автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Научно-техническое обоснование и практическая реализация создания микротурбинного генератора мощностью 100 кВт на основе современных расчётно-экспериментальных методов

На правах рукописи

Беседин Сергей Николаевич

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СОЗДАНИЯ МИКРОТУРБИННОГО ГЕНЕРАТОРА МОЩНОСТЬЮ 100 КВТ НА ОСНОВЕ СОВРЕМЕННЫХ РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ

Специальность 05.04.12 - Турбомашииы и комбинированные турбоустановки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 ДПР 2011

Санкт-Петербург - 2011

4844641

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет"

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Рассохин Виктор Александрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук

Лебедев Александр Серафимович

кандидат технических наук

Счисляев Сергей Михайлович

Ведущая организация:

ОАО «Научно-производственное объединение Центральный котло-турбинный институт им. И.И. Пол-зунова» (ОАО «НПО ЦКТИ»)

Защита состоится «17» мая 2011 г. в «16» часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.06 в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29, Главное здание, аудитория 235.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан « » 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д 212.229.06, к.т.н., доцент

Талалов В. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Области использования микротурбинных генераторов (МТГ) очень широки: это объекты промышленного, социального, сельскохозяйственного и жилищного назначения, удаленные от сетевой инфраструктуры или подключение которых невозможно по разным причинам, а также в качестве резервного источника энергоснабжения.

Преимущества микротурбинных генераторов: высокая надежность, длительный ресурс до капитального ремонта, работа без смазок и моторного масла, возможность работы на различных видах топлива, высокое качество вырабатываемой электроэнергии, низкий уровень выбросов, вибраций, шума, возможность работы в течение длительного времени при низких нагрузках, низкая стоимость эксплуатационных расходов.

В связи с актуальностью поставленных задач по развитию автономной энергетики и высокой востребованностью их на рынке локальных источников электрической и тепловой энергии, были выполнены исследования по научно-техническому обоснованию и практической реализации принципов создания микротурбинных генераторов мощностью 100 кВт. Всё вышесказанное определяет высокую актуальность диссертационной работы.

Цель работы

Целью диссертационной работы является научно-техническое обоснование и практическая реализация принципов создания микротурбинного генератора мощностью 100 кВт с характеристиками, близкими к характеристикам лучших зарубежных аналогов. К ним относится высокий КПД преобразования энергии топлива в электрическую энергию с КПД, превышающим 30%, максимальная защищенность окружающей среды - выбросы ЫОх менее 15 ррт (для микротурбин, использующих природный газ) и другие.

Для достижения поставленной цели необходимо было использовать комплекс новых технических решений, не применявшийся ранее в отечественной энергетике.

Новые технические решения позволили выполнить вышеуказанные требования к МТГ и обеспечат их широкое внедрение. К таким решениям относится применение малорасходных высокоэффективных радиально-осевых турбин и центробежных компрессоров, газодинамических подшипников, теплообменников с высокой степенью регенерации, высокооборотных электрогенераторов, низкотоксичных камер сгорания.

Задачи исследования:

• разработать методологическое обеспечение для исследования тепловых схем микротурбинных генераторов;

• выполнить параметрическую оптимизацию, на основании которой произвести выбор оптимальных параметров и характеристик МТГ;

• разработать принципы построения конструктивной схемы перспективного микротурбинного генератора. Выбрать основные элементы МТГ, обосновать их характеристики;

• создать исследовательскую базу и технологическое оборудование; разработать методики проведения эксперимента и обработки экспериментальной данных;

• провести эксперименты по определению основных характеристик турбины, компрессора, камеры сгорания, газодинамических подшипников и высокооборотного электрогенератора;

• разработать конструктивный облик микротурбинного генератора МТГ-100.

Решению поставленных задач и обобщению полученных результатов посвящены соответствующие главы данной работы.

