Preliminary design of a micro gas turbine

The object of this thesis is the preliminary design of a Micro Gas Turbine cycle, which is a power production system, usually aimed for cogeneration, whose capacity typically does not exceed 500 kWe. It operates on a recuperated Joule-Brayton cycle and the most typical machinery choice is to adopt a single stage centrifugal compressor and a radial inflow turbine. Other components are the recuperator, the combustor, the bearings, the high speed generator and the external heat exchanger. The project is developed as a partnership between the Politecnico di Milano Energy Department and an Italian company, whose name is omitted for confidentiality reason. Under the company requirements, the project was initially meant to realise a 30 kW cycle. However, after a market investigation, the company decided to move the target power towards 70 kW. A characterisation of the main cycle parameters is performed for both the 30 and the 70 kW versions. Thereafter, the preliminary design of both the compressor and the turbine is addressed with increasing level of accuracy, modeling them with mean-line codes and simulating their performance and structural integrity with high fidelity tools, such as CFD and FEM. Moreover, the design of the primary surface recuperator has been started, developing a 1D code to model its performance and veryfing its structural behaviour by means of a FE analysis. In conclusion, among the main components of the system, only the combustor has not been addressed yet. This choice is intentional, since its design requires thermophysical conditions and dimensional data coming from components preliminary designed in this thesis. The combustion design and system integration represents a future development which will require dedicated activities.

L’obiettivo di questa tesi è il progetto preliminare di una Micro Turbina a Gas, un sistema di produzione di energia pensato per la cogenerazione, la cui potenza non eccede tipicamente i 500 kW elettrici. La tecnologia opera su un ciclo di Joule-Brayton rigenerato e la tipica scelta in termini di turbomacchine è di adottare un compressore centrifugo e una turbina centripeta a singolo stadio. Altri componenti sono il recuperatore, il combustore, i cuscinetti, il generatore ad alta velocità e lo scambiatore di calore esterno. Il progetto è parte di una collaborazione tra il Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano e un’azienda italiana, il cui nome è omesso per motivi di privacy. Su suggerimento di quest’ultima, il progetto era inizialmente finalizzato alla realizzazione di un ciclo per 30 kW elettrici. Tuttavia, dopo un’analisi di mercato, si è deciso di cambiare la potenza di taglia a 70 kW. I valori dei parametri principali del ciclo sono stati individuati sia per la versione da 30 kW che per quella da 70 kW. Dopodiché, si è affrontato il progetto preliminare di compressore e turbina con livelli di accuratezza via via crescenti. In particolare, entrambe le macchine sono state modellate con dei codici di mean-line. Successivamente, le performance fluido dinamiche e l’integrità strutturale di quest’ultime sono state investigate per mezzo di strumenti high fidelity, per esempio CFD e FEM. Inoltre, si è affrontato il progetto preliminare del recuperatore, sviluppando un codice monodimensionale in grado di modellare le performance dello stesso e verificandone l’integrità strutturale per mezzo di un’analisi FEM. Infine, tra i componenti principali del sistema, solo il progetto del combustore non è stato affrontato. Questa scelta è intenzionale, dal momento che la sua progettazione richiede di conoscere grandezze termofisiche e ingombri dipendenti dalla progettazione di altri componenti dimensionati in questa tesi. Un’attività dedicata a riguardo è necessaria ed è lasciata come sviluppo futuro.