Development, Dimensioning and Construction of a Steam Turbine Solution for the Dolphin Concept

Denne masteroppgaven er en del av den pågående utviklingen av lettvektskjøretøyet Dolphin ved NMBU. Som forbrenningsenhet i den hybride drivkildeløsningen til Dolphin er det tenkt å bruke en mikrogassturbin. Mikrogassturbiner har mange fordeler i forhold til stempelmotorer, men har lav virkningsgrad. Omtrent 60 % av tilført energi forlater enheten som varmeenergi gjennom avgassene. For å øke den totale virkningsgraden kan varmeenergien brukes til å generere damp og drive en dampturbin i et lukket vannkretsløp. Hovedmålsetningen er å utvikle, dimensjonere og konstruere en dampturbinløsning som yter 7,5 – 10 kW elektrisk effekt og er tilpasset driftsforholdene i varmegjenvinningssystemet. Oppgaven er basert på tidligere arbeid og første steg ble derfor å trekke ut essensen av disse. Dette ble gjort i form av forutsetninger, resultater, usikkerheter og mulige feilkilder For å nå hovedmålet ble det gjennomført et omfattende litteraturstudie, der kunnskap om dampturbiners virkemåte og metoder for dimensjonering av hovedkomponenter ble tilegnet. På bakgrunn av tilegnet kunnskap ble det gjort rede for flere løsningsalternativer, som ble evaluert mot overordnede produktmål som effektivitet, vekt, størrelse og enkelhet. Siden ingen av de andre komponentene i varmegjenvinningssystemet er utviklet, er tilstandsverdiene for dampen ukjent for både inn- og utløp. Tilgjengelig energistrøm ble først estimert på grunnlag av tilgjengelig varmeenergi fra mikrogassturbinen og en antatt virkningsgrad på varmeveksleren, som er bindeleddet mellom de to. Deretter ble 26 ulike trykk- og temperaturverdier analysert med tanke på hastighet og massestrøm ut fra dysen, og dermed tilgjengelig impulskraft. Alle beregninger ble utført i regneark for lettere å kunne gjøre iterasjoner og visualiseringer med grafer. Resultatene fra dyseberegningen ble deretter brukt for å beregne det spesifikke arbeidet uført på rotoren ved 3 ulike rotorstørrelser. Prosjektet har resultert i at en ettrinns dampturbinløsning basert på impulsprinsippet er utviklet, dimensjonert og konstruert i 3D. Den yter 10,9 kW mekanisk effekt, har et driftsturtall på 70 000 rpm og veier 1,7 kg. Dimensjonene er 184 mm x 209 mm x 92 mm. Med en virkningsgrad på 0,9 for generatoren gir dette 9,8 kW elektrisk effekt. Resultatene oppfyller prosjektmålene og de utarbeidede regnearkene gjør det enkelt å skalere opp eller ned med hensyn til ulike parametere.This thesis is part of an ongoing research and development of the lightweight vehicleDolphin at NMBU. A micro gas turbine is to be used as the combustion unit in the hybrid drive solution for Dolphin.Micro gas turbines have many advantages compared to piston engines, but have low efficiency. Approximately 60 % of the input energy is lost as heat energy through the exhaust gases. To increase the overall efficiency, the heat energy can be used to generate steam and run a steam turbine in a closed water circuit. The main objective of this thesis is to develop, dimension and construct a steam turbine solution that provides 7.5 – 10 kW electric power, and is adapted to the operation conditions of the waste heat recovery system. The thesis is based on previous work, and the first step was to extract the essence of these. This was done in terms of assumptions, results, uncertainties and possible sources of error. To achieve the main objective an extensive literature review was conducted, where knowledge about steam turbines behavior and methods for design of main components were acquired. Based on the acquired knowledge multiple solutions were evaluated against the thesis objectives such as efficiency, weight, size and simplicity. Since no other components of the waste heat recovery system is developed, the state values of the steam are unknown for both inlet and outlet. Available energy flow was first estimated on the basis of available heat energy from the micro gas turbine and an assumed efficiency of the heat exchanger, which is the link between the two. Subsequently, 26 different pressure and temperature values were analyzed in terms of speed and mass flow rate at the nozzle outlet, and thus provided impulse force. All calculations were performed in spreadsheets to simplify the iterations and graph visualizations. Results fromcalculation the nozzlewas then used to calculate the specific work performed on the rotor at three different rotor sizes. The project resulted in the development of a single stage steam turbine solution based on the impulse principle, dimensioned and constructed in 3D. It provides 10.9 kW mechanical power, has an operating speed of 70,000 rpm and weighs 1.7 kg. The dimensions are 184mm x 209 mm x 92 mm. Given a generator with an efficiency of 0.9 it provides 9.8 kW electric power. The achieved results meets the project objectives, and the developed spreadsheets makes it easy to scale up or down with respect to various parameters.M-MP