Научная новизна работы заключается в том что:

• путем применения комплекса современных теоретических и экспериментальных методов разработаны и обоснованы основные технические решения для создания отечественного микротурбинного генератора. К таким решениям относятся применение малорасходных высокоэффективных ради-ально-осевых турбин с внутренним КПД по полным параметрам не менее 90% и начальной температурой газа перед турбиной, равной 1173К; малорасходных центробежных компрессоров с политропическим КПД = 0.82 и степенью повышения давления не менее 3.8; газодинамических подшипников и высокооборотных электрогенераторов с преобразователями с частотой вращения ротора до 60000 об/мин; низкотоксичных камер сгорания с низким уровнем эмиссий ЫОх < 15 ррш; теплообменников с высокой степенью регенерации (0.9);

• обоснованы на основе параметрической оптимизации оптимальные характеристики, как основных узлов (см. выше), так и микротурбинного генератора в целом, которые в условиях конструкторских, технологических и производственных ограничений обеспечивают максимальные показатели КПД и мощности (внутренний КПД не менее 34% и внутренняя мощность 100 кВт);

• в результате модельных исследований компрессора и турбины, спроектированных для МТГ малой мощности, определены их характеристики в зависимости от частоты вращения, идентифицирована расчётная численная модель, уточнена постановка задачи и методика расчёта;

• экспериментально выявлены основные закономерности процессов горения в диффузионном режиме и режиме предварительного смешения бедных гомогенных смесей в выносной камере сгорания МТГ на газообразном топливе;

• полученные разгонные характеристики газодинамических подшипников микротурбинных генераторов показали устойчивость их работы во всем диапазоне разгона и на номинальных частотах вращения.

Практическая значимость работы заключается в том что:

1. Обоснованы, исследованы и реализованы в конкретных конструкциях: радиально-осевой компрессор с КПД 82,0% и надёжным запасом от пом-пажных режимов, радиально-осевая турбина с температурой газа на входе 1173 К, низкоозмиссионная камера сгорания с низким уровнем эмиссий N0* < 15 ррш, обеспечивающая заданное поле распределения температур перед турбиной. Эти элементы могут послужить базовыми решениями при практической реализации МТГ.

2. Разработана, создана и оснащена измерительными системами материально-техническая база для исследования модельных и натурных узлов, таких как радиально-осевая турбина, центробежный компрессор, выносная камера сгорания, газодинамические подшипники и высокооборотный электрогенератор.

3. Результаты исследований внедрены при разработке проекта и создании экспериментального образца микротурбинного генератора мощностью 100кВт. Накоплен уникальный опыт технологического освоения производства газотурбинного оборудования в условиях использования современного машиностроительного комплекса по таким технологическим операциям как изготовление центробежных компрессоров и радиально-осевых турбин, хир-товых соединений и др.

Личный вклад автора заключается в следующем:

• участие в научно-техническом обосновании выбора оптимальных параметров и конструктивных решений при проектировании основных узлов МТГ;

• участие в разработке численных моделей, выборе и тестировании методик расчёта газодинамики, теплового и напряжённо-деформированного состояния основных узлов МТГ, анализе результатов;

• участие в разработке оборудования стендов для исследования модельных и натурных узлов радиально-осевых турбин, центробежных компрессоров, выносных камер сгорания, газодинамических подшипников и высокооборотных электрогенераторов, их наладке, разработке и тестировании системы измерений, проведении экспериментов и обработке полученных результатов;

• участие в разработке конструкции микротурбинного генератора мощностью 100 кВт нового поколения, как результат реализации комплекса методов проектирования в технологически ориентированном направлении впервые в отечественной практике.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечена:

• проведением экспериментальных исследований по апробированным и научно обоснованным методикам на стендовом оборудовании, прошедшем метрологическую аттестацию, с применением современных измерительных приборов и аппаратуры с минимальными погрешностями измерений, обработкой опытных данных с использованием устойчивых методов статистического анализа и совпадением результатов тестовых опытов с наиболее надёжными результатами других исследований;

• использованием в процессе выполнения работы в качестве базовых наиболее современных апробированных и тестированных методик на основе численного анализа в лопаточных аппаратах турбомашин, решением сопряжённых задач теплообмена и прочности в осесимметричной и трехмерной постановке.

