Разработка и обоснование углекислотной газотурбинной установки малой мощности на основе расчётно-экспериментальных методов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Гун Бовэнь

• Гун Бовэнь
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Гун Бовэнь

ВВЕДЕНИЕ

1 ОБЗОР И СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО СОЗДАНИЮ УГЛЕКИСЛОТНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

1.1 Исторические аспекты исследований и разработок углекислотных газотурбинных установок, обзор и анализ зарубежных и российских исследований

1.2 Области применения углекислотных газотурбинных установок, сравнение с существующими тепловыми циклами, их недостатки и преимущества

1.2.1 Применение углекислотных газотурбинных установок в атомной энергетике

1.2.2 Применение углекислотных газотурбинных установок в солнечной энергетике

1.2.3 Применение углекислотных газотурбинных установок с промышленным отработанным теплом

1.3. Постановка целей и задач исследования

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ВЫБОРУ СТРУКТУРЫ, РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛОВЫХ СХЕМ УГЛЕКИСЛОТНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

2.1 Выбор, обоснование и сравнительный анализ углекислотных газотурбинных установок для получения электрической и тепловой энергии

2.1.1 Сравнительный анализ рассмотренных углекислотных газотурбинных установок, их недостатки и преимущества

2.2 Тепловые схемы углекислотных газотурбинных установок

2.2.1 Тепловая схема углекислотной газотурбинной установки простого типа

2.2.2 Тепловая схема двухкомпрессорной углекислотной газотурбинной установки

2.2.3 Тепловая схема углекислотной газотурбинной установки с регенерацией

2.2.4 Тепловая схема двухкомпрессорной углекислотной газотурбинной установки с регенерацией

2.3 Методика расчётного исследования тепловых схем углекислотных газотурбинных установок

2.3.1 Параметры для расчёта тепловой схемы углекислотной газотурбинной установки

2.3.2 Оценка потерь в различных элементах углекислотной газотурбинной установки

2.3.3 Модифицированная методика расчёта тепловых схем углекислотных газотурбинных установок

2.4 Результаты расчётного исследования, выбор оптимальных параметров и

характеристик тепловой схемы углекислотной газотурбинной установки

3.ВЫБОР, ОБОСНОВАНИЕ И РАСЧЁТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТУРБОМАШИН УГЛЕКИСЛОТНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

3.1 Малорасходные турбины углекислотных газотурбинных установок

3.1.1 Технические требования к малорасходным турбинам, предназначенным для использования в углекислотных газотурбинных установках

3.1.2 Классификация, анализ и выбор малорасходной углекислотной турбины

3.2 Модифицированная одномерная методика для расчётного исследования малорасходной углекислотной радиально-осевой турбины

3.2.1 Исходные данные для выполнения газодинамических исследований радиально-осевой турбины с определением геометрических параметров элементов проточной части турбин углекислотных газотурбинных установок

3.2.2 Алгоритм модифицированной методики газодинамических исследований радиально-осевой турбины с определением геометрических параметров элементов проточной части турбин углекислотных газотурбинных установок

3.2.3 Результаты выполнения оптимизационных газодинамических исследований радиально-осевой турбины с определением геометрических параметров элементов проточной части турбин углекислотных газотурбинных установок

3.3 Модифицированные методики для исследования малорасходных углекислотных турбин конструкции ЛПИ

3.3.1 Предварительные оптимизационные расчётные исследования малорасходной углекислотной турбины конструкции ЛПИ

3.3.2 Одномерные газодинамические расчётные исследования малорасходной углекислотной турбины конструкции ЛПИ

3.3.3 Трёхмерные газодинамические расчётные исследования малорасходной углекислотной турбины конструкции ЛПИ

3.3.4 Оптимизационный анализ конструктивного решения турбины конструкции ЛПИ с целью повышения технико-экономических показателей

3.3.5 Прочностные расчётные исследования малорасходной углекислотной

турбины конструкции ЛПИ

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИАЛЬНО-ОСЕВЫХ ТУРБИН ДЛЯ УГЛЕКИСЛОТНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

4.1 Экспериментальный стенд

4.1.1 Воздушная система экспериментального стенда

4.1.2 Масляная система экспериментального стенда

4.1.3 Водяная система экспериментального стенда

4.1.4 Измерительная система экспериментального стенда

4.2 Экспериментальная установка для исследования воздушных моделей углекислотных турбомашин

4.3 Объекты для экспериментального исследования воздушных моделей углекислотных турбомашин

4.3.1 Исследование моделирования турбинной ступени

4.3.2 Численный расчёт радиально-осевой турбины с натурным рабочим телом S-CO2 на режимах номинальной и частичной нагрузки

4.3.3 Численный расчёт радиально-осевой турбины с рабочим телом воздухом на режимах номинальной и частичной нагрузки

4.3.4 Обработка результатов численного расчёта радиально-осевой турбины с рабочим телом воздухом на режимах номинальной и частичной нагрузок

4.3.5 Исследование результатов численных расчётов моделирования радиально-осевых турбин, работающих на S-CO2 и воздухе

4.4 Модифицированные методики обработки полученных опытных данных физического экспериментального исследования

4.4.1 Методика определения газодинамических характеристик центростремительного соплового аппарата с помощью моментомера

4.4.2 Методика определения основных характеристик ступени радиально-осевой турбины

4.4.3 Оценка неопределённости суммарных характеристик турбомашин

4.5 Проведение физического экспериментального исследования модели турбинной ступени

4.6 Результаты анализа обработки полученных данных физического экспериментального исследования

5 РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО СОЗДАНИЮ УГЛЕКИСЛОТНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

5.1 Разработка рекомендаций компоновочных решений по роторным группам для углекислотных газотурбинных установок

5.2 Разработка рекомендаций по применению технологии цифровых двойников на этапе разработки углекислотных газотурбинных установок

5.2.1 Основы технологии цифровых двойников при управлении жизненным циклом углекислотной газотурбинной установки

5.2.2 Формирование научных основ по разработке углекислотных газотурбинных установок с помощью технологии цифрового двойника

5.2.3 Особенности применения технологии цифрового двойника при разработке углекислотных газотурбинных установок

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А. Эскизные чертежи турбины конструкции ЛПИ

Приложение Б. Методика обработки опытных данных при определении основных газодинамических характеристик радиально-осевой турбины

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и обоснование углекислотной газотурбинной установки малой мощности на основе расчётно-экспериментальных методов»

Актуальность темы исследования

Современный глобальный контекст определяется стремительным ростом потребления электроэнергии, обусловленным увеличением числа центров обработки данных, масштабной электрификацией промышленности и транспорта, а также расширением применения электробытовых устройств. В то же время мировое сообщество сталкивается с необходимостью достижения углеродной нейтральности, что требует перехода к экологически безопасным методам генерации энергии.

Одним из перспективных направлений в области экологически чистой выработки энергии является использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Однако их широкое внедрение ограничено высокими финансовыми затратами, нестабильностью выработки энергии и зависимостью от географических и климатических условий. Традиционные технологии на основе паровых и газовых турбинных установок, несмотря на их доминирование в структуре энергосистем, характеризуются относительно низким коэффициентом полезного действия (КПД), значительными габаритами оборудования и высоким уровнем выбросов парниковых газов.

В этих условиях особую актуальность приобретает разработка новых высокоэффективных и экологически безопасных технологий преобразования энергии. Одним из наиболее перспективных решений является применение углекислотных газотурбинных установок (УГТУ) с использованием сверхкритического диоксида углерода ^-С02) в качестве рабочего тела. Преимущества данного подхода заключаются в повышении термического КПД на 5... 20% по сравнению с классическими циклами Ренкина и Брайтона, существенном сокращении габаритов и массы оборудования, снижении финансовых затрат, а также в улучшенных экологических характеристиках. Дополнительным достоинством является совместимость с низкоуглеродными

и безуглеродными источниками теплоты, что обеспечивает универсальность и интегративность углекислотных установок.

Несмотря на значительный потенциал, в современной энергетике широкое внедрение УГТУ для выработки электрической и тепловой энергии ограничивается рядом научно-технических барьеров. Для их преодоления ключевыми направлениями исследований являются разработка и оптимизация тепловых схем, проектирование критических элементов, проведение экспериментальной валидации численных расчётных исследований и создание методологических основ проектирования для различных классов мощности УГТУ.

Таким образом, комплексные исследования УГТУ малой мощности, выполняемые на основе расчётно-экспериментальных методов, представляют собой актуальную научную задачу. Её решение позволит обеспечить формирование устойчивых, эффективных и экологически безопасных систем энергоснабжения, отвечающих современным требованиям развития мировой энергетики.

Степень разработанности темы

В настоящее время развитие технологии УГТУ находится на этапе перехода от фундаментальных исследований к технической реализации и осуществляется в ведущих научных организациях и промышленных предприятиях США, КНР, Республики Корея, Австралии, Индии, Европейского Союза и России.

