One of the directions for improving ship axial microturbines
Authors: Ибрагимов Д.И. , Юртаев А.А. , Камаев Н.А. , Баранов А.С. , Фиголь М.Е. 
Published: September 2024

Приведены результаты исследования, связанного с вопросом повышения эффективности газовых турбин – важного компонента судовых энергетических установок. Так как такой ключевой параметр, как автономность судна, зависит, кроме всего прочего, от суммарной эффективности главного и вспомогательного энергетического оборудования. Исследование направлено на увеличение коэффициента полезного действия (КПД) осевых микротурбин путем технического совершенствования их конструкции: исследования проводились с микротурбиной у которой рабочее колесо было частично интегрировано в сопловой аппарат. Методология исследований основывалась на экспериментах, математическом и оптимизационном моделировании условий работы микротурбин, с последующей экспериментальной проверкой результатов моделирования. В качестве гипотезы выдвинуто предположение, что частичная интеграция рабочего колеса в сопловой аппарат микротурбины будет способствовать повышению ее КПД. Комплексная оценка эффективности данной конструкции подтвердила гипотезу. Максимальный достигнутый КПД в рамках исследования составил 26,4%. Экспериментальное сравнение на всех режимах работы выявило преимущество исследуемой ступени перед аналогичной ступенью в "классическом" исполнении (без частичной интеграции рабочего колеса в сопловой аппарат). А на оптимальном режиме КПД исследуемой ступени превысил КПД "классической" ступени на 7%. Результаты данного исследования представляют большой интерес для конструкторов, работающих в сфере совершенствования газовых микротурбин, работающих в составе судовых энергетических установок, что делает данную статью актуальной и полезной для специалистов в области судостроения и морской энергетики.

The study presents findings on the potential enhancement of efficiency factor in small-scale turbines, a critical component of turbocharging systems for diesel engines in marine power generation. The autonomy of a vessel is a key parameter directly influenced by the overall efficiency factor of the combined energy equipment. The research is focused on increasing the efficiency factor of axial microturbines through technical advancements in their design. Investigations were conducted with a microturbine in which the impeller was partially integrated into the nozzle apparatus. The research methodology was based on experiments, mathematical, and optimization modeling of microturbine operating conditions, followed by experimental validation of modeling results. The exploration aims to improve the efficiency factor of axial microturbines through technical modifications to the flow section. Experiments were performed on microturbines with impellers featuring vanes that were partially incorporated into the frontal part of the nozzle apparatus. The research was founded not only on experiments but also on mathematical and optimization simulations of the working conditions of similar mechanisms, the results of which were experimentally verified. The underlying assumption was that such a design of the impeller and nozzle apparatus would contribute to an increase in the microturbine's efficiency factor. A comprehensive evaluation of the proposed microturbine variant confirmed the validity of this assumption. The achieved efficiency factor during the study reached 26.4%. A comparison with traditionally designed microturbines, practically across all operational modes examined, demonstrated the superiority of the investigated stage. In the best-case scenario, its efficiency factor exceeded that of the traditional stage by 7%. The results of this study hold significant interest for engineers working in the field of improving gas microturbines integrated into marine power systems, making this article relevant and valuable for professionals in the field of marine turbine engineering.