На защиту выносятся:

• результаты научного обоснования разработки и практической реализации создания современного микротурбинного генератора;

• результаты теоретической разработки и исследований характеристик радиально-осевой турбины, центробежного компрессора, выносной камеры сгорания, теплообменника и газодинамических подшипников;

• результаты комплексного подхода к созданию перспективного отечественного микротурбинного генератора, связанные с использованием прототипов и поиском оптимальных термодинамических, газодинамических и конструктивных решений в условиях технологических ограничений имеющегося производственного оборудования.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах и конференциях:

• Совместное заседание Научных советов РАН «Теплофизика и теплоэнергетика» и «Комплексные проблемы энергетики» 18 февраля 2010г. Москва. Повестка дня: «Развитие малой энергетики в Российской федерации. Состояние и перспективы».

• Международная научно-практическая конференция «XXXVIII неделя науки СПбГПУ», Санкт-Петербург, СПбГПУ, 30.11-05.12 2009 г., Два доклада.

• XVII Международная научно-методическая конференция. « Высокие интеллектуальные технологии и инновации в образовании и науке», Санкт-Петербург, СПбГПУ, 11-12 февраля 2010 г.

• II Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы машиностроения», г. Самара, 6-8 апреля 2010 г.

• Международная конференция «Инновационная политика и изобретатели (Россия-начало XXI века)»,Санкт-Петербург, СПбГПУ, 28.04.2009г..

• Научно-технический семинар на тему «Научно-техническое обоснование и практическая реализация создания микротурбинного генератора мощностью 100 кВт на основе современных расчётно-экспериментальных методов», СПбГПУ, Санкт-Петербург, СПбГПУ, 21.02.20011г.

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 10 печатных научных трудах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, приложений и списка литературы. Она изложена на 142 страницах текста и содержит 134 рисунка, 44 таблицы и списка литературы из 64 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрены области применения микротурбинных генераторов (в зарубежной литературе такие установки называют микротурбины). Сформулированы основные требования к микротурбинным генераторам, показаны их преимущества и эффективность использования, обоснована актуальность темы диссертации.

В первой главе приведен обзор и состояние развития современных зарубежных микротурбинных генераторов, производимых зарубежными компаниями: Ingersoll, Turbec, Capstone, Elliott, Bowmen, Nissan и Toyota. Представлены их основные характеристики. Выполнен сравнительный анализ их показателей. Проанализированы их преимущества и недостатки. Рассмотрены области применения и конструктивное исполнение. Сформулированы цели и задачи исследования.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию и выбору параметров и характеристик микротурбинного генератора. Разработано методическое обеспечение для исследования тепловых схем энергетических газотурбинных установок малой мощности. Выполнена параметрическая оптимизация, на основании которой произведен выбор оптимальных параметров и характеристик микротурбинного генератора.

Были рассмотрены две тепловые схемы микротурбинных генераторов: простая (рис. 1) и с регенерацией тепла уходящих газов.

Рис. 1. Тепловая схема МТГ Рис.2. Зависимость КПД от степени повышения простой схемы давления и разной начальной температуры газа

Рнс.З. Тепловая схема МТГ с Рис.4. Зависимость КПД от степени повышения регенерацией давления и разной степени регенерации _Таблица 1

Параметр Обозначение Значение

Температура окружающей среды, К Т„ 288

Давление окружающей среды, МПа Р„ 0,1013

Коэффициент потерь полного давления во входном устройстве * аВХ.УС 0,96

Внутренний КПД компрессора по полным параметрам Лкв 0,82

Начальная температура газа перед турбиной, К п 1173

Степень повышения давления в компрессоре пк не менее 3,8

Коэффициент полноты сгорания 1кс 0,99

Коэффициент потерь полного давления в КС с КС 0,96

Степень регенерации не менее 0,9

Коэффициент потерь полного давления по воздушной стороне теплообменника * аБТ 0,97

Коэффициент потерь полного давления по газовой стороне теплообменника а*гг 0,95

Внутренний КПД турбины по полным параметрам * Чтв 0,9

Коэффициент потерь полного давления в выходном устройстве * (ТВЫХ.УС 0,96

Расход воздуха через компрессор, кг/с вв 0,882

Внутренний КПД МТГ * Лгту 0,35

Выполненная параметрическая оптимизация показала, что микротурбинные генераторы простой схемы для обеспечения КПД свыше 30% требуют применения охлаждаемых турбин даже при начальных температурах газа Т3 =1500 К и компрессоров с высокими степенями повышения давления (рис.3), что практически трудно реализуется в микротурбинных генераторах. На рис.4 показаны характеристики микротурбинного генератора с регенерацией в зависимости от степени повышения давления и степени регенерации. В результате выполненной параметрической оптимизации были выбраны оптимальные характеристики и параметры микротурбинных генераторов с ре-

