Узкий диапазон мощностей от 100 кВт до 1200 кВт, а также противодавленческий тип этих агрегатов ограничивают их применение. Ресурс их достаточно высокий. Предлагать к установке в России их стали в самое последнее время. Отсутствует информация по объектам, на которых они установлены в нашей стране.

Паровые двигатели Spilling

Паровой двигатель Spilling предлагается для использования на паровых котельных малой и средней мощности, в том числе:

  • на мини-ТЭЦ, работающих на биотопливе, при тепловой мощности топлива от 2 МВт.
  • при использовании на предприятии редуцированного пара расходом от 2,5 т/ч.
  • на установках утилизации отходов.

Паровой двигатель Паровой двигатель SpillingSPILLING поставляется с генератором как готовый к работе электроагрегат с панелью системы управления и программными средствами. Кроме того, такой двигатель может работать на природном газе высокого давления в качестве детандера.

См. статью «Возвращение паровой машины» (на англ.)

Технические данные паровых двигателей

Электрическая мощность 100 — 1200 кВт

Частота вращения 750, 900, 1000 об/мин, переменная скорость для привода насосов, компрессоров и т.п.Газовый детандер Spilling

Давление и температура пара на входе 4 — 60 бар изб., от температуры насыщения до 480°С.

Давление на выхлопе 0,2 — 15 бар изб.

Ориентировочная стоимость агрегата мощностью 500 кВт — 500 тыс. Евро, FCA.

Компания Eco Link Power Ltd. (Великобритания) комплектует паромоторными электроагрегатами Spilling единичной мощностью от 120 до 1200 кВт модульные когенерационные и тригенерационные энергетические установки AES, которые работают на биомассе. Рабочее давление свежего пара – от 0,6 до 6 МПа.

PolyComp и Tenza s.a. Аналогичные агрегаты PM VS мощностью от 10 до 120 кВт выпускают чешские компании PolyComp, Tenza, s.a. – мощностью от 10 до 100 кВт.

PM VS

PM VS PolyComp

Poly Comp

Кроме того, Положение агрегатовшведская фирма Energiprojekt i Sverige AB, производит паровые двигатели мощностью от 500 до 1000 кВт при параметрах пара на входе 30…60 бар, температуре пара на входе 500…650°С, из которых комплектуется агрегат единичной мощностью до 3 МВт. В рекламных материалах говорится о противодавлении и температуре пара на выхлопе порядка 100°С, но называется КПД цикла 30…35 %. Вероятно, речь идет о работе по циклу Ренкина с регенерацией и полезным использованием теплоты конденсации пара. Сообщается также о том, что рабочим телом цикла может быть не только вода, но и СО2. Агрегат можно увидеть в рекламном ролике и в материалах фирмы.

Паросиловые мини-КЭС по циклу Ренкина, реализуемые с помощью поршневых машин.Схема цикла двигателя с регенерацией тепла

Cyclone Engine. Интересны перспективы парового мотора, работающего по паровому конденсационному циклу Ренкина с регенерацией, изобретенного Гарри Шоэлом (Harry Schoell). Компания Cyclone Power Technologies Inc. (США) в 2009 г. получила российский патент (RU 2 357 091) с приоритетом от 2005 г. на свой «двигатель с регенерацией тепла» (heat regenerative engine – англ.).

Устройство одной из модификаций двигателя и принципиальная схема потоков показаны на рисунках. Показано устройство двигателя, работающего на жидком или газообразном топливе. В верхней части находится реактор-камера сгорания. В кольцевое пространство реактора вокруг нагревателя рабочего тела распыляется топливовоздушная смесь (вариант жидкого и газообразного топлива). Регулировка процесса сгорания обеспечивает температуру в факеле не более 1230°C для контроля окиси углерода и окислов азота. Сгорание происходит при атмосферном давлении. Пары воды и углекислый газ находятся в составе выхлопных газов в газообразном состоянии при температуре около 160°C. В нагревателе образуется пар при температуре 650°С, давлении 221 бар. Схема цикла приведена на рисунке справа. 13_A_cyclone_engineРегенерация теплоты в цикле реализуется при нагреве воздуха, подаваемого на горение, в конденсаторе при охлаждении водяного пара, дальнейшем подогреве выхлопными газами, при подогреве отработавшим в рабочих цилиндрах паром питательной воды. Термический к.п.д. цикла достигает 34%. Масло для смазки не используется, его функцию выполняет водяной пар. Скорость вращения вала 3600 об./мин, поэтому редуктор не требуется. См. описание двигателя в статье “Современный паровой двигатель” Дж. Крэнка (на англ.).

История возникновения двигателя следующая. После запуска советского спутника в 1957 г. в США было создано агентство DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency — агентство передовых оборонных исследовательских проектов) — агентство Министерства обороны США (Пентагон), отвечающее за разработку новых технологий для использования в вооружённых силах, прежде всего, для сохранения технологического превосходства вооруженных сил США, предотвращения внезапного для США появления новых технических средств вооруженной борьбы, поддержки прорывных исследований, преодоления разрыва между фундаментальными исследованиями и их применением в военной сфере.Фото EATR

В том числе, по заданию этого ведомства велись разработки к 2008 г. военного автомобиля-робота EATR (Energetically Autonomous Tactical Robot (EATR) — энергонезависимый автономный тактический робот), который мог бы работать на любой биомассе, как растительного, так и животного происхождения. При представлении образца разработчиков покритиковали за кровожадность (работа на животной биомассе). После доработки робота в новой модификации осталось только биотопливо растительного происхождения. В составе робота предусмотрен манипулятор с пилой, который под наблюдением двух видеокамер ведет отпиливание веток деревьев или кустарников с листьями, срывает траву, подбирает щепки и загружает их в паровой реактор, в котором при наличии катализатора производится их сжигание с подводом теплоты в цикл двигателя.  Разработаны модели разной мощности при работе на разных топливах, в том числе на солнечной энергии. Эффективность установки Cyclone Mark V достаточно высока, на одну милю (1.6 км) пути уходит около 0.7 килограмма биомассы с учетом того, что дополнительная энергия используется на питание бортовой электроники и систем связи.

