Термін виконання
2026–2028
Фінансування
3,6 млн грн
Організація-виконавець
СумДУ
Керівник проєкту
Сергій Ванєєв
АНОТАЦІЯ
Робота присвячена вирішенню проблеми енергозбереження, децентралізації енергозабезпечення і підвищення енергобезпеки країни шляхом утилізації вторинних енергоресурсів у частині використання енергії надлишкового тиску газу або пари на енерговузлах промислових і комунальних підприємств, газорозподільних станціях, газорегуляторних пунктах тощо при розширення газу або пари в розширювальній машині, до валу якої підключений електрогенератор. Процес виробництва електроенергії з енергії надлишкового тиску газу або пари є екологічно чистою, енергозберігаючою технологією. Перспективним напрямком для отримання електроенергії з енергії надлишкового тиску газу або пари є використання струминно-реактивної розширювальної машини, але вона недостатньо досліджена. Тому пропонується, створення параметричної моделі струминно-реактивної розширювальної машини, планування експерименту із залученням теорії багатофакторного експерименту і проведення оптимізаційного обчислювального експерименту з метою підвищення параметрів ефективності машини та дослідження течії газу в проточній частині струминнореактивних машин за допомогою програмного комплексу ANSYS CFX з подальшою експериментальною перевіркою результатів досліджень і ескизним проєктуванням автоматизованого турбогенераторного агрегату для виробництва електроенергії з енергії надлишкового тиску газу або пари.
Проєкт сприятиме досягненню Цілей сталого розвитку ООН: SDG 7 «Доступна та чиста енергія», SDG 9 «Індустріалізація, інновації та інфраструктура», SDG 12 «Відповідальне споживання і виробництво» та SDG 13 «Боротьба зі зміною клімату».
Мета та завдання проєкту
Метою проєкту є встановлення оптимальних термогазодинамічних, енергетичних і геометричними параметрів струминно-реактивної розширювальної машини для створення автоматизованого турбогенераторного агрегату.
Основні завдання проекту включають:
- аналіз особливостей використання енергозбірігаючих турбогенераторних агрегатів на вузлах зниження тиску газу або пари промислових підприємств, зокрема на газорозподільних станціях;
- створення нових і уточнення існуючих математичних моделей робочого процесу струминно-реактивної розширювальної машини, що дозволить вивчати особливості робочого процесу і вплив параметрів на ефективність машини;
- визначення значущих факторів і параметрів та діапазонів їх зміни, що впливають на економічність струминно-реактивних розширювальних машин;
- планування оптимізаційного обчислювального експерименту із залученням теорії багатофакторного експерименту;
- створення параметричних моделей струминно-реактивних розширювальних машин і проведення обчислювального оптимізаційного експерименту та дослідження течії газу в проточній частині струминно-реактивних розширювальних машин за допомогою програмного комплексу ANSYS CFX, що дозволить визначити вплив основних геометричних і газодинамічних параметрів на ефективність струминно-реактивних розширювальних машин і значення цих параметрів для зони максимального ККД на рівні 40-45 %;
- створення методики чисельного дослідження та оптимізації струминно-реактивних розширювальних машин в програмному комплексі ANSYS CFX, що дозволяє досліджувати вплив геометричних і газодинамічних параметрів на ефективність і характеристики цих машин;
- отримання розмірних і узагальнених безрозмірних характеристик струминно-реактивних розширювальних машини;
- модернізація існуючого зразка струминно-реактивної розширювальної машини і стенду для її досліджень, що дозволить підвищити ККД машини за результатами теоретичних досліджень;
- експериментальні дослідження модернізованої струминно-реактивної розширювальної машини;
- дослідження системи керування і забезпечення параметрів якості електроенергії, що виробляється струминно-реактивними і вихровими турбогенераторними агрегатами, за допомогою мікропроцесорних засобів автоматизації, що дозволить визначити параметри параметрів якості виробленої електроенергії і значення електричного ККД турбогенераторного агрегату;
- розробка і уточнення методик проектування струминно-реактивних розширювальних машин, а також агрегатів (зокрема турбогенераторів) на їх основі;
- розроблення ескізного проекту автоматизованого турбогенераторного агрегату на базі струминно-реактивної розширювальної машини для утилізації енергії надлишкового тиску газу.
Впливи результатів проєкту
- Науковий вплив.
Результатами проєкту є нові знання, методики розрахунку, що дають розвиток наукового напряму тематичному напрямку 8. Безпечна, чиста енергетика та енергоефективність, піднапрямок Енергоефективна промисловість:
- основні значущі геометричні параметри і термогазодинамічні параметри та їх співвідношення і ступінь їх впливу на ефективність струминно-реактивних розширювальних машин;
- нові та уточнені методики розрахунку струминно-реактивних розширювальних машин та агрегатів на їх основі, зокрема методика чисельного дослідження та оптимізації струминно-реактивних розширювальних машин в програмному комплексі ANSYS CFX, яка може бути використана майбутніми групами дослідників;
- працюючий макет струминно-реактивної розширювальної машини за результатами теоретичних досліджень і модернізований стенду для її досліджень, який може бути використаний для подальших досліджень розширювальних машин.