генерацией, обеспечивающие получение КПД не менее 35%, приведенные в таблице 1. В работе показаны результаты расчётного исследования по влиянию характеристик основных узлов микротурбинных генераторов на внутренний КПД, что позволяет выбрать главные пути совершенствования основных элементов генераторов для получения максимального КПД микротурбинного генератора.

В третьей главе разработаны принципы построения конструктивной схемы перспективного микротурбинного генератора малой мощности. Путем применения комплекса современных теоретических методов разработаны и обоснованы основные технические решения для создания отечественного микротурбинного генератора. К таким решениям относится применение малорасходных высокоэффективных турбин, малорасходных центробежных компрессоров, газодинамических подшипников и высокооборотных электрогенераторов с преобразователями, малотоксичных камер сгорания и теплообменников с высокой степенью регенерации. Выбраны, оптимизированы и обоснованы их характеристики. В качестве малорасходной турбины микротурбинного генератора была принята радиально-осевая центробежная турбина, как имеющая максимальную экономичность и другие преимущества при малых мощностях по сравнению с другими турбинами. В работе рассмотрены 3 варианта сопловых аппаратов (СА), исследованы потери кинетической энергии в них. Для практической реализации принята конструкция СА с осе-симметричными соплами (рис.5) как наиболее технологичная. Кроме того, такая конструкция может быть изготовлена из керамики, что позволит в дальнейшем увеличить начальную температуру газа перед турбиной и поднять КПД микротурбинного генератора. На рис.7 приведены результаты выбора оптимальных геометрических параметров турбины с учётом ограничений. Спрофилированное и спроектированное рабочее колесо изображено на рис.6.

Рис.5. Сопловой аппарат турбины Рис.6. Рабочее колесо турбины

0,91

0,89

\

ч> Оптимальная течка

— Ограничение по

ит

— КПД т при альфа1 =26 (рад

—Ограничение по ЬеИ (нижняя

• КПД т при апьфа1 =20 град

■ КПД т при альфа! =14 град

Ограничение поп (нижняя граница)

Рис.7. К выбору оптимальных характеристик турбины

Рис.8. Рабочее колесо компрессора

В работе выполнен выбор параметров малорасходного центробежного компрессора, профилирование входной и выходной улиток, лопаточного и безлопаточного диффузоров, рабочего колеса, расчёт и построение характеристик (рис.8).

Одним из наиболее радикальных решений концепции перспективного МТГ является отказ от опорных элементов с масляной смазкой и охлаждением. Это стало возможно благодаря применению газодинамических подшипников (ГП). Прогресс, достигнутый в разработке и эксплуатации ГП, а также тенденция их дальнейшего развития позволяет рассматривать ГП в качестве перспективы применения в микротурбинных генераторах. Из известных конструкций был выбран лепестковый газодинамический подшипник как наиболее удовлетворяющий поставленной задаче. Это обусловлено простотой конструкции, малыми массогабаритными и стоимостными показателями, большим ресурсом и надёжностью. Принцип действия лепестковой опоры основан на эффекте повышения давления в клиновидном зазоре, возникающем при относительном перемещении поверхностей, разделенных слоем вязкого газа - «эффекте гидродинамического клина». Преимущества ЛГП: высокая рабочая температура, компенсация тепловых деформаций, высокие демпфирующие свойства, самоцентрирование.

Для создания роторов микротурбинных генераторов на газовых опорах в диссертации были разработаны методы расчёта, проектирования и изготовления ГП с увеличенной несущей способностью и улучшенными упруго-демпферными свойствами, методы расчёта динамических характеристик роторов МТГ на ГП, высокотемпературные антифрикционные покрытия и созданы осевые и радиальные газодинамические подшипники (рис.9).