В основу двигателя Cyclone положен поршневой двигатель внешнего сгорания, работающий по водяному циклу Ренкина с регенерацией, при сжигании в реакторе разных видов топлива: твердого (он испытывался даже при сжигании апельсиновой кожуры), газообразного топлива, жидкого, включая сжиженный природный газ. Головная американская компания Cyclone Technologies LLLP получила аналогичный патент США (US 7,080,512) на этот двигатель в 2006 г., два года спустя – отдельно на камеру сгорания парогенератора, а позже – на весьма компактный конденсатор отработавшего пара. Патенты-аналоги по отношению к этому патенту США, кроме России, выданы в Корее, Китае, Южной Африке, Австралии и др. странах. В рассмотрении находятся многочисленные патентные заявки в США на прочие составляющие узлы двигателя «Циклон».

Достигнутый на испытаниях в начале 2012 г. КПД единого котло-двигатель-конденсаторного агрегата «Циклон» при мощности всего 73,6 кВт составил 31,5 % при давлении свежего водяного пара 22 МПа и температуре 650°С. Выхлоп пара осуществлялся в конденсатор. КПД гораздо более мощных паротурбинных ТЭС равен 33–42 % при соизмеримых параметрах свежего пара.

Разрабатываются следующие модификации двигателя «Циклон»

на жидком и газообразном топливе:

Mark II в 18 л.с. – для катеров;

Mark V в 100 л.с. – для автомобилей, морских судов, выработки электроэнергии;

Mark VI в 330 л.с. – для тяжелого наземного и водного транспорта, электростанций, для привода мощного оборудования;

на твердом топливе:

WHE (Waste Heat Engine) в 15 л.с. – для когенерации при утилизации тепловой энергии различных потоков, в том числе при сжигании биомассы;

на солнечной энергии:

Solar I в 5 л.с. (выработка электроэнергии при использовании солнечного концентратора).

В настоящее время компанией GWAPS началось производство двигателя версии бета, «Бета Циклон» Mark V мощностью 95-100 л.с., следующая версия двигателя 180 л.с.

Удельная мощность на единицу объема рабочего цилиндра «Циклон” равна 0,465 л.с./см3, в современных ДВС его величина не превышает 0,1 л.с./см3.

Двигатель Mark V имеет объем рабочих цилиндров 620 см3, при этом его мощность более чем в полтора раза больше, чем у ДВС.

Видео с информацией по разным модификациям двигателя.

Интересно отметить, что именем Марк назывались самые большие английские танки, примененные в боевых действиях во время гражданской войны в 20-е годы 20 века.

В январе 2014 г. компания Cyclone Power Technologies Inc. объявила о том, что период испытания двигателя закончен, начинается период коммерческого производства этих двигателей, как для энергетики, так и для автомобильной промышленности.

Современные паровые поршневые двигатели российского производства.

В России ведутся работы Научной группой “Промтеплоэнергетика” под руководством Дубинина Владимира Сергеевича и рядом других организаций (МАИ, МЭИ и др.) над созданием паропоршневых двигателей (моторов), аналогов западным. Дубинин В.С. в своей диссертации предлагает во всех котельных вырабатывать электроэнергию на собственные нужды либо с помощью газопоршневых агрегатов с утилизацией тепловой энергии, либо с помощью паропоршневых двигателей. Им обнаружен эффект самостабилизации при работе такого типа двигателей в автономном режиме без связи с сетью. Одна из глобальных идей Дубинина В.С – это замена электрических сетей на газовые, чтобы локально в режиме когенерации вырабатывать электроэнергию с более высокой эффективностью, чем это происходит сейчас.

Чрезвычайно активно в газетной прессе, в научных и научно-технических журналах применение паропоршневых машин в малой энергетике пропагандируют Дубинин В.С. и Трохин Иван Сергеевич (инженер Всероссийского НИИ электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ВИЭСХ Россельхозакадемии, см. статьи на стр.205…222), аспирант Московского авиационного института). В докладе группы авторов приводится сравнительное исследование технических характеристик газопоршневых, паропоршневых и паротурбинных агрегатов. Попытки этих энтузиастов организовать производство паровых моторов на Волжском дизеле им. Маминых и на Коломенском заводе пока не увенчались успехом. Разработка двигателя собственной конструкции также не получила завершения.

  1. Свободно-поршневые двигатели внутреннего сгорания.

Одним из достаточно давно известных способов повышения эффективности газотурбинных установок является применение свободно-поршневых двигателей (СПД) внутреннего сгорания в качестве камеры сгорания ГТУ. Их использование позволяет снизить температуру дымовых газов на выходе из камеры сгорания до величины, необходимой для ГТУ, уменьшить расход балластного воздуха, получить дополнительную работу в ДВС.

Разработки эффективных СПД внутреннего сгорания для различного применения ведет группа организаций (МГТУ им. Н.Э. Баумана, НПФ “ЭКИП”, АНТЦ им. А.Н. Туполева, ОАО “Камаз”). Комбинированные энергоустановки на основе свободно-поршневых двигателей внутреннего сгорания имеют схему, приведенную ниже. В составе КЭУ находятся турбокомпрессор, СПД с двухступенчатым компрессором для сжатого воздуха и расширитель, например, силовая ГТУ или объемная расширительная машина. СПД этой конструкции является двухтактным двигателем без кривошипно-шатунного механизма.Схема комбинированной КЭУ с СПД

Схема КЭУ с СПД выполняет функцию генератора рабочего тела для ГТУ с температурой около 800°С и давлением порядка 10 бар. В рабочем цилиндре воспламенение смеси производится за счет повышения температуры при сжатии без искрового зажигания, то есть, по циклу Дизеля, процесс подвода теплоты ближе к изохорному, чем к изобарному. Степень повышения давления порядка 100. Эффективный к.п.д. КЭУ находится на уровне 50%. При использовании регенерации тепловой энергии уходящих газов из турбокомпрессора эффективность достигает 55% и 60% при использовании дополнительного контура с низкокипящим теплоносителем. Давление в рабочем цилиндре СПД для разных конструкций находится на уровне 140 … 450 бар. Нагрузочная характеристика КЭУ очень пологая. Особенности работы СПД позволяют использовать разные виды газообразного и жидкого топлива, включая мазут с содержанием серы до 4% и сырую нефть. Это единственный тип двигателя, который может работать без детонации смеси с воспламенением ее от сжатия на газах широкого фракционного состава, включая «жирные» природные газы, попутные нефтяные, генераторные, пиролизные газы, водород, шахтный метан, биогаз и т.д.

