Автономные энергетические установки малой мощности на базе газотурбинного цикла простой схемы с сильноразвитой системой регенерации тепла
В 2007 – 2008 гг. большое внимание Научно-технического центра “Микротурбинные технологии”, Санкт-Петербургского государственного политехнического университета и АО “Трансгаз Санкт-Петербург” было направлено на разработку серии малогабаритных установок с электрической мощностью от 20 до 500 кВт и электрическим КПД не менее 30%. Российские серийные аналоги таких установок отсутствуют на нашем рынке. Зарубежные установки подобной мощности и экономичности (такие как Honeywell, Elliott, Capstone (США), а также Turbec (Volvo Aero, Швеция)) имеют на нашем рынке очень высокую стоимость, которая составляет свыше 1200 – 1500 долларов за киловатт.
Для решения поставленных задач необходимо было применить новые технические решения, не характерные для отечественной энергетики. Такие технические решения позволяют обеспечить основные требования к автономным энергетическим установкам и их широкое внедрение. К таким решениям относятся: Тепловая схема газотурбинной установки приведена на рис.1. Воздух из атмосферы через систему фильтров входного устройства (6) поступает в радиальный компрессор (2), где сжимается до необходимого давления и затем подается в теплообменник (рекуператор) (8). В теплообменнике происходит подогрев воздуха, после чего он поступает в камеру сгорания (КС) (7), в которой происходит процесс горения углеводородного топлива, поданного в КС. Продукты сгорания, имеющие высокую температуру, подводятся в радиально-осевую турбину (3), в которой вырабатывается полезная мощность.
Выходные газы после турбины отдают теплоту воздуху в теплообменнике и отводятся в выходное устройство. Для выработки тепловой энергии за турбиной может быть установлен теплофикационный котёл (9). Полезная мощность турбины передаётся в высокооборотный электрогенератор (1), в котором вырабатывается электрическая энергия. Эта электрическая энергия в преобразователе (4) преобразуется в электрическое напряжение необходимых параметров.


Рис.1. Тепловая схема газотурбинной установки
Обозначения: 1 – генератор, 2 – компрессор, 3 – турбина, 4 – блок силовой электроники, 5 – топливная система, 6 – входное устройство, 7 – камера сгорания, 8 – теплообменник, 9 – котёл-утилизатор, 10 – топливо, 11 – сетевая вода
Малогабаритный турбогенератор МТГ-100, (рис.2), состоит из электрогенератора I и малогабаритного турбокомпрессора II. По компоновке двигатель является трехопорным на газодинамических подшипниках. Два опорных подшипника установлены в электрогенераторе и опорно-упорный – в турбокомпрессоре.

Рис.2. Продольный разрез малогабаритного турбогенератора МТГ-100
Центростремительная турбина 14, центробежный компрессор 9, опорно-упорный подшипник 11,12,13, монтируются на валу 10. Указанные элементы составляют турбокомпрессорный блок. Рабочее колесо центростремительной турбины 14 приваривается к ротору 10 одним из возможных способов, лазерным или трением, с последующей обработкой посадочных поверхностей в едином блоке.
Лопаточный направляющий аппарат турбины является связующим звеном корпусных деталей. Соединение обеспечивается сваркой по торцевым поверхностям лопаток направляющего аппарата (НА). Верхняя часть корпусных деталей над верхней кромкой лопаток НА формирует безлопаточный направляющий аппарат. Спиральное входное устройство круглого поперечного сечения приварено к корпусу турбины. Изображение трехмерной модели входного устройства представлено на рис.3.

Рис.3. Трехмерная модель входного устройства турбины
Установка рабочего колеса центробежного компрессора на валу обеспечивается шлицевым соединением. По аналогии с корпусом турбины, детали корпуса компрессора свариваются между собой по торцевым поверхностям лопаток лопаточного диффузора. Аналогично безлопаточному направляющему аппарату турбины формируется безлопаточный диффузор компрессора. Спиральное трапециевидное выходное устройство с линейным диффузором приварено к корпусу компрессора.

Рис.4. Трехмерная модель выходного устройства компрессора.
Изображение трехмерной модели выходного устройства представлено на рис.4.
Комбинированный опорно-упорный подшипник состоит из дистанционной втулки 12, выполненной заодно с упорным диском, дополнительного упорного диска 11, упорных вставок и опорного подшипника 13 (см. рис.2). Блок комбинированного подшипника монтируется на дистанционной втулке 12 и устанавливается в корпусе турбины 14.
Технические характеристики МТГ-100
Электрическая мощность  100 кВт;
Диапазон изменения температуры окружающей среды (240…320) К;
Коэффициент потерь полного давления во входном устройстве 0,96;
Внутренний КПД компрессора по полным параметрам не менее 0,82;
Начальная температура газа перед турбиной 1173К;
Степень повышения давления в компрессоре 3,8;
Внутренний КПД турбины по полным параметрам не менее 0,9;
Коэффициент потерь полного давления в выходном устройстве 0,96;
Диапазон изменения мощности 0…111 кВт;
Частота вращения ротора турбины 6000об/мин;
Ресурс не менее 30000 часов

Разработку осуществили: НТЦ Микротурбинные Технологии  (Беседин С.Н.), АО “Трансгаз Санкт-Петербург”
(Фокин Т.А.), Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет  (Рассохин В.А.)