В США координирующую роль выполняют Национальная лаборатория Сандия и Массачусетский технологический институт в партнёрстве с корпорациями General Electric и NET Power, концентрируя усилия на интеграции систем с ядерными реакторами и установками солнечной термоэнергетики, где уже проведены испытания мегаваттных экспериментальных установок. КНР опирается на научно-исследовательский потенциал Сианьского университета Цзяотун, Северокитайского электроэнергетического университета и Сианьского научно-

исследовательского института теплотехники, осуществляющих сотрудничество с государственной корпорацией HUANENG в направлении разработки высокотемпературных компонентов для создания стендов большой мощности. Республика Корея консолидирует усилия Корейского института передовых технологий, Корейского института атомной энергии и компании Doosan Heavy Industries для создания циклов, совместимых с реакторами на быстрых нейтронах, и высокоточного производства турбомашин. В Европейском Союзе консорциум под руководством Миланского политехнического университета (Италия), Севильского университета (Испания) и Венского технического университета (Австрия) в рамках проекта SCARABEUS совместно с компанией Siemens Energy (Германия) проводят исследования рабочих тел, представляющих собой смеси на основе S-CO2, для УГТУ.

В России также осуществляется научно-исследовательская деятельность по разработке УГТУ. Данную тематику исследуют такие научные и промышленные организации как Московский энергетический институт, государственная корпорация «Росатом», Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», АО «Силовые машины», ОАО «НПО ЦКТИ им. И.И. Ползунова», ООО НТЦ «Турбопневматик» и др. Тем не менее, количество научных публикаций в данной области существенно уступает мировому уровню, а реализованные или проектируемые проекты сопоставимого с мировыми аналогами качества представлены в ограниченном количестве. На текущий момент мировые научные организации концентрируют внимание на ускорении исследовательских работ для реализации крупномасштабных демонстрационных проектов коммерческого характера.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы являются разработка и создание углекислотной газотурбинной установки малой мощности на основе известных и модифицированных методик и математических моделей с учётом

требований, предъявляемых к УГТУ, а также валидация результатов численных и физических исследований.

Задачи, решаемые в диссертационной работе:

1. Разработка методики расчётного обоснования тепловых схем УГТУ и требований к выбору и проектированию турбины для УГТУ.

2. Модификация математических моделей и проведение комплексных расчётных исследований турбин для УГТУ.

3. Разработка методики моделирования параметров рабочего тела турбины для УГТУ.

4. Модернизация стенда для экспериментальных исследований радиально-осевых турбин (РОТ) УГТУ.

5. Модификация методик экспериментальных исследований и валидации полученных результатов.

6. Разработка рекомендаций по созданию УГТУ.

Решению поставленных задач и обобщению полученных результатов посвящены соответствующие разделы данной работы.

Объект исследования

Объектом исследования является газотурбинная установка малой мощности, использующая сверхкритический диоксид углерода в качестве рабочего тела для выработки электрической и тепловой энергии.

Предмет исследования

Предметом исследования является совокупность расчётных, аналитических и экспериментальных методик для создания турбомашин и их основных элементов, экспериментальное стендовое оборудование, а также специализированные программные средства и комплексы (ОКЕ1, ТЦКВ03 и др.).

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Модифицированы математические модели для проведения расчётных исследований тепловых схем УГТУ. Разработаны и модифицированы

математические модели для проведения расчётных исследований турбин конструкции ЛПИ и РОТ для УГТУ.

2. Разработана методика моделирования рабочих тел ^-С02, воздух) для использования в трёхмерном газодинамическом расчёте проточной части турбины.

3. Выполнена валидация предложенных методик: сравнение полученных расчётных данных с экспериментальными результатами.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость заключается в углублении исследования различных тепловых схем УГТУ, создании, модификации и валидации сложных математических моделей для моделирования и проектирования различных типов конструкций турбин, а также в разработке рекомендаций по выбору компоновочных решений для УГТУ; разработанные и модифицированные методики проектирования УГТУ подтверждены проведёнными экспериментальными исследованиями в определённом диапазоне режимов.

Практическая значимость заключается в предложенном и обоснованном научно-техническом решении по созданию УГТУ, которое обеспечивает лучшие технические характеристики относительно традиционных паровых и газовых турбинных установок, снижение массы и габаритов основного и вспомогательного оборудования, а также гибкость интеграции с различными источниками теплоты, что способствует повышению конкурентоспособности и сокращению финансовых затрат и выбросов СОг.

Методология и методы исследования

При проведении исследования были использованы аналитические, расчётные и экспериментальные методы. Исследование базируется на системном подходе и на основе научного опыта коллектива Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) изложенного, в частности, в научных трудах И. И. Кириллова, В. А. Рассохина,

А. И. Боровкова и других сотрудников СПбПУ, а также трудах других российских и зарубежных специалистов в области турбиностроения.

Положения, выносимые на защиту

1. Требования, предъявляемые к современным УГТУ, основанные на анализе современного состояния мировых исследований и перспектив развития УГТУ с использованием различных источников энергии.

2. Разработанные и модифицированные математические модели для проектирования различных тепловых схем и турбин УГТУ.

3. Результаты валидации расчётных моделей проточной части турбины УГТУ на основе сопоставления с экспериментальными данными.

4. Рекомендации по выбору компоновочных решений и конструкций ключевых элементов УГТУ, учитывающие особенности эксплуатации в среде Б-СОг.

5. Рекомендации по применению технологии цифровых двойников для создания УГТУ.

Личный вклад автора

1. Выполнено комплексное исследование, объединяющее анализ научно-технической литературы и патентов в сфере УГТУ. На основании проведённых исследований сделаны выводы о состоянии мировых исследований по УГТУ.

2. Модифицирована тепловая схема УГТУ, получен патент на полезную модель по утилизации промышленной отходящей теплоты.

3. Разработаны алгоритмы для расчёта интегральных показателей тепловых схем и режимов работы УГТУ, представленные в виде программы для ЭВМ.

4. Разработаны критерии выбора типа конструкции турбины для УГТУ в соответствии с техническими требованиями.

5. Модифицированы алгоритм и методики расчёта РОТ для УГТУ.

6. Выполнено комплексное исследование применения турбины конструкции ЛПИ для создания УГТУ. Модифицированы алгоритм и методика расчёта проектирования турбины конструкции ЛПИ.

7. Разработана трёхмерная методика по моделированию рабочего тела в проточной части РОТ при соблюдении частичных критериев подобия.

8. Выполнена модернизация экспериментальной базы, модифицирована методика проведения эксперимента, проведено исследование модельной ступени РОТ, выполнена валидация расчётных и отработанных экспериментальных данных.

9. Разработаны практические рекомендации по выбору конструктивных узлов при создании УГТУ. Предложены компоновочные решения роторных групп различных классов мощности. Разработана конструктивная схема для УГТУ малой мощности.

10. Разработаны научные основы применения технологии цифрового двойника при создании УГТУ.

Степень достоверности и апробация результатов работы

Достоверность результатов работы подтверждается применением фундаментальных принципов термодинамики, газодинамики и теории подобия, а также согласованностью результатов экспериментальных исследований, полученных разными методами и защищённых патентами и научными публикациями.

Апробация основных результатов работы проводилась и обсуждалась на 15 научно-технических конференциях, симпозиумах, выставках и конкурсах. По теме исследования опубликовано 27 научных работ, отражающих основные положения исследования, среди которых: 7 публикаций в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России по искомой специальности; 5 работ в рецензируемых журналах, индексируемых в базе Scopus и WoS; 8 работ в сборниках конференций, индексируемых в базах РИНЦ; 1 патент РФ на полезную модель и 6 свидетельств о государственной регистрации программы для ЭВМ.

1 ОБЗОР И СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО СОЗДАНИЮ

УГЛЕКИСЛОТНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ

ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

1.1 Исторические аспекты исследований и разработок углекислотных газотурбинных установок, обзор и анализ зарубежных и российских

исследований

На сегодняшний день общество всё больше уделяет внимание исследованиям о влиянии деятельности на окружающую среду и ищет способы сократить энергопотребление и минимизировать экологический ущерб. В связи с этим существует необходимость в разработках новых технологий преобразования энергии, повышения эффективности и экологичности.

С целью повышения эффективности циклов внимание предоставляется использованию альтернативных рабочих тел. Использование диоксида углерода (СО2) в сверхкритическом состоянии рассматривается как одно из перспективных направлений.