Д – дизель, БВД – буфер, К1, К2 – первая и вторая ступени поршневого компрессора, РМ – расширительная машина, ТК – турбокомпрессор, Pe – эффективная мощность, pq1 – давление в газосборнике.Нагрузочные характеристики различных энергоустановок (эфф. КПД от эфф. мощности)

1 – ГТД НК 361;

2 – ГТУ со свободнопоршневым генератором газа (СПГГ);

3 – ГТД1000 (проект МПП «Салют»);

4 – дизель Д49;

5 – ГТД с 3 регенераторами (проект ЦИАМ — ВНИИЖТ);

6 – КЭУ;

7 – КЭУ с 1 регенератором.

Из представленных материалов видно, что эффективность КЭУ с СПД довольно высокая. Именно поэтому в планах развития малой энергетики на эти технологии возлагаются большие надежды. Смотрите также презентацию и статью разработчиков.

  1. Паровинтовые машины

Российские производители

Паровинтовые машины в диапазоне мощностей от 250 до 1400 кВт произведены ЗАО “Независимая энергетика” (г. Москва), ЗАО “Эко-Энергетика” (г. С.-Петербург), ООО «ВМ-энергия» (г. Уфа).

Идея создания турбогенератора нового типа базировалась на существующих принципах компрессорной науки. Главную роль в их развитии сыграло ЦКБ ПО «Компрессор» во главе с Главным конструктором и одним из ведущих теоретиков ПВМ в России профессором Сакуном И.А. Разработка, создание, испытания и внедрение винтовых машин в различных отраслях промышленности этим КБ проводились с 1959 года. За десятилетия работы КБ было создано большое разнообразие конструкций винтовых машин, предложены оригинальные конструктивные решения и усовершенствования, повышающие их экономичность и эксплуатационные качества. После реорганизации этого предприятия в 1991 году один из ведущих конструкторов ЦКБ «Компрессор», В.И. Ведайко, являющийся также научным сотрудником Ленинградского технологического института холодильной промышленности, организовал частное конструкторское бюро (ООО «ПРО-КОМ»), где разрабатывались паровые винтовые турбины для использования в малой энергетике. В 90-е годы, являясь главным конструктором КБ ООО «ПРО-КОМ», В.И. Ведайко руководил созданием опытного образца паровой винтовой турбины мощностью 250 кВт. Работы начались в 1995 году, а в конце 1998 года были выпущены пилотные образцы паровой винтовой машины ПВМ-250. С 2003 года под его руководством осуществляются опытно-конструкторские разработки паровинтовых энергетических агрегатов мощностью 1000 кВт в компании ЗАО «Эко-Энергетика».

Статья в журнале Турбины и дизели, 2010, июль-август.

Патент на пароводяной винтовой детандер.

Конструктивно ПВМ состоит из компактного парового винтового расширителя (аналога турбины с противодавлением) и электрогенератора (при автономной работе обычно применяется синхронный генератор или синхронный двигатель). Винтовые роторы турбины вращаются в противоположные стороны и находятся в зацеплении через шестерни связи, исключающие касание роторов между собой. С точки зрения теплоэнергетики ПВМ является также противодавленческим расширительным паровым агрегатом. Пар на входе может быть насыщенным или иметь небольшую влажность.

В котельной ПВМ устанавливается в параллель редукционной установке. Свежий пар от котла (с давлением от 1,4 до 0,9 МПа) поступает в агрегат и, проходя по винтовому каналу между профилями винтов, расширяется с преобразованием тепловой энергии в механическую. Вращательный момент передается генератору (насосу, дымососу) через муфту на валу редуктора (число оборотов – 1500/3000 об/мин). Отработанный пар (с давлением от 0,45 до 0,15 МПа) подается в подогреватели потоков воды котельной.

Опыт эксплуатации. Три ПВМ опытной партии отработали 1000 часов в качестве приводов сетевых насосов на ЦТП Московского мусоросжигательного завода №3, были демонтированы и законсервированы из-за реконструкции ЦТП. Длительная опытно-промышленная эксплуатация ПВМ двух поколений проводилась на заводе бетонно-керамических изделий «Бекерон» в Москве. В ходе испытаний турбина внутренний КПД достигал 0,65 – 0,7. Опытная эксплуатации ПВМ на «Бекероне» подтвердила высокую надежность агрегата при использовании пара любого качества, в том числе высоковлажного, с которым использование лопаточных турбин невозможно; хорошую динамику и управляемость.

Монтаж испытательного стенда паровой винтовой машины ПВМ-500 в котельной завода «ПИГМЕНТ» выполнен петербургской фирмой “Зиосаб-Дедал” по заказу изготовителя машины ЗАО «Эко – Энергетика» в 2007 г.

Энергокомплекс на базе паровой винтовой машины ПВМ-1000 установлен ЗАО «Эко – Энергетика» в паровой котельной в пос. Муравленко, Ямало–Ненецкий автономный округ.ПВМ-1000

В 2004 году смонтирована изготовленная по заказу ОАО «Раевский сахарный завод» энергетическая установка ПВМ-2000АГ с максимальной мощностью асинхронного генератора 800 кВт. Затем эта машина была демонтирована на заводе и установлена в городской отопительной котельной №3, принадлежащей ООО «Теплотехник», г. Златоуст Челябинской области. Энергоустановка ПВМ 2000-АГ имеет номинальную мощность 800 кВт. В конце 2007 г. на Уфимской ТЭЦ-4 пущена в опытную эксплуатацию наиболее мощная (1200…1400 кВт) в России энергоустановка ПВМ-2000АГ-1600. Конструкция установки разработана в Уфимском ГАТУ. Два винта изготовлены в Англии, корпус отлит в Перми, после чего обрабатывался в Ишимбае и Салавате.

В настоящее время в Улан-Удэ в котельной авиационного завода вводится в эксплуатацию установка ПВМ-1000-АГ мощностью 500 кВт. Особенность эксплуатации данной установки заключается в том, что она должна работать в сильно запыленном помещении угольной котельной. Здесь потребовались мероприятия по защите электроники от угольной пыли.

Произведено и поставлено в 2010 г. оборудование установки ПВМ-1000-АГ на животноводческий комплекс в поселке Чистогорский Кемеровской обл. Проект осуществляется в рамках программы энергосбережения Кемеровской обл.

