Fluid dynamic design and optimization of a mini-ORC turbine for high temperature application

High temperature Organic Rankine Cycles power systems of low power capacity, i.e. 3-50 kWe, are receiving recognition for distributed and mobile energy generation applications. A hermetic high-speed turbogenerator with a single stage radial expander is chosen for the majority of the applications. The ability to accommodate high volumetric flow ratio in a single stage with reduced fluid dynamic penalty suggests the use of a radial inflow turbine. The design is based on the guidelines and loss models developed mainly for turbochargers. The aim of this work is to provide the fluid dynamic design for the mini-ORC radial inflow turbine, delivering 10kW of mechanical power, which will be installed and tested in the new Propulsion and Power Laboratory of Delft University of Technology. The ORCHID set-up is designed to measure the actual performance of mini-ORC turbine in order to create a public datasets to validate CFD tools and to calibrate loss correlations. The turbine preliminary design is achieved through an in-house meanline code, zTurbo. Then, it is subsequently modified accordingly to a surrogate-based shape optimization process by means of non-validated 3D computational fluid-dynamic calculations. The optimized layout of the mini-ORC turbine differs from the one of the radial-inflow turbines utilized in more traditional applications, strengthening the need of experimental campaigns to support the conception of new design practices.

La ricerca riguardante impianti di bassa potenza, i.e. 3-50 kWe, che utilizzano un fluido organico ad alta temperatura in un ciclo Rankine è cresciuta notevolmente nelle ultime decadi. Le principali applicazioni consistono nella produzione di energia elettrica per distretti isolati oppure per i sistemi ausiliari di grandi mezzi di trasporto che utilizzano motori a combustione interna. La configurazione preferita risulta essere quella avente un turbogeneratore ermetico ad alta velocità con un singolo stadio radiale. La possibilità di garantire un elevato rapporto di portata volumetrica in un unico stadio ed una ridotta perdita fluido dinamica suggerisce l’utilizzo di una turbina a flusso radiale. La sua progettazione utilizza le linee guida ed i modelli di perdita sviluppati per i turbocompressori. Lo scopo di questo lavoro è quello di fornire il disegno fluido dinamico per una turbina a geometria radiale in grado di generare 10kW di potenza meccanica che sarà installata e testata nel nuovo laboratorio del gruppo di Propulsion and Power presso la Technische Universiteit Delft. La turbina ORCHID è stata progettata per misurare le effettive prestazioni di una turbomacchina per applicazioni mini-ORC al fine di creare un set di dati pubblici per convalidare solutori CFD e per calibrare le correlazioni per le perdite utilizzate nella fase preliminare. Il disegno preliminare è ottenuto attraverso un codice meanline, zTurbo. Questo disegno è successivamente modificato tramite un processo di ottimizzazione surrogato per mezzo di una CFD 3D non convalidata. La geometria ottimizzata della turbina risulta differente rispetto a quella di turbine radiali centripete utilizzate in applicazioni più tradizionali, rafforzando la necessità di campagne sperimentali per sostenere lo sviluppo di nuove linee guida di progettazione.