Таким чином, створюються математичні моделі робочого процесу, методики розрахунку та проектування простих та надійних турбоагрегатів для діапазону параметрів, в якому існуючі на ринку турбогенераторні установки на базі класичних (осьових і доцентрових) турбін використовувати економічно та технічно не ефективно. Ці результати можуть бути використані у подальших дослідженнях та розробках високоефективних турбогенераторів.
- Економічна цінність результатів роботи полягає у тому, що переваги струминно-реактивних та вихрових турбін дозволяють створювати ТДА зі строком окупності 1-2 роки, набагато дешевші, прості конструктивно й технологічно, надійні й зручні в експлуатації у порівнянні з ТДА на основі класичних лопаткових турбін. Наприклад, для ТДА потужністю 100 кВт при питомої вартості 400 $/кВт, річний прибуток від виробленої електроенергії складає (при вартості електроенергії 0,1 $): 0,1 • 100кВт • 8000 = 80000 $. Масо-габаритні показники в порівнянні з аналогічними турбогенераторними агрегатами з лопатковими турбінами набагато кращі: наприклад, маса ТДА УКС2-300 ("Турбогаз", Харків) потужністю 300 кВт складає 16 т, а маса трьох агрегатів ТДА-СРТ-100 (по 100 кВт) складе 1670 • 3 = 5010 кг (5 т), тобто більш ніж в три рази менше (маса одного агрегату ТДА-СРТ-300 кВт буде ще менше).
- У соціальному і безпековому плані підвищується надійність електропостачання та енергетична безпека країни, підвищуються екологічні показники, що відповідає цілям сталого розвитку. Струминно-реактивні і вихрові розширювальні машини можуть застосовуватися також в когенераційних енергоустановках для ресурсозберігаючого електро- та теплопостачання для різних галузей промисловості та комунального господарства, в турбостартерах, системах управління, в турбокомпресорних та насосних установках тощо..
Очікувані результати
- Буде виконано аналіз використання енергозберігаючих турбогенераторних агрегатів на вузлах зниження тиску газу або пари в різних галузях промисловості. Будуть створені математичні моделі робочого процесу струминно-реактивної розширювальної машини та визначені найбільш значущі фактори і параметри, що впливають на економічність струминно-реактивних розширювальних машин. Буде розроблена параметрична модель струминно-реактивнної розширювальної машини для дослідження її у програмному комплексі ANSYS CFX, в результаті оптимізації параметрів якої планується отримати геометричні і термогазодинамічними параметри струминно-реактивної розширювальної машини і їх співвідношення, що забезпечують ККД машини на рівні 40-45%. Будуть отримані розмірні й безрозмірні характеристики струминно-реактивної розширювальної машини. У результаті досліджень буде розроблена методика чисельного дослідження та оптимізації струминно-реактивних розширювальних машин у програмному комплексі ANSYS CFX, що дозволяє досліджувати вплив геометричних і газодинамічних параметрів на ефективність і характеристики цих машин. На дослідному стенді буде досліджений працюючий макет струминно-реактивної розширювальної машини за результатами теоретичних досліджень (рівень TRL4). Буде розроблена і досліджена система керування і забезпечення параметрів якості електроенергії, що виробляється струминно-реактивними турбогенераторними агрегатами, за допомогою мікропроцесорних засобів автоматизації (рівень TRL4). Буде розроблений ескізний проєкт автоматизованого турбогенераторного агрегату на базі струминно-реактивної розширювальної машини для утилізації енергії надлишкового тиску газу.
- Публікація результатів у міжнародних та українських наукових виданнях;
- Підготовка відкритих наборів даних і матеріалів для поширення результатів серед наукової та інженерної спільноти.
Практичне значення роботи полягає
– в отриманні нових та уточненні існуючих методик розрахунку струминно-реактивних розширювальних машин та агрегатів на їх основі, зокрема методики чисельного дослідження та оптимізації струминно-реактивних розширювальних машин в програмному комплексі ANSYS CFX, яка може бути використана майбутніми групами дослідників;
– у наявності працюючого макету струминно-реактивної розширювальної машини за результатами теоретичних досліджень і модернізованого стенду для її досліджень, який може бути використаний для подальших досліджень розширювальних машин.