Непростая история внедрения этого нового типа оборудования весьма показательна. Кроме того, на этом примере можно увидеть, как необычно может развиваться новая техника: историю иметь в компрессорной отрасли, а проявиться в стационарной коммунальной энергетике в процессах расширения пара с выработкой электрической и тепловой энергии.

К этому проекту имел отношение зав. каф. Промышленной энергетики СПбПУ, д.т.н., проф.  Валерий Михайлович Боровков, он являлся соавтором ряда статей по ПВМ.

Зарубежные производители паровинтовых генераторных агрегатов

  1. В Хартберге, Австрия, установлен 2-х ступенчатый агрегат мощностью 730 кВт на заводе по сжиганию био-топлива. Разработчики BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH, Грац, Австрия, университет в Дортмунде, Германия. В университете в Дортмунде был испытан аналогичный агрегат в 90-е годы. Схема и описание агрегатаСтатья об агрегате.
  2. В США, штат Невада, фирма “Электротерм” выпускает энергоустановку “Green Maсhine”, работающую по ORC-циклу, использующую в качестве расширителя паровинтовую машину. Электрическая мощность трех модификаций 35 кВт, 65 кВт и 110 кВт. Агрегаты установлены в большом количестве в Америке, Чехии, Австрии, Румынии, Германии.
  1. В Великобритании, Gateshead, компания FEG Ltd. производит винтовые паровые агрегаты мощностью от 60 до 500 кВт.
  2. Имеются сведения о создании винтового расширителя мощностью 160 кВт японской компанией Kobelco в 2007 г.

Практически все производители паровинтовых машин сообщают о возможности их работы не только на насыщенном и перегретом паре, но и на влажном насыщенном паре, вплоть до состояния насыщенной жидкости.

  1. Паровые объемные машины роторного типаПРОМ поперечный разрез

ПРОМ

Второй пример, также иллюстрирующий сложности в освоении новых технологий, связан с машинами типа ПРОМ – паровыми расширительными агрегатами объемного типа. История этого агрегата также довольно необычна. Она начинается с компрессорной и вакуумной техники, где двухроторные колеса Рутса используются для отсоса газов при вакуумировании и в качестве воздуходувок, то есть, для сжатия среды. Кроме того, для регулирования расхода пара на агрегат при создании ПРОМ применялись специальные клапаны, которые были разработаны в гидравлических системах авиации.

Специалисты этой отрасли решили разработать паровые расширители, запуская машину Рутса в режиме адиабатного расширения сжатого водяного пара в качестве противодавленческого агрегата.  Был получен ряд патентов, см., например, Патент на изобретение №:2138650 . В конце 90-х, начале 2000-х годов этим занималась довольно состоятельная компания РОЭЛПРОМ продольный разрез (Электротехническая корпорация). Испытательная база находилась под Москвой. В начале 2000-х годов названной фирмой велась широкая рекламная компания с предложением использовать во многих котельных страны машины ПРОМ мощностью от 50 кВт до 1000 кВт для производства электрической энергии на собственные нужды.

Агрегат ПРОМ также включается в схему промышленных котельных параллельно дроссельному устройству и работает в условиях заданного перепада давлений. В начале 2000-х действовали три пилотных проекта: на комбинате «Шуйские ситцы» (г. Шуя, Ивановская обл.), ДСК в г. Коврове (Владимирская обл.), в муниципальной котельной микрорайона Красная Горка (г. Люберцы, Московская обл.). Производственная база – Сафоновский электромашиностроительный завод. При наличии спроса разработчики готовы были наладить выпуск моделей мощностью 50 кВт и ниже.

В числе положительных отличий энергоагрегата ПРОМ ОАО «Электротехническая корпорация» отмечает возможность его работы при любых состояниях пара: он может быть перегретым, насыщенным, иметь низкие параметры. Другое положительное качество – ремонтопригодность машины, обусловленная простотой конструкции. Заявленный КПД составлял 50 %.

Можно предположить, что затраты на развитие серии машин такого типа себя не оправдали, так как заказчиков оказалось слишком мало. Сегодня реклама машин ПРОМ отсутствует, как у РОЭЛ, так и у других российских компаний, несмотря на то, что в Приложении №3 Программы модернизации электроэнергетики до 2020 г., разработанной ЭНИН и другими компетентными организациями, рекомендуется внедрять агрегаты типа ПРОМ и ПВМ.

Vado Power Unit

В начале 2014 г. появилась реклама фирмы Vado International, предлагающей модули Vado Power Unit единичной мощностью от 10 до 500 кВт, работающие на паре давлением до 10 бар с перепадом давления на модуль не более 5 бар. Конструкция модуля аналогична машинам ПРОМ, то есть, представляет собой колеса Рутса, работающие в режиме расширителя. Внутренний к.п.д. этих модулей по данным производителя порядка 50%.

Роторный тепловой двигатель компании Да Винчи (Япония), Rotary Heat Engine (RHE)Схема работы двигателя ДаВинчи Внешний вид двигателя ДаВинчи

Начиная с 2009 г., японская компания Да Винчи совместно с Токийским университетом разработала энергоустановку на основе двигателей Ванкеля внешнего сгорания (поршневая роторная машина), работающую по циклу Ренкина. Освоенный мощностной ряд установок 500 Вт, 1000 Вт, 10000 Вт. Предполагается достичь мощности модулей 30 кВт и 50 кВт. Схематичное изображение установки в сбореУстановка в сбореДля работы используется бросовое тепло с температурой теплоносителя 100…200°С, к.п.д. цикла 9…10,4%. Кроме того, для работы RHE предлагается использовать энергию солнечных лучей с помощью линз Френеля и теплового аккумулятора. В качестве рабочего тела используются вода, аммиак, органические жидкости.

Паровые бесклапанные детандеры кулачкового (когтевого) типа

Паровые детандеры кулачкового (когтевого) типа электрической мощностью 18,5; 37 и 50 кВт предлагаются компанией ООО “ОЦР-технологии” (Москва) в составе ОРЦ-цикла для их применения на ЦТП и в котельных с целью обеспечения их собственных нужд по электроэнергии. Выбор детандеров именно такого типа обусловлен возможностью работы этих устройств с высокой эффективностью при переменных давлениях на входе и на выходе из расширителя. Переменность давлений рабочего тела в течение года связана с изменением температур в прямом и обратном теплопроводах тепловой сети, которые являются горячим и холодным источниками цикла ORC. Предлагается применять такие установки для утилизации низкопотенциальных источников тепловой энергии разных энергетических циклов.