Рис.9. Лепестковый подшипник В результате выполнения работы выбор наиболее оптимального типа электрогенератора сделан в пользу высокоскоростной синхронной электрической машины с возбуждением постоянными магнитами. Данный тип электрической машины обладает наивысшим КПД, удельной генерируемой мощностью и высокой скоростью вращения ротора. Высокоскоростной синхронный стартер-генератор обеспечивает пуск и выработку электроэнергии от микротурбинного генератора.

На рис.10 показаны результаты теплового и электромагнитного расчетов, выполненные с помощью программы Е1са(1.

' " Г " - - ; ■ 0 -

- РЬ",

Рис.10. Результаты теплового и электромагнитного расчета стартер-генератора Одной из важных проблем в создании МТГ является разработка и создание малогабаритной низкотоксичной камеры сгорания. Для этих целей наиболее предпочтительной является индивидуальная выносная камера сгорания.

Преимуществами данной схемы являются: низкий уровень выбросов вследствие минимального объёма жаровой трубы до отверстий смесителя, низкий уровень токсичных выбросов вследствие максимального объёма жаровой трубы, максимальный эффективный КПД термодинамического цикла вследствие высокого значения коэффициента полноты сгорания.

„ Малые габариты уста-

новки и повышенные требования к надежности, экономично-■||ЛШП| сти и экологическим характери-

. стикам подтверждают целесо-

' * - ^ 5 образность выбора камеры сго-

* а. 'ь ^ а рания выносного типа, с горел-

1Шн£Ш кс® предварительного смеши-

* •'РИ'^^вИИШШЯ.ваЬт вания с двумя каналами подвода топлива, регулируемыми

• . ц \ ™\ трактами первичного воздуха и вторым каналом топлива, без системы внутреннего загради-Рис. 11. Камера сгорания тельного охлаждения пламен-

ной трубы (рис.11).

При выборе теплообменника системы регенерации МТГ для обеспечения необходимого значения степени регенерации 0.9 были рассмотрены разные компактные поверхности теплообмена. Анализ рассмотренных поверхностей показал, что максимальная компактность и минимальная стоимость достигается в теплообменниках с пластинчатыми поверхностями нагрева. Выбор числа ходов теплообменника осуществлялся с помощью метода Кейса - Лондона. Полученные параметры и характеристики рассмотренных элементов МТГ практически обеспечивают принятые оптимальные параметры тепловой схемы микротурбинного генератора.

Четвертая глава посвящена прочностному обоснованию основных элементов перспективного микротурбинного генератора. С помощью численных методов было выполнено расчётное исследование по определению прочностных характеристик основных узлов МТГ: турбины, компрессора, ротора и камеры сгорания. В работе приведены эквивалентные напряжения, коэффициенты запаса прочности и вибрационная диаграмма турбины, эквивалентные напряжения, коэффициенты запаса прочности и вибрационная диаграмма компрессора, прочностные характеристики ротора, результаты прочностных исследований камеры сгорания.

В пятой главе диссертации приведены материалы по созданной экспериментальной базе для исследования основных элементов микротурбинных генераторов (турбины, компрессора, камеры сгорания и газодинамических подшипников).

Современный уровень совершенства турбомашин предъявляет высокие требования к качеству аэродинамических исследований их проточных частей. Для проведения опытных исследований разрабатываемого микротурбинного генератора возникла необходимость в создании экспериментального стенда, позволяющего испытывать модельные ступени турбин при модельных режимных параметрах и компрессоров в натурных условиях. Для решения этой важной задачи изготовлено специальное экспериментальное обору-

дование, которое смонтировано в лаборатории кафедры «Турбинные двигатели и установки» СПбГПУ. В состав стенда входят: воздуходувная станция лаборатории; экспериментальная установка ЭУ-120Тц; масляная система и водяная система; системы управления, измерения и сбора экспериментальных данных.

Экспериментальная установка ЭУ-120Тц для исследования радиальных центростремительных турбинных ступеней и центробежных компрессоров состоит из следующих основных узлов: индукторного тормоза, исследуемых объектов и моментомера (рис.12). Объекты исследования представлены на рис.12. Для определения показателей, характеризующих совершенство проточных частей исследуемых объектов и газодинамических характеристик ступеней, разработаны методики обработки экспериментальных данных.

