Abstract Many waste heat recovery and biomass applications offer opportunities for small-scale steam turbines to produce electricity and to improve systems’ energy efficiency. However, the currently used axial turbine-based technology is generally characterized by a relatively large physical size and poor design and off-design performances. To overcome these challenges, a new compact water-cooled high-speed radial outflow turbine concept is proposed. While the previous understanding of the chosen novel rotor water cooling approach indicates general system feasibility, improved turbine performance, and good potential, the scientific literature lacks relevant information. Since the design of high-speed machines is always case-dependent, every concept must be verified. Hence, to provide verification and new scientific information, this study combines analytical, numerical, and experimental analyses. The results predict turbine performance levels comparable with the previous radial outflow design, and its efficiency was found to exceed those of conventional turbines. During the experiments, the turbine also produced electricity from poor-quality steam, and its rotor dynamic behavior and magnetic bearing performance were close to the predicted results. These findings are considered a verification of the proposed concept. Furthermore, the rotor water cooling approach improved the stability of the system operation and although its physical behavior was not fully resolved, the study was able to verify its feasibility. In addition, at below 200 € /kW, the turbogenerator costs are competitive against competing technologies.

中文翻译：

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用于生物质和废热回收应用的密封高速涡轮发电机概念的设计和验证

摘要 许多废热回收和生物质应用为小型汽轮机发电和提高系统能源效率提供了机会。然而，目前使用的基于轴流式涡轮的技术通常具有较大的物理尺寸和较差的设计和非设计性能。为了克服这些挑战，提出了一种新的紧凑型水冷高速径向流出涡轮机概念。虽然先前对所选新型转子水冷方法的理解表明一般系统的可行性、改进的涡轮机性能和良好的潜力，但科学文献缺乏相关信息。由于高速机器的设计始终取决于具体情况，因此必须验证每个概念。因此，为了提供验证和新的科学信息，这项研究结合了分析、数值和实验分析。结果预测涡轮机的性能水平可与之前的径向流出设计相媲美，并且发现其效率超过了传统涡轮机的效率。在实验过程中，汽轮机也利用劣质蒸汽发电，其转子动力学行为和磁轴承性能与预测结果接近。这些发现被认为是对提议概念的验证。此外，转子水冷方法提高了系统运行的稳定性，虽然其物理行为尚未完全解决，但该研究能够验证其可行性。此外，低于 200 € /kW 的涡轮发电机成本与竞争技术相比具有竞争力。结果预测涡轮机的性能水平可与之前的径向流出设计相媲美，并且发现其效率超过了传统涡轮机的效率。在实验过程中，汽轮机也利用劣质蒸汽发电，其转子动力学行为和磁轴承性能与预测结果接近。这些发现被认为是对提议概念的验证。此外，转子水冷方法提高了系统运行的稳定性，虽然其物理行为尚未完全解决，但该研究能够验证其可行性。此外，低于 200 € /kW 的涡轮发电机成本与竞争技术相比具有竞争力。结果预测涡轮机的性能水平可与之前的径向流出设计相媲美，并且发现其效率超过了传统涡轮机的效率。在实验过程中，汽轮机也利用劣质蒸汽发电，其转子动力学行为和磁轴承性能与预测结果接近。这些发现被认为是对提议概念的验证。此外，转子水冷方法提高了系统运行的稳定性，虽然其物理行为尚未完全解决，但该研究能够验证其可行性。此外，低于 200 € /kW 的涡轮发电机成本与竞争技术相比具有竞争力。并且发现其效率超过了传统涡轮机的效率。在实验过程中，汽轮机也利用劣质蒸汽发电，其转子动力学行为和磁轴承性能与预测结果接近。这些发现被认为是对提议概念的验证。此外，转子水冷方法提高了系统运行的稳定性，虽然其物理行为尚未完全解决，但该研究能够验证其可行性。此外，低于 200 € /kW 的涡轮发电机成本与竞争技术相比具有竞争力。并且发现其效率超过了传统涡轮机的效率。在实验过程中，汽轮机也利用劣质蒸汽发电，其转子动力学行为和磁轴承性能与预测结果接近。这些发现被认为是对提议概念的验证。此外，转子水冷方法提高了系统运行的稳定性，虽然其物理行为尚未完全解决，但该研究能够验证其可行性。此外，低于 200 € /kW 的涡轮发电机成本与竞争技术相比具有竞争力。这些发现被认为是对提议概念的验证。此外，转子水冷方法提高了系统运行的稳定性，虽然其物理行为尚未完全解决，但该研究能够验证其可行性。此外，低于 200 € /kW 的涡轮发电机成本与竞争技术相比具有竞争力。这些发现被认为是对提议概念的验证。此外，转子水冷方法提高了系统运行的稳定性，虽然其物理行为尚未完全解决，但该研究能够验证其可行性。此外，低于 200 € /kW 的涡轮发电机成本与竞争技术相比具有竞争力。