Б-С02 представляет собой состояние вещества, при котором температура и давление превышают критические значения для диоксида углерода (7=304,12 К, Р=7,3773 МПа). В сверхкритическом состоянии СО2 обладает плотностью, сопоставимой с плотностью жидкости, при этом его вязкость и диффузия приближаются к показателям газа. Это позволяет характеризовать S-C02 как вещество, сочетающее свойства газа с плотностью жидкости в процессе расширения. Б-С02 нетоксичен, неагрессивен по отношению к металлам, трудно воспламеняется и не взрывоопасен. Кроме того, СО2 доступен в достаточных количествах и имеет относительно низкую стоимость - примерно 1/10 от стоимости гелия и 1/70 от стоимости фреона[22, 121].

На Рисунке 1.1 показана зависимость плотности и удельной изобарной теплоёмкости от температуры и давления СО2.

Рисунок 1.1 - Зависимость плотности и удельной изобарной теплоёмкости

от температуры и давления СО2[162]

Фазовая диаграмма СО2 показана на Рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Фазовая диаграмма СО2[124]

Исследования применения S-C02 в углекислотных газотурбинных установках имеют давнюю историю. В 1960-х годах учёный Анджелино отметил проблемы, которые ограничивают эффективность выработки электроэнергии с помощью паровых и газовых турбин, и проанализировал ключевые направления повышения эффективности циклов, уменьшения габаритов установки и снижения конструктивной сложности. Учёный Фехер предложил подход сверхкритического цикла, основанный на циклах Ренкина

и Брайтона. Оба учёных продемонстрировали, что термодинамические циклы с использованием С02 в качестве рабочего тела могут не только значительно повысить эффективность, но и существенно уменьшить габариты оборудования. Однако, до конца 20-го века возможности проектирования и производства компонентов данных систем были ограничены, и технология не получила дальнейшего развития. С развитием науки и техники система с S-С02 вновь привлекла внимание всего мира[22, 101, 116, 142].

В 2004 году В. Досталь, М. Дж. Дрисколл, П. Хейзлар опубликовали результаты исследования циклов с Б-С02 для ядерных реакторов следующего поколения, что вновь заинтересовало исследователей со всего мира[100]. На Рисунке 1.3 показано количество научных публикаций и патентов, связанных с технологией использования Б-С02 в циклах в период с 2000 по 2023 годы во всем мире.

Год

Рисунок 1.3 - Библиометрический анализ и обзор мировых исследований, связанных с технологией использования S-C02 в циклах в период с 2000 по

2023 годы [156]

Из Рисунка 1. 1 видно, что количество научных публикаций и патентов в мире, связанных с технологией использования Б-С02 в циклах, увеличивалось

в период с 2000 по 2017 год в связи с значительной поддержкой со стороны правительства и организаций. Количество патентов уменьшалось после 2017 года из-за того, что основные технические трудности были решены, но количество научных публикаций продолжало расти.

Исследования энергетического цикла с S-C02 проводились во многих странах. На Рисунке 1.4 показано количество научных публикаций по технологии использования S-C02 в циклах из разных стран мира. Видно, что наибольшее количество публикаций выполнено в США и Китае.

Рисунок 1.4 - Мировая статистика библиометрического анализа и обзор исследований, связанных с технологией использования S-CO2 в

циклах[156]

США, Европа, Япония, Южная Корея и другие страны провели исследования технологии использования S-CO2 для выработки электрической и тепловой энергии. Также стоит отметить, что в некоторых странах были разработаны опытные образцы и прототипы УГТУ.

В США некоторые национальные лаборатории и университеты сосредоточились на исследовании возможности применения технологии использования S-CO2 для выработки электрической и тепловой энергии. Значительный прогресс был достигнут в Массачусетском технологическом институте (MIT), Национальной лаборатории Айдахо (INL), Аргоннской национальной лаборатории (ANL), Лаборатории возобновляемых источников

энергии Министерства энергетики (NREL) и Национальной лаборатории Сандия ^№)[22, 98, 130]. На Рисунке 1.5 изображён экспериментальный стенд по исследованию цикла с S-C02 в SNL.

Рисунок 1.5 - Экспериментальный стенд по исследованию цикла с S-CO2 в

SNL[163]

MIT и INL совместно разработали систему с использованием S-CO2 для реактора с охлаждением из сплава свинец-висмут. MIT предложил новую конфигурацию цикла. ANL разработала систему с использованием S-CO2 мощностью 95-250 МВт для энергетического реактора на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем. SNL провела комплексный анализ эффективности и экономичности цикла с S-CO2, использующего различные источники теплоты, такие как ядерная, гелиотермальная, геотермальная энергия и пр.[22, 111]. Результаты показали, что цикл с S-CO2 имеет высокую эффективность и экономичность при низко-, средне- и высокотемпературных источниках теплоты.

Корейский институт передовых технологий (KAIST) разработал систему использования S-CO2 для малой модульной атомной электростанции, названной микромодульный реактор, которая может обеспечивать энергией отдалённые районы. Данная установка может транспортироваться по суше или по морю, что позволяет свести к минимуму строительство непосредственно на

местах эксплуатации [129]. На Рисунке 1.6 изображён концептуальный проект микромодульного реактора КАКТ.

Рисунок 1.6 - Концептуальные проекты микромодульного реактора

КЛ!8Т[137]

Как показано на Рисунке 1.6, габаритные размеры микромодульного реактора близки к стандартному 20-футовому контейнеру. В соответствии с проектной схемой установка может обеспечить тепловую мощность 36,2 МВт[22, 137].

В 2021 году в Китае был построен первый крупномасштабный испытательный стенд с S-CO2, который является полностью экологически чистым. Стенд успешно завершил 72-часовой пробный запуск и 8 декабря 2021 года был официально введён в эксплуатацию в городе Сиан. Рабочая мощность данной УГТУ составляет 5 МВт, что является самой высокой среди подобных установок. Стенд характеризуется 100-процентной локализацией основного оборудования и применением более 400 технологических патентов [164]. На Рисунке 1.7 изображён стенд с S-CO2 Сианьского научно-исследовательского института теплотехники (СНИИТ) мощностью 5 МВт.

Рисунок 1.7 - Стенд с S-C02 Сианьского научно-исследовательского института теплотехники мощностью 5 МВт [164]

УГТУ расположена на научно-исследовательской и промышленной базе СНИИТ площадью более 6000 квадратных метров. Проект, реализуемый китайской группой «HUANENG», был разработан СНИИТ после 7 лет исследований и разработок. Исследователи успешно решили множество технических проблем в области проектирования, производства оборудования, строительства, ввода в эксплуатацию, оптимизации работы и других аспектов. Также разработаны ключевые устройства, такие как котёл, теплообменник с вытравленными каналами, турбина, компрессор, сухие газовые уплотнения и другие ключевые устройства. Реализованы полная локализация и независимый контроль проектирования и производства оборудования [22, 164].

ООО НТЦ «Турбопневматик» был разработан первый в России углекислотный замкнутый газотурбинный двигатель (ЗГТД) мощностью 1,35 МВт. В 2020 году организация приступила к изготовлению предсерийной версии энергетической установки, которая использует инновационный двигатель внешнего сгорания с рабочим телом С02. ЗГТД предназначен для использования компримированных низконапорных газов на месторождениях с падающей добычей и утилизации продуктов сгорания газоперекачивающего агрегата. На Рисунке 1.8 представлен внешний вид ЗГТД мощностью 1,35 МВт, разработанный ООО НТЦ «Турбопневматик» [165].

Рама Узел компрессора

Рисунок 1.8 - Внешний вид ЗГТД мощностью 1,35 МВт, разработанный

ООО НТЦ «Турбопневматик»[165]

Основные технические характеристики работы ЗГТД представлены в Таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Основные технические характеристики ЗГТД [165]

№ Наименование Единица измерения Значение

1 Номинальная мощность на валу МВт 1,35

2 Максимальная мощность на валу МВт 1,5

3 Минимальная выходная мощность на валу МВт 0,3

4 Потребление электроэнергии на собственные нужды МВт 0,14

5 Эффективный КПД % 30,2

6 Расход топливного газа на номинальном режиме нм3/час 400

7 Номинальная частота вращения ротора турбокомпрессора Об/мин 26000

8 Ресурс до капитального ремонта Час 25000

9 Срок службы Год 30

Также стоит отметить, что другие российские исследователи опубликовали результаты исследования анализа цикла Аллама и цикла

бескомпрессорной парогазовой установки (ОИВТ)[72]. В ходе исследования были проанализированы два термодинамических цикла, их особенность заключается в возможности вывода С02 из цикла, что способствует декарбонизации в процессе преобразования энергии. Установки на основе цикла ОИВТ более универсальны, так как позволяют производить электрическую и тепловую энергию, а также выводить углекислый газ в жидком состоянии. Электрический КПД установки на основе цикла Аллама составляет 58,1%, а на основе цикла ОИВТ при работе в режиме когенерации - 45,5% при общей эффективности использования топлива 92,5%[38]. Результаты расчёта показали, что рассмотренные установки могут конкурировать с традиционными энергоустановками. Исследователями сделан вывод, что для успешного освоения этих инновационных циклов необходимо решить ряд научно-технических задач, включая создание высокоэффективного теплового регенератора и других компонентов.