Паровые роторные (коловратные) машиныГидравлическая схема роторных (коловратных) агрегатов

Паровые роторные (коловратные) агрегаты электрической мощностью от 1,1 до 220 кВт в составе энергоустановок выпускаются ООО “Энерготоника” (Магнитогорск). Принципиальные варианты исполнения двигателя приведены на сайте. Пример исполнения такой машины мощностью 220 кВт типа РПМ-22-1ЭТ также показан на сайте фирмы, тепловая схема приведена на рисунке. Энергоустановки с внешним подводом тепла работают на разных видах топлива: твердом топливе, жидком, газообразном, солнечной энергии, многочисленные примеры исполнения также можно найти на вышеупомянутом сайте.

  1. ORC-циклы

Это циклы, работающие на низкокипящем теплоносителе, в сравнении с водой, при внешнем подводе тепловой энергии. Первоначально использовались углеводородные теплоносители, отсюда название ORC – цикл Ренкина на углеводородном теплоносителе. Для повышения эффективности цикла используется регенеративный подогрев рабочего тела после конденсатора. Главное назначение ORC-циклов — утилизация бросового и низкопотенциального тепла. Источником тепла являются биотопливо, попутный нефтяной газ, уходящие газы ГТУ, газопоршневых агрегатов, котлов при сжигании в них отходов, в том числе при использовании термомасляных котлов, солнечное тепло и т.д.

Например, в летний период тепловая мощность потребителей падает, эффективность производства электроэнергии в когенерационных установках снижается. Для ее повышения могут использоваться технологии ORC-циклов. Их к.п.д. находится на уровне 11…21%. Установки могут быть 2-х ступенчатые, 1-ступенчатые, при использовании высокотемпературного теплоносителя, низкотемпературного теплоносителя, расширитель может быть винтовым, радиальной или осевой турбиной. Единичная мощность установок от десятков кВт до 5 МВт.

Теплоноситель выбирается из условия его работы во всех узлах установки при давлении выше атмосферного. Рабочий контур закрытый, необходимость в продувках и подготовке рабочего тела на подпитку контура отсутствуют.

ORC-циклами занимается большое количество западных компаний, начинают заниматься этими циклами и в России.

Брошюра «Electricity Generation from Waste Heat» фирмы Durr Cyplan».

ZE-150-LT «Турбогенератор, работающий на низкой температуре с органическим циклом Ренкина» фирмы Zuccato Energia.

GE Energy — Heat Recovery Solutions

Тепловой электрогенератор WHG50 и WHG125. Органический цикл Ренкина. BPC Group power systems.

На примере предложений ООО “Комтек-Энергосервис” (СПб, один из авторов статей и материалов преподаватель кафедры АиТЭ СПбПУ к.т.н., доцент Фомин В.А.) показано, что ORC-циклы могут применяться для повышения эффективности использования тепловой энергии топлива в циклах с противодавленческой паровой турбиной, в циклах с ГТУ, ГПЭ, парогазовых циклах, в том числе в схемах с водяными котлами-утилизаторами.

Журнал «Теплоэнергетика» №3, 2012г. с.56-61.

Брошюра ООО «Комтек Энергосервис»

Сборник докладов всероссийской конференции энергетики-2009.

Разработка ORC-цикла выполнена также ООО НТЦ “Микротурбинные технологии” в утилизационной паротурбинной установке УПТУ МПГ-500 ORC.

  1. Двигатели Стирлинга внешнего сгорания

Двигатель Стирлинга – это двигатель внешнего сгорания. Первоначальный цикл Стирлинга состоял из двух адиабат и двух изохор. Применение регенеративного подогрева на изохорах повысило его к.п.д. практически до 60-70% от предельно возможного значения по циклу Карно в том же интервале температур. Этот цикл применяют для утилизации низкопотенциальных тепловых потоков жидкости или газов, для использования солнечной энергии, тепла дымовых газов, энергии распада радиоактивных элементов и т.д. Рабочим телом двигателя является воздух, гелий, водород, азот. Испытывали в этом качестве фреоны, пропан-бутан, двуокись азота, воду. Двигатели Стирлинга могут быть, как поршневые с одним или двумя цилиндрами, так и роторные. Цикл двигателя Стирлинга имеет множество конструктивных реализаций. В зависимости от температур потоков, тепловая энергия которых, утилизируется, к.п.д. цикла Стирлинга может меняться в широких пределах от 10 до 40%.

Development of a hot gas heat exchanger and a cleaning system for a 35kWel hermetic four cylinder Stirling engine for solid biomass fuels.

в 1988 году головная шведская субмарина типа «Наккен» была переоборудована под двигатели Стирлинга. С ними она прошла под водой более 10 000 часов. Именно шведы открыли в подводном кораблестроении эру вспомогательных анаэробных двигательных установок. «Наккен» — первый опытный корабль этого подкласса, а субмарины типа «Готланд» стали первыми серийными лодками с двигателями Стирлинга, которые позволяют им находиться под водой непрерывно до 20 суток. В настоящее время все подводные лодки ВМС Швеции оснащены двигателями Стирлинга. Подобные двигатели установлены также в новейших японских подводных лодках. Источником тепла для двигателя Стирлинга являются дизтопливо и жидкий кислород, силовая установка не требует воздуха, поэтому эти энергетические установки являются анаэробными. К.п.д. этих двигателей  35…40%, ресурс до 50000…60000 часов. В Петербурге этой темой энергично занимается д.т.н. Кириллов Н.Г., работающий в Военно-космической академии  им. А.Ф. Можайского. Материал из его работ использован в настоящем разделе.