Команда проєкту
Сергій Ванєєв
Керівник проєкту
Вадим Бага
Відповідальний виконавець
Георгій Кулінченко
Виконавець
Олександр Гусак
Виконавець
Станіслав Мелейчук
Виконавець
Дмитро Мірошниченко
Виконавець
Логіка дослідження (Research Workflow)
Теоретичний аналіз
Аналіз робочого процесу струминно-реактивних розширювальних машин
→
Математичне моделювання
Уточнення математичної моделі робочого процесу
→
CFD моделювання
Чисельний аналіз структури та параметрів потоку
→
Експериментальні дослідження
Характеристики струминно-реактивних розширювальних машин
→
Нові конструкції струминно-реактивних розширювальних машин
Ескізний проєкт турбогенераторного агрегату потужністю 10 кВт
Етапи виконання проєкту
2026
- Аналіз особливостей використання енергозберігаючих турбогенераторних агрегатів на вузлах зниження тиску газу або пари в різних галузях промисловості
- Створення нових і уточнення існуючих математичних моделей робочого процесу струминно-реактивної розширювальної машини
- Розробка параметричної моделі струминно-реактивної розширювальної машини; планування експерименту з вибором значущих факторів
- Проведення чисельного дослідження за допомогою програмного комплексу ANSYS CFX з метою досягнення максимального ККД за рахунок оптимізації геометричних розмірів проточної частини
- перші наукові публікації
2027
- Проведення експериментальних досліджень
- Отримання узагальнених безрозмірних характеристик струминно-реактивних розширювальних машини
- Отримання практичних рекомендацій з вибору основних газодинамічних і геометричних параметрів та характеристик струминно-реактивних розширювальних машин з максимальними значеннями ККД
- Уточнення методик розрахунку, обчислювальних алгоритмів і програмного забезпечення для дослідження і розрахунку струминно-реактивних розширювальних турбомашин
- наукові публікації
- міжнародні конференції
2028
- Дослідження системи керування і забезпечення параметрів якості електроенергії, що виробляється струминно-реактивними турбогенераторними агрегатами, за допомогою мікропроцесорних засобів автоматизації
- Розробка і уточнення методик проєктування струминно-реактивних і вихрових розширювальних машин, а також агрегатів (зокрема турбогенераторів) на їх основі
- Визначення області раціонального використання струминно-реактивних агрегатів в різних галузях промисловості
- Розроблення ескізного проекту турбогенератор-ного агрегату на базі струминно-реактивної розширювальної машини для утилізації енергії надлишкового тиску газу
- публікації у міжнародних журналах
- міжнародні конференції
- впровадження результатів
Поширення результатів
У межах проєкту передбачено підготовку наукових публікацій у міжнародних та українських фахових виданнях, участь у конференціях, створення відкритих наборів даних, а також представлення результатів на сайті кафедри та в інших науково-комунікаційних каналах.
На цій сторінці буде регулярно оновлюватися інформація про публікації, конференції, відкриті матеріали, новини та інші результати виконання проєкту.
Список публікацій за матеріалами дослідження
Матеріали конференцій
- Мелейчук О. С., Ванєєв С. М. Підвищення ефективності енергозберігаючих турбогенераторних агрегатів на базі струминно-реактивних турбін // Сучасні технології у промисловому виробництві: матеріали та програма XІІІ Всеукраїнської науково-технічної конференції (м. Суми, 21–24 квітня 2026 р.) / редкол.: О.Г. Гусак, І.В. Павленко. – Суми: Сумський державний університет, 2026. – С. 144-145.
- Ванєєв С. М., Бага Т. С., Мелейчук О. С., Мірошниченко О. І., Ольховик М.-Л. І. Особливості конструкції та використання струминно-реактивних розширювальних машин // Сучасні технології у промисловому виробництві: матеріали та програма XІІІ Всеукраїнської науково-технічної конференції (м. Суми, 21–24 квітня 2026 р.) / редкол.: О.Г. Гусак, І.В. Павленко. – Суми: Сумський державний університет, 2026. – С. 137-138.
- Ванєєв С. М., Дмитрієв В. О., Мєдвєдєв Р. О., Карцев О. С. Енергозберігаючі турбогенераторні агрегати на базі струминно-реактивних турбін // Сучасні технології у промисловому виробництві: матеріали та програма XІІІ Всеукраїнської науково-технічної конференції (м. Суми, 21–24 квітня 2026 р.) / редкол.: О.Г. Гусак, І.В. Павленко. – Суми: Сумський державний університет, 2026. – С. 143.
Фахові видання України
Подано статтю в фахове видання України
Ванєєв С.М, Мелейчук О.С., Мірошниченко О.І, Сітало В.С., Чех О.Ю. CFD АНАЛІЗ ТУРБОГЕНЕРАТОРНОГО АГРЕГАТУ НА БАЗІ СТРУМИННО-РЕАКТИВНОЇ ТУРБІНИ КАНАЛЬНОГО ТИПУ
Заявки на участь у конкурсах проєктів тощо
Подано заявку на участь у конкурсах проєктів: Project title: ColdBridge Norway-Ukraine learning hub: heating, cooling and energy efficiency
Контакти
Керівник проєкту: Сергій Ванєєв
Організація: Сумський державний університет
E-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
Кафедра: кафедра технічної теплофізики / Лабораторія промислової енергетики