1.2 Области применения углекислотных газотурбинных установок, сравнение с существующими тепловыми циклами, их недостатки и

преимущества

УГТУ представляет собой инновационное техническое решение, которое может быть эффективно применено в различных отраслях промышленности и энергетики. Основной областью применения таких установок является генерация электрической и тепловой энергии, что позволяет снизить выбросы вредных веществ и улучшить экологические показатели. Потенциальное применение УГТУ включает в себя отрасли, требующие высоких температур для технологических процессов, в частности, металлургию и химическую промышленность [22, 147].

В 2024 году автором зарегистрирован патент на полезную модель «Устройство на сверхкритическом диоксиде углерода для утилизации теплоты установки для выплавки алюминия» [19]. Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к устройствам, предназначенным для

утилизации теплоты промышленных установок, и может быть использована в металлургической промышленности. Технический результат заявляемой полезной модели заключается в увеличении КПД устройства и снижении экологической нагрузки.

Также стоит отметить, что УГТУ могут быть интегрированы в системы централизованного отопления крупных населённых пунктов, обеспечивая эффективное и экологически безопасное теплоснабжение.

Технология выработки электрической и тепловой энергии с применением УГТУ является экологически чистой, эффективной, экономичной и может быть объединена с различными существующими видами источников теплоты, такими как ядерная энергия, солнечная энергия, геотермальная энергия и отработанное тепло [99, 121, 156]. Потенциальные направления применения УГТУ представлены на Рисунке 1.9.

Генерация тепла из

Рисунок 1.9 - Потенциальные направления применения УГТУ [22]

Перспективной областью внедрения УГТУ выступают различные транспортные системы, включая железнодорожный и морской транспорт, что потенциально способствует снижению вредных выбросов и повышению энергоэффективности транспортных систем. Также УГТУ обладают потенциалом, связанным с их применением в космической отрасли, в частности, для энергогенерации на орбитальных станциях и в системах жизнеобеспечения, что обеспечит эффективное преобразование энергии и снизит зависимость от традиционных источников энергоснабжения. Однако применение УГТУ в этих сферах обусловлено специфическими требованиями и особенностями, не рассматриваемыми в текущих обзорных исследованиях.

В представленном ниже разделе содержится описание ряда примеров применения УГТУ с широко исследованными и ресурсоемкими источниками теплоты, а также приведены результаты аналитического исследования различных вариантов их интеграции.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Гун Бовэнь, 2025 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Абианц В. Х. Теория авиационных газовых турбин: учебное пособие / В. Х. Абианц, Машиностроение, 1979. 246 с.

2. Абреков А. Н., Вараксин А. Ю., Иванов В. Л. [и др.]. под ред. В. А. Ю. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок: учебник для вузов // Москва: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2017.

3. Алешина А.С., Барсков В.В., Гун Бовэнь [и др.] Современное состояние углекислотных тепловых машин, работающих по циклам Аллама и Брайтона // Турбины и дизели. 2024. № 4 (115). C. 34-39.

4. Арсеньев Л.В. Экспериментальное исследование малорасходных турбин с малым углом выхода потока из соплового аппарата и большим относительным шагом лопаток рабочего колеса: Отчет // Ленингр. политехн. ин-т. 1988.

5. Барсков В. В. Выбор параметров и обоснование конструктивной схемы малогабаритной газотурбинной установки с независимым соотношением частот вращения роторов турбины и компрессора: дисс. ... кандидата технических наук: 05.04.12. 2017.

6. Барсков В. В. Научные основы цифровых двойников многотопливных газотурбинных установок с внешним подводом теплоты: дисс. . доктора технических наук: 2.4.7. 2023.

7. Барсков В.В. [и др.]. Разработка методики испытаний малорасходных проточных частей турбины и компрессора // Вестник Брянского Государственного Технического Университета. 2016. № 1 (49). C. 9-15.

8. Боровков А. И., Рябов Ю. А., Гамзикова А. А. Типологизация цифровых двойников (Digital Twins) / // Кластеризация цифровой экономики: Глобальные вызовы: Сборник трудов национальной научно-практической конференции с зарубежным участием. В 2-х томах, Санкт-Петербург, 18-20 июня 2020 года / Под редакцией Д.Г. Родионова, А.В. Бабкина. СПб: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС. 2020. C. 473-482.

9. Боровков А. И., Рябов Ю. А., Кукушкин К. В. [и др.] Цифровые двойники и цифровая трансформация предприятий ОПК // Восточно-Сибирской Открытой Академии. - 2019. - № 32. - С. 2.

10. Виноградов Л. В. Исследование сверхзвуковых осесимметричных сопел и аппаратов турбины: дисс. ... кандидата технических наук: 1975.

11. Головин Н. М. Принципы построения многоступенчатых малорасходных турбин: дисс. ... кандидата технических наук: 05.04.12. 1998.

12. Гринкруг Л. С. Выбор параметров сверхзвуковых тепловых турбин с большим относительным шагом лопаток рабочего колеса на основе экспериментальных и теоретических исследований: дисс. . кандидата технических наук: 1985.

13. Гринкруг Л. С., Кириллов И. И., Рассохин В. А. Аэродинамическое совершенствование проточных частей перспективных паровых и газовых турбин. Экспериментальное исследование решеток с большим относительным шагом. Отчёт о НИР, т.323152.Л. 1984.

14. Гун Бовэнь Модернизация газотурбинных двигателей 6F.03 путем применения утилизационной турбины, работающей на рабочем теле СО2: выпускная квалификационная работа магистра: 13.04.03: защищена 01.07.2021:

- СПб. СПБ, 2021.

15. Гун Бовэнь Применение диоксида углерода в сверхкритическом цикле Брайтона в гелиотермальной энергетике // Возобновляемая энергия планеты: Сборник материалов II Всероссийского конкурса студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием, Москва, 26 мая - 03 2022 года.

- Москва: Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана. 2022. С. 49-54.

16. Гун Бовэнь [и др.]. Аналитическое исследование тепловых схем утилизационных паро- и газотурбинных установок, применяемых для достижения углеродной нейтральности // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. - 2024. - № 8(773). - С. 83-93.

17. Гун Бовэнь [и др.]. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2025683069 Российская Федерация. Программа для исследования и расчета термических показателей газотурбинных установок, работающих по замкнутому циклу Брайтона: заявл. 29.08.2025: опубл. 29.08.2025.

18. Гун Бовэнь [и др.]. Особенности расчета центробежных компрессоров для турбоустановок, работающих на углекислотном рабочем теле // Газовая промышленность. - 2022. - № 4(831). - С. 82-87.

19. Гун Бовэнь, Барсков В.В., Рассохин В.А. [и др.] Патент на полезную модель № 227620 и1 Российская Федерация, МПК F01K 25/10, F01D 15/10. Устройство на сверхкритическом диоксиде углерода для утилизации теплоты установки для выплавки алюминия : № 2024112492 : заявл. 07.05.2024 : опубл. 29.07.2024.

20. Гун Бовэнь, Избяков Н. С., Барсков В. В. [и др.] Модернизация экспериментального стенда с целью валидации численного моделирования сверхкритического диоксида углерода на воздух в качестве рабочего тела для турбомашин // Глобальная энергия. - 2024. - Т. 30, № 3. - С. 7-22. .

21. Гун Бовэнь, Рассохин В.А., Барсков В.В. Применение сверхкритического диоксида углерода в цикле Брайтона в ядерных реакторах следующего поколения // Сборник материалов и докладов Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 80-летнему юбилею института Энергомашиностроения и механики НИУ «МЭИ». 2024. С. 207-210.

22. Гун Бовэнь, Рассохин В.А., Барсков В.В. [и др.] Принципы создания турбоустановок малой и средней мощности, работающих на сверхкритическом диоксиде углерода // Газовая промышленность. 2023. № 10 (856). С. 42-45.

23. Гун Бовэнь, Хуа Лунь[и др.] Применение диоксида углерода в качестве рабочего тела для одноступенчатой радиально-осевой турбины // Теплоэнергетика. - 2025. - № 3. - С. 5-13.

24. Епифанов А. А. Численное моделирование трехмерного течения в решетках и ступенях малорасходных турбин ЛПИ: дисс. ... кандидата технических наук: 2012.

25. Епифанов А. А., Кириллов А. И., Рассохин В. А. Расчет трехмерного течения в ступенях малорасходных турбин // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. . 2012. № 1 (142). С. 65-70.

26. Забелин Н. А. [и др.]. Малорасходная турбина в установках для автономного энергоснабжения газораспределительных пунктов // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 2014. № 4 (207). С. 40-49.