  1. Микро-ТЭЦ

В последние 10 лет на Западе появились микро-ТЭЦ и нано-ТЭЦ. Фактически охвачены все практически важные диапазоны электрической мощности: 1-2,5 кВт; 3-7,5 кВт; 8-14,5 кВт; 15-20 кВт; 20,5-50 кВт, характерные для небольших потребителей. Электрический к.п.д. на уровне 15…20%, коэффициент использования топлива до 70…80% для обычных котлов и от 95% до 107% при использовании конденсационных котлов. В основе энергоисточника может быть двигатель Стирлинга, карбюраторный двигатель по циклу Отто, паровой двигатель внешнего сгорания с двумя свободными поршнями, топливные элементы. Все микро-ТЭЦ отличает низкий уровень шума. Топливо разное: газ, жидкое, твердое, в том числе, пеллеты. Стоимость порядка 10 тыс. евро за кВт(э).  Примеры – энергоблоки Ecopower, WhisperGen, Microgen, Lion-Powerblock, EcoGen и др.Внешний вид агрегата

За последние 5 лет фирма Ecopower (США) продала в Европе, главным образом в Великобритании, около 5 тыс. микро-ТЭЦ на базе одноцилиндрового четырехтактного двигателя внутреннего сгорания мощностью 3 кВт. Стоимость микро-ТЭЦ — от 220 тыс. руб. Тепловая мощность нагрева воды — 12 кВт, температура нагреваемой воды не превышает 40-50 °С. Поэтому производители рекомендуют использовать микро-ТЭЦ совместно с водяными теплыми полами вместо традиционных радиаторов. Аналогичные агрегаты Dachs производит фирма Senertec.

В Европе с описанными установками успешно конкурируют микро-ТЭЦ компании WhisperGen (Новая Зеландия) c тепловым двигателем внешнего сгорания Стирлинга. Уже продано около 8 тыс. таких устройств. 47_stirling-vierzylinder-von-whispergenВ г. Толоса (Испания) строят специализированный завод, который будет по лицензии выпускать 30 тыс. микро-ТЭЦ WhisperGen в год. Электрическая мощность — 1 кВт, тепловая — 5,5 кВт. Цена этих микро-ТЭЦ довольно высока (от 350 тыс. руб.). Аналогичной конструкции микро-ТЭЦ выпускаются фирмой Microgen (Великобритания).

Преимущества микро-ТЭЦ с двигателем Стирлинга:

  • бесшумность. Уровень шума на расстоянии 2 м от работающей Ecopower составляет 56 дБ, а при аналогичных условиях для WhisperGen — не более 40 дБ. Это позволяет устанавливать WhisperGen в кухне (традиционное место газовых конденсационных котлов в европейских домах);
  • оптимальное для среднеевропейского дома количество вырабатываемой горячей воды;
  • компактность и легкость. Размеры установки, например, WhisperGen (В × Ш × Д) составляют 650 × 500 × 450 мм, масса — 137 кг. Таким образом, агрегат занимает в кухне столько же места, сколько стандартная посудомоечная машина. Для сравнения: габариты американской микро-ТЭЦ (Д × В × Ш) — 1280 × 980 × 700 мм, масса — 400 кг;
  • отсутствие техобслуживания (ресурс работы — до 40 тыс. ч): в них нет масла внутри цилиндра, нет фильтров и свечей зажигания, не надо регулировать клапаны и систему зажигания. А в американской установке с ДВС уже после 8 тыс. ч необходим ремонт;
  • топливная «всеядность». Двигатель Стирлинга способен использовать разные виды газообразного, жидкого и твердого топлива.

Совместно с микро-ТЭЦ используются вакуумные коллекторы и солнечные фотопанели — альтернативный источник тепла и электроэнергии. В зимний период эффективность работы фотопанелей весьма низкая, но ее достаточно для того, чтобы обеспечить действие циркуляционных насосов, поддерживающих движение воды в системе ГВС, нагретой от вакуумных коллекторов. Летом, когда солнечные фотоэлектрические панели функционируют с максимальной отдачей электроэнергии, можно ограничить время работы микро-ТЭЦ, сэкономить газообразное топливо и сберечь моторесурс двигателя.49_Sunmashine48_Sunmachine_3

В составе микро-ТЭЦ может находиться также дополнительная газовая горелка. Она предназначена только для дополнительного нагрева воды в холодные дни.

В качестве топлива на микро-ТЭЦ могут использоваться пеллеты — альтернативное возобновляемое топливо. Уже сейчас они обходятся европейским потребителям на 30 % дешевле природного газа, и ожидается, что в дальнейшем цены на этот вид топлива будут снижаться. В Нюрнберге фирма Sunmachine (Германия) начала выпускать когенерационные микро-ТЭЦ электрической мощностью 3 кВт с двигателем Стирлинга, работающим на пеллетах. Аналогичные микро-ТЭЦ выпускает фирма KWB (Австрия, Ирландия).

53_kirsch_1_9_kw_001_205_auto51_eVita_HRe_open_v50_Stirling_SPM_KWB

Двигателем Стирлинга фирмы Microgen комплектуется конденсационный газовый котел фирмы  Remeha, “Remeha-HRE”.

Аналогичные микро-ТЭЦ выпускают фирмы KIRSCH, Viessmann, Baxi (Англия) – Ecogen.

54_vitotwin_300-w55_Ecogen_0549-broetje

Микро-ТЭЦ Lion-Powerblock (см. анимацию) используют паровые моторы (этот блок называется Линатор – Lineargenerator=Linator) в виде свободнопоршневого 4-х тактного парового двигателя внешнего сгорания с двумя поршнями, температура пара 350°С, давление 25-30 бар.

Steam linear power engine –report on field tests of “lion-Powerblock”

Фирмой Ener Twin производятся также микро-ТЭЦ на основе микротурбин (ГТУ с регенерацией тепла уходящих газов).

Энергоисточники с высоким электрическим к.п.д. и когенерацией создаются также на базе топливных элементов.

В самое последнее время появляются микро-ТЭЦ термоакустического типа. Компания Nirvana Energy Systems разработала термоакустическое устройство «Clean Power Stick», которое не имеет горячих движущихся механических частей, и основано на новой, запатентованной архитектуре. Power Stick генерирует от 1 до 4 кВт электрической энергии и от 15 до 30 кВт тепловой энергии при общем КПД системы выше 90%.59_20542-tiermoakustichieskii-dvighatiel-vnieshniegho-sghoraniia-original

Канадская компания Etalim произвела аналогичную разработку термоакустического генератора. Установка состоит из герметичной полости, заполненной гелием под давлением. В верхней части полости находится колеблющаяся металлическая пластинка, в нижней части — упругая металлическая диафрагма, которая связана с валом. Нагревание газа над верхней пластинкой и охлаждение в нижней части приводит к её колебанию, в полости возникают звуковые волны. То есть, в термоакустическом устройстве происходит усиление звуковой волны, вызывающей движение диафрагмы. Диафрагма толкает вал, соединённый с генератором. Одно колебание диафрагмы сдвигает вал всего на 0,2 мм, но система совершает 500 колебаний в секунду.