27. Забелин Н. А. [и др.]. Применение малорасходных турбин конструкции ЛПИ в автономных источниках электрической энергии для газораспределительных станций магистральных газопроводов // Энергетик. 2015. № 9. С. 50-55.

28. Забелин Н. А. Методологические основы создания утилизационных турбинных установок, использующих теплоту уходящих газов газоперекачивающих станций: дисс. ... доктора технических наук: 2.4.7. 2023.

29. Забелин Н. А. [и др.]. История создания совершенствования малорасходных турбин // Международный научно-исследовательский журнал. 2014. № Часть 1. 2014. № 5 (24). С. 106-113.

30. Забелин Н. А., Раков Г. Л., Рассохин В. А. [и др.] Исследование особенностей течения в малорасходных турбинных ступенях конструкции ЛПИ // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 2013. № 1 (166). С. 45-53.

31. Зарянкин А.Е. Ш. А. Н. Радиально-осевые турбины малой мощности // М.: Машгиз. 1963. С. 249.

32. Избяков Н. С., Гун Бовэнь, Барсков В. В. Рассмотрение актуальных тепловых схем цикла Брайтона со сверхкритическим диоксидом углерода // Бутаковские чтения: Сборник статей III Всероссийской с международным

участием молодёжной конференции, Томск, 12-14 декабря 2023 года. - Томск: Национальный исследовательский Томский политехнический университет. 2023. С. 397-400.

33. Кириллов И. И. Газовые турбины и газотурбинные установки: учебное пособие / И. И. Кириллов, Машгиз, 1956. 168 с.

34. Кириллов И. И. Экспериментальное исследование решеток профилей с большим относительным шагом: Отчет // Ленингр. политехн. ин-т. 1984.

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

36. Кириллов И. И. [и др.]. К расчету эффективности радиально-осевой турбины // Изв.вузов. Энергетика. 1988. № 10. С. 66-69.

37. Кириллов И. И. [и др.]. Обобщение исследований по экономичности радиальных турбин. // Депон. в ЦНИИТЭИ тяжмаш. 1988. № 21.

38. Косой А.С., Косой А.А., Попель О.С. [и др.] Эксергетический анализ новых термодинамических циклов с улавливанием диоксида углерода // Теплоэнергетика. 2023. № 7. С. 29-50.

39. Костюк А.Г. Ф. В. В. , Б. А. Е. , Т. А. Д. Паровые и газовые турбины для электростанций: учебник для вузов // Издательский дом МЭИ. 2008. С. 556.

40. Котлов Д. А., Рассохин В. А. Сравнительный анализ методик расчета малорасходных центростремительных турбин // Неделя Науки СПбГПУ: Материалы научно-практической конференции с международным участием, Санкт-Петербург, 02-07 декабря 2013 года / Институт энергетики и транспортных систем. Том Часть 2. - Санкт-Петербург: СПбГПУ. 2014. С. 5961.

41. Куприянов О. Е. Разработка и исследование рабочих решеток профилей конструкций ЛПИ с большим относительным шагом 1988.

42. Ланговой С.М. С. Н. Д. Выбор параметров и газодинамический расчет радиально-осевых турбин на ЭВМ 1989. С. 55.

43. Лапшин К. Л. Теория турбомашин // Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великог. 2016.

44. Лашко В.А., Пассар А. В. Выбор инструментария для расчета радиально-осевых турбин, работающих в условиях нестационарного потока // Вестник ТОГУ. 2007. № 4 (7).

45. Манушин Э.А. М. В. Е. , Ч. А. П. . Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок // Машиностроение. 1977. С. 447.

46. Матвеев Ю. В Совершенствование малорасходных турбин конструкции ЛПИ для турбодетандерных электроустановок газораспределительных станций на основе экспериментальных методов: дисс. ... кандидата технических наук: // СПГПУ. 2012. С. 172.

47. Пассар А. В. Разработка метода проектирования проточных частей радиально-осевой турбины комбинированного двигателя внутреннего сгорания: дисс. ... кандидата технических наук: 05.04.02. 2009.

48. под ред. А. И. Боровкова Цифровые двойники в высокотехнологичной промышленности: монография // - СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2022. - 492 с.

49. Прокопенко Н. И. Основы теории тепловых процессов и машин: часть 1 // М.: БИНОМ. 2009. С. 560.

50. Прокопенко Н.И. Основы теории тепловых процессов и машин: часть 2. // М.: БИНОМ, . 2009. С. 571.

51. Прохоров А., Лысачев М., Научный редактор профессор Боровков А. Цифровой двойник. Анализ, тренды, мировой опыт. Издание первое, исправленное и дополненное. // - М.: ООО «АльянсПринт», 2020. - 401 стр., ил.

52. Пряхин В. В., Павловский А.3. Экспериментальное исследование соотношения площадей сопловой и рабочей решеток сверхзвуковых ступеней // Теплоэнергетика. 1970. № 1. С. 81-83.

53. Раков Г. Л. Аэродинамическое совершенствование малорасходных турбин: дисс. ... кандидата технических наук: 1982.

54. Рассохин В. А. [и др.]. Исследование и разработка малорасходных турбин новых кинематических схем с большим относительным шагом лопаток рабочих колес // Труды ЛПИ. 1988. № 426. С. 22-33.

55. Рассохин В. А. Разработка и исследование рабочих решеток профилей конструкции ЛПИ с большим относительным шагом. Отчет // Ленингр.политехн. ин-т. 1989.

56. Рассохин В. А. Методология создания высокоэффективных турбин с большим относительным шагом лопаток для автономных энергосиловых установок: дисс. ... доктора технических наук: // - Л.: - ЛПИ. 1991.

57. Рассохин В. А. [и др.]. Стенд для исследования высокотемпературных малоразмерных турбин // Л.: ЛенЦНТИ. № 927-78.

58. Рассохин В. А., Барсков В. В., Алешина А. С. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2 2023610187 Российская Федерация. Программа расчёта и выбора диапазонов изменения основных термодинамических, режимных и геометрических параметров сверхзвуковых турбин при заданных мощности или расходе рабочего тела (TURBO 3) : № 2022685889 : заявл. 23.12.2022 : опубл. 09.01.2023 // 2023.

59. Рассохин В. А., Барсков В. В., Ядыкин В. К. [и др.] Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2 2019663503 Российская Федерация. Программа расчёта малорасходных одноступенчатых турбин конструкции ЛПИ осевого и радиального типа (ONE1) : №2 2019662301 : заявл. 08.10.2019: опубл. 17.10.2019 // 2019.

60. Рассохин В. А., Барсков В. В., Ядыкин В. К. [и др.] Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2 2022610030 Российская Федерация. Программа расчёта малорасходных одноступенчатых турбин конструкции ЛПИ с осесимметричными соплами осевого типа (ONE CONIC) : № 2021681588 : заявл. 23.12.2021 : опубл. 10.01.2022 // 2022.

61. Рассохин В. А., Кириллов И. И., Гринкруг Л. С. Оптимальный относительный шаг турбинных решеток // Рукопись представлена Ленингр. политехн. ин-том. Деп. в НИИЭинформэнергомаш 28 мая 1985. 1985. № 267.

62. Рассохин В. А., Кириллов И. И., Приеменко С. Б. Исследование малорасходных высокоперепадных центростремительных турбин с малым углом выхода потока из соплового аппарата. // Тез. докл. науч.-техн. конф.

Повышение эффективности и надежности судовых энергетических установок. 17-18 апреля 1985г. Владивосток. 1985. С. 63-64.

63. Рассохин В. А., Оленников С. Ю., Гринман М. И. [и др.] Патент № 2338885 С1 Российская Федерация, МПК F01D 1/04. малорасходная турбина: № 2007114012/06: заявл. 05.04.2007: опубл. 20.11.2008 // 2008.

64. Рассохин В. А., Раков Г. Л., Никитенко Е.Л. Экспериментальный стенд для исследований малорасходных турбин при высоких степенях расширения // Л.: ЛенЦНТИ. № 423-90.

65. Рассохин В. А., Счисляев С. М., Шанин С. Н. Безлопаточная малорасходная турбина // Л.: ЛенЦНТИ. № 1090-86.

66. Рассохин В. А., Счисляев С. М., Шанин С. Н. Стенд для исследования высокотемпературных малоразменых турбин, работающих на запыленных потоках // Л.: ЛенЦНТИ. № 1110-86.

67. Рассохин В. А., Счисляев С. М., Шемагин А. К. Новый экспериментальный стенд // Л.: ЛенЦНТИ. № 85-80 НТД.

68. Розенберг Г.Ш. Центростремительные турбины судовых установок // Л.: Судостроение. 1973. С. 216.

69. Ромахова Г. А. Газотурбинные установки электростанций // СПб. 2008. С. 45-63.

70. Сайченко А. С. Расчетное и экспериментальное аэродинамическое исследование паровой турбины с органическим рабочим телом: дисс. . кандидата технических наук: 05.04.12. 2018.

71. Симашов Р. Р. Математическое моделирование и оптимизация многорежимных парциальных малорасходных турбин в составе автономных энергетических установок: дисс. . кандидата технических наук: 1996.

72. Синкевич М.В., Борисов Ю.А., Косой А.А.[и др.] Анализ условий работы системы рекуперации и утилизации тепла бескомпрессорных парогазовых установок // Омский научный вестник. Серия «Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение». 2019. № 3.

73. Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей / Скубачевский Г.С., 1974. 322 с.

74. Топунов А. М. Теория судовых турбин // Л.: Судостроение. 1985. С. 472.

75. Фершалов Ю. Я. Совершенствование сверхзвуковых осевых малорасходных турбин: дисс. ... кандидата технических наук: 05.08.05. 2000.

76. Холщевников К. В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин // М.: Машиностроение, 1970. - 610 с. 56. Шенк, Х. Теория инженерного эксперимента: учебное пособие. 1972. С. 381.

77. Цанев С.В. Б. В. Д. ,Ремезов А. Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций // учебное пособие для вузов. - 3-е изд., стереот. -М.: Издательский дом МЭИ. 2009. С. 584.

78. Черкасова М. Г., Рассохин В. А., Раков Г. Л. Расчетное исследование микротурбинных установок с малорасходными турбинами конструкции ЛПИ для утилизации теплоты уходящих газов двигателей внутреннего сгорания // Материалы научно-практической конференции. Институт энергетики и транспортных систем СПбПУ, Санкт-Петербург, 01-06 декабря 2014 года. Том Часть 2. - Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. 2015. С. 97-101.

79. Чехранов С. В. Малорасходные турбины безвентиляционного типа: Основы построения, математические модели, характеристики и обобщения: дисс. ... доктора технических наук : 05.04.12. // - [Б.м.]. 1999.

80. Шанин С. Н. Разработка и исследование малорасходных турбин, работающих на газопылевых потоках, с целью повышения эффективности и ресурса: дисс. ... кандидата технических наук: 1987.

81. Шемагин А. Н. Аэродинамическое совершенствование малорасходных тепловых турбин: дисс. ... кандидата технических наук: 1980.

82. Шерстюк А. Н., Зарянкин А. Е. Радиально-осевые турбины малой мощности // Машиностроение-е изд., М. 1976.

83. Шестаков Д. С., Солнцев Д. М. Газодинамический расчет турбокомпрессора для наддува двигателя внутреннего сгорания: учебно-

методическое пособие // М-во науки и высш. образов. РФ.г. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та. 2021.

84. Щеколдин А. В. Исследование и совершенствование сверхзвуковых ступеней скорости с осесимметричными сверлеными каналами соплопвых решеток дисс. ... кандидата технических наук: // 1971.

85. Юсупов Э. И. Исследование некоторых методов повышения КПД одновенечных сверхзвуковых парциальных турбин: дисс. ... кандидата технических наук: 1970.

86. Яглинский Б. А. Охлаждение рабочих лопаток большого относи тельного шага с целью создания высокотемпературных малорасходных турбин: дисс. ... кандидата технических наук: // Ленингр. поли- техн. ин-т. Л. 1982.

87. Яглинский Б. А., Куприянов О. Е. Технология изготовления и дренирования тонкостенных турбинных лопаток с большим относительным шагом // Л.: ЛенЦНТИ. 1988.

88. Abaza M. A. [и др.]. 10 MW Concentrated Solar Power (CSP) plant operated by 100% solar energy: Sizing and techno-economic optimization // Alexandria Engineering Journal. 2020. № 1 (59). C. 39-47.

89. Allam R. [и др.]. Demonstration of the Allam Cycle: An Update on the Development Status of a High Efficiency Supercritical Carbon Dioxide Power Process Employing Full Carbon Capture // Energy Procedia. 2017. (114). C. 59485966.

90. Arsalis A., Alexandrou A. N., Georghiou G. E. Thermoeconomic modeling of a small-scale gas turbine-photovoltaic-electrolyzer combined-cooling-heating-and-power system for distributed energy applications // Journal of Cleaner Production. 2018. (188). C. 443-455.

91. Atif M., Al-Sulaiman F. A. Energy and exergy analyses of solar tower power plant driven supercritical carbon dioxide recompression cycles for six different locations // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017. (68). C. 153-167.

92. Bi C., Han D., Yang J. The frequency perturbation method for predicting dynamic coefficients of supercritical carbon dioxide lubricated bearings // Tribology International. 2020. (146). C. 106256.

93. Cha J. E. [h gp.]. 500 kW supercritical CO2 power generation system for waste heat recovery: System design and compressor performance test results // Applied Thermal Engineering. 2021. (194).

94. Chen R. [h gp.]. Analysis and optimization the size of heliostat field and thermal energy storage for solar tower power plants // Energy Procedia. 2019. (158). C. 712717.

95. Chen R., Rao Z., Liao S. Determination of key parameters for sizing the heliostat field and thermal energy storage in solar tower power plants // Energy Conversion and Management. 2018. (177). C. 385-394.

96. Cheng K. [h gp.]. Power optimization and comparison between simple recuperated and recompressing supercritical carbon dioxide Closed-Brayton-Cycle with finite cold source on hypersonic vehicles // Energy. 2019. (181). C. 1189-1201.

97. Cho S. K. [h gp.]. Optimum loss models for performance prediction of supercritical CO2 centrifugal compressor // Applied Thermal Engineering. 2021. (184).

98. Conboy T., Pasch J., Fleming D. Control of a Supercritical CO2 Recompression Brayton Cycle Demonstration Loop // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2013. № 11 (135).

99. Crespi F. [h gp.]. Supercritical carbon dioxide cycles for power generation: A review // Applied Energy. 2017. (195). C. 152-183.

100. Dostal V. [h gp.]. Supercritical CO2 cycle for fast gas-cooled reactors // Proceedings of the ASME Turbo Expo 2004. 2004. (7). C. 683-392.

101. Dostal V., Hejzlar P., Driscoll M. J. The supercritical carbon dioxide power cycle: Comparison to other advanced power cycles // Nuclear Technology. 2006. № 3 (154). C. 283-301.

102. Du Y., Tian G., Pekris M. A comprehensive review of micro-scale expanders for carbon dioxide related power and refrigeration cycles // Applied Thermal Engineering. 2022. (201). C. 117722.

103. Ertas B. Additively Manufactured Compliant Hybrid Gas Thrust Bearing for Supercritical Carbon Dioxide Turbomachinery: Design and Proof of Concept Testing // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2021. № 8 (143).

104. Fleming D. D. [h gp.]. SANDIA REPORT Scaling Considerations for a MultiMegawatt Class Supercritical CO2 Brayton Cycle and Commercialization.

105. Gavagnin G. [h gp.]. Optimum design and performance of a solar dish microturbine using tailored component characteristics // Applied Energy. 2018. (231). C. 660-676.

106. Hacks A., Brillert D. Turbomachine Operation with Magnetic Bearings in Supercritical Carbon Dioxide Environment // International Journal of Turbomachinery, Propulsion and Power. 2022. (7). C. 18.

107. Hejzlar M. J., Driscoll Aerodynamic Design of Turbomachinery for 300 MWe Supercritical Carbon Dioxide Brayton Power Conversion System.

108. HU M. [h gp.]. Digital twin model of gas turbine and its application in warning of performance fault // Chinese Journal of Aeronautics. 2023. №2 3 (36). C. 449-470.

109. Huang G. [h gp.]. Experiments on a small-scale axial turbine expander used in CO2 transcritical power cycle // Applied Energy. 2019. (255).

110. Huang G. [h gp.]. Development and experimental study of a supercritical CO2 axial turbine applied for engine waste heat recovery // Applied Energy. 2020. (257).

111. Iverson B. D. [h gp.]. Supercritical CO2 Brayton cycles for solar-thermal energy // Applied Energy. 2013. (111). C. 957-970.

112. Jarungthammachote S. Thermodynamic investigation of intercooling location effect on supercritical CO2 recompression Brayton cycle // Journal of Mechanical Engineering and Sciences. 2021. № 3 (15). C. 8262-8276.

113. Khatoon S., Kim M. H. Preliminary design and assessment of concentrated solar power plant using supercritical carbon dioxide Brayton cycles // Energy Conversion and Management. 2022. (252). C. 115066.

114. Kim D., Baik S., Lee J. Investigation of Magnetic Journal Bearing Instability Issues in Supercritical CO2 Turbomachinery / D. Kim, S. Baik, J. Lee, 2019.

115. Kim D., Baik S., Lee J. Instability Study of Magnetic Journal Bearing under S-CO2 Condition // Applied Sciences. 2021. (11). C. 3491.