Etalim производит пакет из пяти 2-х киловаттных модулей, шестой модуль резервный. Пакет Etalim работает на любом топливе, модули не требуют ремонта, что значительно снижается расходы на эксплуатацию.  ,

При рабочей температуре газа 700°C КПД двигателя составляет 40%. Стоимость устройства в настоящее время оценивается в 1000 долл. США за кВт, но ожидается снижение цены  до 150 долл за 1 кВт.

Описание физических процессов, протекающих в термоакустическом устройстве можно найти на сайте Energyland.info, а также Physics Toys.

Главная идея состоит в том, что организуются процессы подвода и отвода тепла к рабочему телу, вызывающие акустические колебания. Обеспечение подвода тепла в фазе сжатия и охлаждения в фазе разрежения приводит к усилению энергии акустических волн, которая используется для генерации электроэнергии.

В России в последнее время (2013 г.) также появились разработки микро-ТЭЦ. В НПП “Донские технологии” (г. Новочеркасск) разработали микроэнергокомплекс с вертикальной влажнопаровой турбиной пока двух типоразмеров 5 кВт(э), 20 кВт(т) и 30 кВт(э), 200 кВт(т). Турбина центробежного типа одноступенчатая, либо осевая с двухвенечным колесом Кертиса. На входе в турбину давление насыщенного пара 0,6 МПа, на выходе – близкое к атмосферному, либо вакуум на уровне 0,05 бар абс. Диапазон регулирования электрической мощности от 5 до 100%. Работает энергокомплекс с подводом тепловой энергии к рабочему телу, либо от солнечных коллекторов, либо в котле при сжигании газа. Возможен вариант с тригенерацией при включении в состав энергоустановки теплового насоса. Компоновка блочная, возможно размещение в небольшом контейнере, как при стационарном размещении, так и в мобильном варианте. Применяется аккумулирование тепловой энергии.

«Разработка влажно-паровой микротурбинной установки для систем малой распределенной энергетики на основе комбинированного использования традиционных и возобновляемых источников энергии»

Микроэнергокомплекс на базе влажно-паровой турбины, солнечного коллектора и теплового насоса.

Фактически к этому же классу относятся и энергоустановки малой мощности производства ООО “Энерготоника” (Магнитогорск), рассмотренные выше.

Информация о микро-ТЭЦ на основе топливных элементов приведена в разделе НВИЭ.

  1. Цикл Калины

Цикл Александра Калины является циклом Ренкина, работающим от низкопотенциального теплового источника: потока геотермальной воды, либо на выхлопных газах различных технологических циклов. Особенностью цикла Калины является применение в качестве рабочего тела водного раствора аммиака, имеющего переменную температуру кипения в зависимости от содержания растворенного количества аммиака в воде. С учетом этой зависимости потери от необратимого теплообмена между тепловыми источниками и рабочим телом цикла меньше, чем для рабочего тела в виде воды. Эффект в сравнении с циклом на воде для тех же тепловых источников достигает 25…30%. Цикл Калины реализован в Каноге Парке (Лос-Анджелес, Калифорния, опытная станция), электрическая мощность 1,8 МВт, на геотермальных электростанциях в Хусавике (Исландия), 1,8 МВт, в Унтерхахене, Мюнхен, 4 МВт, на 2-х геотермальных станциях в Японии, на 2-х станциях в Китае, на Тайване, а также на нескольких цементных и металлургических заводах.

62_Ris.1 k tsiklu Kaliny63_ris.2 k tsiklu Kaliny64_ris.3 k tsiklu Kaliny67_Kalina-Cycle-Power-Plant-Kashima-Steel-Works68_Kalina-Cycle-Application-in-Steel-Manufacturing-Process

  1. Турбина Теслы

Турбина Теслы имеет простую безлопаточную конструкцию. Она состоит из плоских дисков, расположенных на валу с малым зазором между собой. Рабочее тело подается в каналы между дисками на периферии дисков и движется по спирали между дисками к оси ротора, разгоняя за счет трения диски, а, значит, и ротор с генератором. Двигатель работает, но эффективность невысокая, не более 50%. Несмотря на простоту конструкции, широкого применения этот двигатель не нашел, как из-за эффективности, так и потому что мощность турбины не превышает нескольких сот кВт.

70_tesla-turbine-473_razborka 71_razrez 72_tt3d

  1. Турбодетандеры

Турбодетандеры, это турбины, использующие главным образом, энергию давления потока, например, высокое давление магистрального природного газа или давление газов после металлургических печей. Например, установки, разработанные НПФ “Турбокон” мощностью 500 кВт, турбодетандеры конструкции ЛПИ, см. раздел 11 и струйные реактивные турбины (см. раздел 13).

  1. Паровая турбина ORC-цикла, газотурбинная установка малой мощности, турбодетандер конструкций СПбПУ

При СПбПУ работает ООО НТЦ “Микротурбинные технологии”, который ведет разработки разных моделей: паровых, газовых, детандерных конструкций микротурбин. Смотреть буклетные материалы на паровой турбогенератор для ORC-цикла мощностью 500 кВт – осевая одноступенчатая турбина, работающая на фреоне R-245fa, предлагается установка контейнерного исполнения с воздушными вентиляторными охладителями; турбодетандер мощность 20 кВт для выработки электроэнергии на ГРС и ГРП, используются лепестковые подшипники, не требующие масла для смазки, расположение оборудования в контейнере; микротурбинная ГТУ мощностью 100 кВт с регенерацией, электрическим к.п.д. 31%, КИТ 75%, ресурсом работы 80000 часов.

БК АЭИ МДГ-20

УПТУ МПГ-500 ORC

МТГ-100

  1. Агрегаты для геотермальной энергетики: гидропаровые турбины на основе осевой ступени, центробежной ступени, колеса Герона, винтовой двухфазный расширитель

Использование паровых турбин, работающих на насыщенном или перегретом паре напрямую или через промконтур на геотермальных месторождениях, вполне традиционно, за исключением, необходимости использовать сепараторы пара значительных размеров перед турбинами.