116. Kim M. H., Pettersen J., Bullard C. W. Fundamental process and system design issues in CO2 vapor compression systems // Progress in Energy and Combustion Science. 2004. № 2 (30). C. 119-174.

117. Leonid Moroz [и др.]. Application of Digital Twin Concept for Supercritical CO2 Off-Design Performance and Operation Analyses. // Application of Digital Twin Concept for Supercritical CO2 Off-Design Performance and Operation Analyses.

118. Li M. J. [и др.]. The investigation of thermo-economic performance and conceptual design for the miniaturized lead-cooled fast reactor composing supercritical CO2 power cycle // Energy. 2019. (173). C. 174-195.

119. Li Z. [и др.]. RESEARCH OF SUPERCRITICAL CARBON DIOXIDE THERMAL POWER SYSTEM BASED ON LEAD-COOLED FAST REACTOR // International Conference on Nuclear Engineering, Proceedings, ICONE. 2022. (7-A).

120. Li Z. [и др.]. Supercritical Carbon Dioxide Turbine Design and Arrangement Optimization // Frontiers in Energy Research. 2022. (10).

121. Liu Y., Wang Y., Huang D. Supercritical CO2 Brayton cycle: A state-of-the-art review // Energy. 2019. Т. 189.

122. Liu Z. [и др.]. A review of hydrostatic bearing system: Researches and applications // Advances in Mechanical Engineering. 2017. (9). C. 168781401773053.

123. Luo D. [и др.]. The design and analysis of supercritical carbon dioxide centrifugal turbine // Applied Thermal Engineering. 2017. (127). C. 527-535.

124. MarcJacobs P. domain, via W. C. Carbon dioxide pressure-temperature phase diagram [Электронный ресурс]. URL:

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Carbon_dioxide_pressure-temperature_phase_diagram.jpg (дата обращения: 21.08.2023).

125. Marsily G. de An overview of the world's water resources problems in 2050 // Ecohydrology & Hydrobiology. 2007. № 2 (7). C. 147-155.

126. Mehdi S., Kim T. Computational Model Development for Hybrid Tilting Pad Journal Bearings Lubricated with Supercritical Carbon Dioxide // Applied Sciences. 2022. (12). C. 1320.

127. Mohammadi Z., Fallah M., Mahmoudi S. M. S. Advanced exergy analysis of recompression supercritical CO2 cycle // Energy. 2019. (178). C. 631-643.

128. Moisseytsev A., Sienicki J. J. Investigation of alternative layouts for the supercritical carbon dioxide Brayton cycle for a sodium-cooled fast reactor // Nuclear Engineering and Design. 2009. № 7 (239). C. 1362-1371.

129. Oh B. S. [и др.]. Controllability of S-CO2 power system coupled small modular reactor with improved compressor design // Applied Thermal Engineering. 2021. (192).

130. Pasch J. [и др.]. SANDIA REPORT Supercritical CO 2 Recompression Brayton Cycle: Completed Assembly Description.

131. Petroski R. [и др.]. Design of a direct-cycle supercritical CO2 nuclear reactor with heavy water moderation // Nuclear Engineering and Technology. 2022. № 3 (54). C. 877-887.

132. Pham H. S. [и др.]. Mapping of the thermodynamic performance of the supercritical CO2 cycle and optimisation for a small modular reactor and a sodium-cooled fast reactor // Energy. 2015. (87). C. 412-424.

133. Saeed M., Kim M. -H. Thermal and hydraulic performance of SCO2 PCHE with different fin configurations // Applied Thermal Engineering. 2017. (127). C. 975985.

134. Sathish S., Kumar P., Nassar A. Analysis of a 10 MW recompression supercritical carbon dioxide cycle for tropical climatic conditions // Applied Thermal Engineering. 2021. (186).

135. Shi D., Xie Y. Aerodynamic optimization design of a 150 kW high performance supercritical carbon dioxide centrifugal compressor without a high speed requirement // Applied Sciences (Switzerland). 2020. № 6 (10).

136. SI H., CAO L., Chen D. Dynamic characteristics of supercritical carbon dioxide (SCO2) seal influenced by multiple factors // Tribology International. 2021. (162). C. 107131.

137. Son S. [и др.]. Radionuclide transport in a long-term operation supercritical CO2-cooled direct-cycle small nuclear reactor // International Journal of Energy Research. 2020. № 5 (44). C. 3905-3921.

138. Song J. [и др.]. Performance improvement of a preheating supercritical CO2 (S-CO2) cycle based system for engine waste heat recovery // Energy Conversion and Management. 2018. (161). C. 225-233.

139. Surovcev I., Arbekov A. Применение сверхкритических углекислотных циклов в установках по утилизации промышленной теплоты // Science and Education of the Bauman MSTU. 2013. № 02 (13).

140. T. Torigoe, Y. Okajima, I. Oka- da Development of the Advanced TBC for High Efficiency Gas Turbine // Materials Science Forum. 2017. № 879. C. 19801986.

141. Thatte A. [и др.]. Performance and Life Characteristics of Hybrid Gas Bearing in a 10 MW Supercritical CO2 Turbine / A. Thatte, A. Loghin, Y. Shin, B. Ananthasayanam, 2016. V009T36A018 c.

142. Vaclav Dostal by, Coderre J. A. A Supercritical Carbon Dioxide Cycle for Next Generation Nuclear Reactors Certified by A Chairman, Department Committee on Graduate Students. 2000.

143. Vivaldi D. [и др.]. Modelling of a CO2-gas jet into liquid-sodium following a heat exchanger leakage scenario in Sodium Fast Reactors // Chemical Engineering Research and Design. 2013. № 4 (91). C. 640-648.

144. Wang J. [и др.]. Energy, exergy, exergoeconomic and environmental (4E) analysis of a distributed generation solar-assisted CCHP (combined cooling, heating and power) gas turbine system // Energy. 2019. (175). C. 1246-1258.

145. Wang W., Liu Y., Jiang P. Numerical investigation on influence of real gas properties on nonlinear behavior of labyrinth seal-rotor system // Applied Mathematics and Computation. 2015. (263). C. 12-24.

146. Wang X., Dai Y. Exergoeconomic analysis of utilizing the transcritical CO2 cycle and the ORC for a recompression supercritical CO2 cycle waste heat recovery: A comparative study // Applied Energy. 2016. (170). C. 193-207.

147. White M. T. [h gp.]. Review of supercritical CO2 technologies and systems for power generation // Applied Thermal Engineering. 2021. (185).

148. Wright S. [h gp.]. Supercritical CO2 direct cycle Gas Fast Reactor (SC-GFR) concept // ASME 2011 Small Modular Reactors Symposium, SMR 2011. 2011.

149. Xie M. [h gp.]. Techno-economic and environmental assessment of a novel co-generation system integrating heat pump with Allam cycle // Energy Conversion and Management. 2023. (277). C. 116606.

150. Xu F., Kim D. Three-Dimensional Turbulent Thermo-Elastohydrodynamic Analyses of Hybrid Thrust Foil Bearings Using Real Gas Model / F. Xu, D. Kim, 2016. V07BT31A030 c.

151. Xu H. [h gp.]. The optimization for the straight-channel PCHE size for supercritical CO2 Brayton cycle // Nuclear Engineering and Technology. 2021. № 6 (53). C. 1786-1795.

152. Xu J. [h gp.]. Economic comparison between sCO2 power cycle and water-steam Rankine cycle for coal-fired power generation system // Energy Conversion and Management. 2021. (238). C. 114150.

153. Xue Q. [h gp.]. Thermal hydraulic design and mass optimization of a 100-kWe S-CO2 cooled Mars-surface fission reactor system // Annals of Nuclear Energy. 2023. (190). C. 109893.

154. Yang H. J. [h gp.]. Evaluation of Design Performance of the Semi-Closed Oxy-Fuel Combustion Combined Cycle // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2012. № 11 (134).

155. Yi S. [и др.]. Thermoelastohydrodynamic turbulent lubrication of supercritical carbon dioxide tilting pad bearing considering surface topography // Physics of Fluids. 2025. (37).

156. Yu A. [и др.]. Recent trends of supercritical CO2 Brayton cycle: Bibliometric analysis and research review // Nuclear Engineering and Technology. 2021. Т. 53. № 3. C. 699-714.

157. Yu J. [и др.]. The asymmetric nexus of solar energy and environmental quality: Evidence from Top-10 solar energy-consuming countries // Energy. 2022. C. 123381.

158. Yuan H. [и др.]. Numerical modeling of supercritical carbon dioxide flow in see-through labyrinth seals // Nuclear Engineering and Design. 2015. (293). C. 436446.

159. Yuan T. [и др.]. Thermal characteristics and cooling effect for SCO2 dry gas seal with multiple dynamic groove types // Applied Thermal Engineering. 2024. (236). C. 121896.

160. Zhang R. [и др.]. Thermodynamic analysis and parametric optimization of a novel S-CO2 power cycle for the waste heat recovery of internal combustion engines // Energy. 2020. (209). C. 118484.

161. Zhang W.-F. [и др.]. Comparison of leakage performance and fluid-induced force of turbine tip labyrinth seal and a new kind of radial annular seal // Computers & Fluids. 2014. (105). C. 125-137.

162. REFPROP | NIST [Электронный ресурс]. URL: https://www.nist.gov/srd/refprop (дата обращения: 10.10.2021).

163. Sandia National Laboratories [Электронный ресурс]. URL: https://www.sandia.gov/ (дата обращения: 21.05.2023).

164. CHINA HUANENG GROUP [Электронный ресурс]. URL: https: //www.chng.com.cn/detail_cygs/-/article/Z 1 xDkiiMZwaW/v/774310.html (дата обращения: 03.05.2023).

165. ООО НТЦ «Турбопневматик» [Электронный ресурс]. URL: https://rdturbo.ru/ (дата обращения: 15.02.2025).

166. Generation IV International Forum (GIF) [Электронный ресурс]. URL: https://www.gen-4.org/ (дата обращения: 19.03.2023).

167. Concentrating Solar Power Projects | NREL [Электронный ресурс]. URL: https://solarpaces.nrel.gov/ (дата обращения: 09.02.2022).

168. China Economic Information Network [Электронный ресурс]. URL: https://www.huaon.com/ (дата обращения: 11.03.2023).

169. NetPower [Электронный ресурс]. URL: https://netpower.com/ (дата обращения: 20.04.2024).

Приложение А. Эскизные чертежи турбины конструкции ЛПИ

(а) Эскизный чертёж СА турбины конструкции ЛПИ

(б) Эскизный чертёж РК турбины конструкции ЛПИ

Приложение Б. Методика обработки опытных данных при определении основных газодинамических характеристик радиально-осевой турбины

Обработка данных проводится в следующей последовательности: 1. Статическое давление за турбиной:

Р4

(Б1)

где п - количество дренажных отверстий на моментомере.

2. Степень расширения в турбине:

Ът = Рз/Р4

3. Располагаемый перепад энтальпий в турбине:

кГ-1

^т = СД3[1-(1/^) ], [Дж/кг].

4. Условная скорость, соответствующая перепаду энтальпий на ступень:

С0 = [м/с].

5. Угловая скорость вращения ротора индукторного тормоза:

^ = ЯП//30, [с-1].

6. Момент на валу тормоза:

М; = Рт1т, [Нм].

7. Мощность, развиваемая турбиной:

^ = М^, [Ят].

8. Внутренний КПД ступени:

^т = М//(^0г).

9. Характеристическое число:

и/Со = яЙ1Срп//(60Со).

10. Статическое давление в зазоре между СА и РК:

п

Р1т = (/ Р^)/^ = (^Р1!)/и, [Па].

(Б.2)

(Б3)

упень (Б.4)

(Б5) (Б.6) (Б.7) (Б8) (Б.9)

(Б10)

1=1

11. Термодинамическая степень реактивности:

Р =

'Р1Л кг о

Роз

ег-Г

рЛ кг

чРз.

£Г-Г

1-'к ,Г

(Б .11)

12. Момент количества движения потока за РК, измеренный моментомером:

М2и = Рм1м,[Нм]. (Б.12)

13. Осевая составляющая скорости за РК:

Сп, =

СТр4^РК + 2 с тТ; -

СГр4^РК +

2М1ш1 М2и

А у,2 п2 ' 2с рСЕ

, [м/с], (Б.13)

где Р2рк[м2] - торцевая площадь решётки РК на выходе, г2 ср [м] - радиус решётки РК на выходе.

14. Окружная составляющая абсолютной скорости на выходе из РК:

С2и = М2и/(СЕГ2ср),[м/с]. (Б.14)

15. Абсолютная скорость на выходе из РК:

с2=£2и+2лм/с]. (Б.15)

16. Угол выхода потока из ступени в абсолютном движении:

а2 = агад(с2Е/с2и), [град]. (Б.16)

17. Окружная скорость на выходе из РК:

Щ = пг2срЩ/Ъ0, [м/с]. (Б.17)

18. Окружная составляющая относительной скорости на выходе из РК:

™2и = С2и-П2,[м/с]. (Б.18)

19. Скорость выхода потока из РК в относительном движении:

™2=^с?2: + и?22и,[м/с]. (Б19)

20.Угол выхода потока из РК в относительном движении:

02 = атс1д{с22/^2и), [град]. (Б.20)

21.Радиальная составляющая скорости на выходе из СА:

Cy.p4.F1cA

С1Г = -~^Т +

■+2с Т*

,[м/с], (Б.21)

22

' 1ср

где F1СA[м2] - торцевая площадь решетки СА на выходе, ср [м] - радиус решетки СА на выходе.

22. Окружная составляющая абсолютной скорости на выходе из СА:

С1И = ( М7 + М2и

в [и^ и2

од \ 2 2

23. Абсолютная скорость на выходе из СА:

/(^Ги?), [м/с].

(Б.22)

с1 = + ^ [м/с].

24. Угол выхода потока из СА:

«1 = агс^(с1Г/с!и), [град].

25. Теоретическая скорость на выходе из СА:

(Б.23)

(Б.24)

си =

N

2сгГз°

1-

кг—1

'Ргг\ кг о

Ро

, [м/с].

(Б.25)

26.Коэффициент скорости СА:

Фг = ^/с^. (Б.26)

27.Коэффициент суммарных потерь энергии в кольцевой решётке СА:

^ = 1 - 0! (Б.27)

28.Коэффициент потерь кинетической энергии в кольцевой решётке СА: ^ = (<& - С12)/(2^0Т) (Б.28)

29. Теоретический расход рабочего тела через СА:

^ = Ьр3^кр^(Я)/7Т3, [кг/с], (Б.29)

где ^кр[м2] - суммарная площадь критических сечений СА, д(Л) -безразмерная плотность тока;

Ь =

N

©

&Г+1

2 1

ЬГ + 1

(Б.30)

30.Коэффициент расхода СА:

^р =

(Б.31)

31. Окружная составляющая относительной скорости на входе в РК:

= с^ - яг1СрП;/30, [м/с]. (Б.32)

32. Относительная скорость на входе потока в РК:

= „Ки + С12г, [м/с].

(Б.33)

33. Угол входа потока в РК в относительном движении:

& = агс^(с1Г/ш1И), [град]. (Б.34)

34.Теоретическая скорость выхода потока из РК в относительном движении:

=

N

ш-2 + 2СГГ1Т

1

\Р1Т/

, [м/с].

(Б.35)

35. Коэффициент скорости рабочей решётки:

= Ш2/Ш2С. (Б.36)

36.Коэффициент суммарных потерь энергии в кольцевой решётке РК:

= 1 -

(Б.37)

37.Коэффициент потерь кинетической энергии в кольцевой решётке РК: Ок = (^ - ^22)/(2Л0т) (Б.38)

38.Коэффициент потерь с выходной скоростью:

с = с|/(2^0)

39. Относительный угол атаки на входе в РК:

* = (^1л -

40.Критическая скорость при температуре ТО:

(Б.39)

(Б.40)

акгз =

N

2кт

Ь + 1

£73*, [м/с].

(Б41)

41. Безразмерные скорости на выходе из СА:

Я,

С

1 с1 = /а^,лс1 = /а.

-1 t / ' ■ с1 42.Числа Маха на выходе из СА:

(Б.42)

м

кГ + 1Си

-1 £

¡1-

кг + 1Ас:

(Б.43)

1

МСл =

2

1-

кГ-1я2

(Б.44)

к + 1

С

43. Динамическая вязкость рабочего тела на выходе из СА:

Ти1,5 То + Т5

Д1 = До

Т

о Т1Т + Т

где д0 = 1,78 105;То = 273 К;Т5 = 122К. 44. Число Рейнольдса:

С1Р1Ь1

,[Па с],

(Б.45)

Яег

Д1

(Б.46)

где Р1 = ^; Ь1 [м] - хорда профиля СА. 45. Число Струхаля:

№ К П^2

(Б.47)

60 '

где п1 [об/мин]- частота вращения ротора, 22 - число лопаток РК. 46. Температура торможения в относительном движении на входе в РК:

Тшт = Т1Т + 2с~,[К].

2

(Б.48)

г

47.Критическая скорость при температуре Т*1ш:

акw

N

2 к

к + 1

Щутг, [м/с].

(Б.49)

48.Безразмерные скорости на выходе из РК

л = Щ2/ = ™2Ь/

/ акш ;

49.Числа Маха на выходе из РК:

кш

(Б.50)

1

М = —

2 Л.

+ 1

1 + 1 ^

М = —

I

2 Л + 1 ЛШ2