Значительные проблемы сопровождают процесс получения технической работы в разного типа расширителях, работающих на двухфазных потоках, в том числе, на вскипающей или недогретой для ее давления жидкости (воде или другом рабочем теле промежуточного контура).

Сложности организации эффективного процесса в турбине, работающей на вскипающей воде, состоят в том, что при высоком отношении давлений на входе и на выходе соплового аппарата происходит адиабатное вскипание потока, сопровождающееся явлениями кризиса и метастабильными процессами при вскипании жидкой фазы. В результате имеет место снижение скорости потока в целом, рассогласование скоростей капель и пара на выходе из соплового аппарата. В свою очередь, при входе в канал рабочего колеса у жидкой и паровой фаз возникают разные углы атаки по отношению к обтекаемому профилю лопатки рабочего колеса, отсюда низкая эффективность процесса получения технической работы в рабочем колесе.

В 70-е и 80-е годы в Ленинграде исследовались осевые и радиальные одноступенчатые турбины, работающие на вскипающей воде (ЛПИ им. М.И. Калинина, кафедра “Теоретических основ теплотехники”, Зысин В.А., Барилович В.А. и их аспиранты), которые в России называют гидропаровыми турбинами. Для разгона двухфазного потока применялись сопла Лаваля с парогенерирующими решетками, установленными на входе. Эффективность экспериментальных моделей гидропаровых турбин для мощности агрегатов от 1 до 20 кВт находилась на уровне 30…46%.

В США для одноступенчатых осевых турбин с соплами с парогенерирующими решетками, применяемых в системах кондиционирования, были достигнуты значительно большие успехи, их машины имели эффективность порядка 70…80%, число таких машин, работающих в промышленности было весьма велико.

См. статью Ф. Велча и П. Бойля “Новые турбины для повышения эффективности ГеоТЭС” и презентацию изготовителя этих турбин.

В НПФ “Турбокон” (г. Калуга) и в ГПТУкраине при создании энергоэффективных технологий разрабатываемых угольных шахт в 2000-е годы занимались изучением колеса Герона, в котором нет неподвижного соплового аппарата, а по периметру рабочего колеса по касательной к ободу колеса установлены сопла Лаваля, в которых происходит вскипание и разгон двухфазного высоковлажного потока. Сила реакции истекающего потока обеспечивает движущий момент для рабочего колеса. Однако пока испытан только агрегат мощностью 10 кВт в калужской котельной. Эффективность такого устройства определяется внутренним к.п.д. и составляет от 10 до 20%.

Экспериментальное исследование характеристик ГПТ.

Схема когенерации с размещением противодавленческой и гидропаровой турбин на общем валу с газопоршневой установкой.

Энергетическая эффективность газопоршневой установки с гидропаровой турбиной.

Утилизация тепловой энергии при подземной термохимической переработке угольных пластов.

Теоретические основы разработки гидропаровойи турбины со знакопеременным движением рабочего тела для утилизации избыточного низкопотенциального тепла.

Неожиданно успешным оказалось применение винтовых расширителей для двухфазного потока и насыщенной жидкости. Эффективность процесса расширения при правильном проектировании проточной части достигала 60…80%. См. статью И.К. Смит, Н. Стосич, А. Ковацевич “Получение энергии от недорогих винтовых расширителей”. Более высокая эффективность получена при использовании в качестве рабочего тела органических теплоносителей в сравнении с водой, так как у воды слишком сильное отличие плотностей жидкой и паровой фаз, что приводит к несоответствию изменения плотностей двухфазного потока и степени расширения пространства между винтовой парой в направлении движения среды.

  1. Безлопаточные струйно-реактивные турбины на газе (паре)

Безлопаточные струйно-реактивные турбины в самом простом варианте представляют собой сегнерово колесо с двумя соплами, оси которых перпендикулярны каналам с движущимся рабочим телом, расположенным радиально. Рабочее тело подводится через канал по оси колеса, затем делится на два потока, движется по радиальным каналам, поворачивается на 90 градусов в соплах, истекает из них со скоростью, образующиеся в процессе расширения в соплах. Сила реакции струи действует на движущееся сопло, создает момент силы относительно оси рабочего колеса. В результате вырабатывается полезную механическая энергия. Такие колеса применяются, как в газовых детандерах для выработки электроэнергии, так и для привода запорной и регулирующей арматуры. К.п.д. такой турбины не превышает 20…30%.

85_srt1sm 86_srt2sm 87_srt3sm

Турбодетандер-электрогенераторные агрегаты мощностью до 500 кВт на базе струйно-реактивной турбины (СРТ) для систем редуцирования давления природного газа

Исследование характеристики струйно-реактивной турбины с помощью программного комплекса flowvision

На Украине получен патент на сегнерово колесо, в котором каналы, подводящие рабочее тело к соплам, имеют винтовую траекторию. При этом повышается эффективность преобразования энергии потока в механическую работу за счет действия не только реактивной струи на вращающиеся сопла, но и в связи с совершением механической работы центробежных и кориолисовых сил, действующих на рабочее тело в процессе его движения по каналам.

Безлопаточная турбина Воробьева. Для повышения эффективности работы сегнерова колеса изобретена безлопаточная паровая турбина Воробьева Р.Н. для электроэнергетики малых мощностей. Она состоит из двух рабочих колес: внутреннего колеса в виде радиального канала с двумя соплами и закрытого со всех сторон вращающегося наружного цилиндра. На периферии этого наружного цилиндра диаметрально противоположно находятся  два сопла, расположенные по касательной к его наружной поверхности в направлении, противоположном положению сопел внутреннего колеса. Внутреннее колесо и наружное колесо находятся каждый на своем валу и приводят во вращение собственные генераторы. Рабочее тело истекает из сопел первого колеса, заполняет пространство внутри наружного цилиндра, истекает из сопел этого колеса, вращая его в направлении, противоположном направлению вращения внутреннего колеса. Такая конструкция позволяет иметь внутренний к.п.д. турбины примерно в 2 раза выше, чем для простого сегнерова колеса. Предполагается использовать эти турбины для производства агрегатов мощностью от 10 до 100 кВт при работе на паре котлов низкого давления.