Для проведения испытаний камеры сгорания был создан стенд. Фото камеры сгорания представлено на рис.13. Экспериментальные характеристики показаны на рис.14 (□ - N0*; 0 - СО).

установка ЭУ-120Тц, общий вид, фото установки

Рис.13. Фото КС

N0*. ррш

-»-«О

35 Уго.гогжршш оддагра, град

|Й5()

Рис.14. Экспериментальные данные по исследованию КС

Для исследования газодинамических подшипников была создана установка, изображенная на рис.15. Произведено исследование разгонных характеристик (рис 16.), наработка времени работы подшипников и числа пусков-остановов. Исследования показали, что время «всплытия» ротора составляет 0,8 с и скорость 3000 об/мин, что является очень хорошим результатом для ЛГП.

Разгонная ха рактеристика

$ ф Ы 4$ Ш Ж Ш

Рис. 15. Установка для испытаний газо- Рис. 16. Разгонная характеристика ГП динамических подшипников

В рамках данной работы был разработан новый тип антифрикционного высокотемпературного покрытия на основе наноалмазов. Исследования данного антифрикционного покрытия на высокотемпературной машине трения показали, что оно сохраняет работоспособность во всем интервале срока эксплуатации.

В шестой главе приведено описание конструкции созданного перспективного МТГ.

Микротурбинный генератор МТГ-100, рис.17 и 18 состоит из электрогенератора I и малогабаритного турбокомпрессора II. Теплообменник системы регенерации и камера сгорания выполнены выносные. По компоновке двигатель трехопорный на газодинамических подшипниках.

о 1-7 г^я ~ i,Tr 1ПП Рис.18. Трехмерное изображение

Рис .17. Общии вид МТГ-100 МТГ 100

В качестве опорных и упорных элементов ротора используются газодинамические лепестковые подшипники НЗ. Генератор I, центробежный компрессор II-1 и радиально-осевая турбина II-2 соосны. Турбокомпрессор II состоит из центробежного компрессора II-1 и радиально-осевой турбины II-2.

Рабочие колеса центробежного компрессора (рис.19) и радиально-осевой юсны, расположены на одном валу.

Ротор микротурбинного генератора МТГ-100, рис. 21 и 22 , состоит из опорных шеек и упорного диска подшипников, роторной части генератора I, рабочего колеса центробежного компрессора II, рабочего колеса радиально-осевой турбины III, и связующих элементов - шпилек а,с с гайками. Крутящий момент турбины передается по валу хиртовыми соединениями.

Рис.19. Фото рабочего колеса компрессора

Рис.20. Фото рабочего колеса турбины

Рис.21. Фото ротора МТГ-100

Рис.22. Ротор МТГ-100 Заключение

• разработаны и обоснованы основные технические решения с применением комплекса современных теоретических методов трёхмерного численного моделирования основных узлов микротурбинного генератора с максимальным использованием конструкторско-технологических решений. К таким решениям относятся применение малорасходных высокоэффективных радиально-осевых турбин с внутренним КПД по полным параметрам не менее 90% и начальной температурой газа перед турбиной, равной 1173К; малорасходных центробежных компрессоров с политропическим КПД = 0.82 и степенью повышения давления не менее 3.8; газодинамических подшипников и высокооборотных электрогенераторов с преобразователями с частотой вращения ротора до 60000 об/мин, низкотоксичных камер сгорания с низким уровнем эмиссий N0* <15;

• показано, что создание микротурбинного генератора на уровень КПД 0,34, при достигнутых на сегодняшний день КПД турбомашин и гидравлических потерь в трактах, по простой схеме МТГ не представляется возможным;

• проведены стендовые модельные испытания основных узлов МТГ, с идентификацией численных моделей с экспериментальными результатами и оптимизацией технических решений по результатам испытаний;

• оптимизированы термодинамические параметры основных узлов микротурбинного генератора малой мощности - компрессора, камеры сгорания и турбины, а их характеристики взаимоувязаны для работы в едином турбоагрегате;

• оптимизирован, спроектирован и создан центробежный компрессор со степенью сжатия и политропический КПД на номинальном режиме 3.8 и 82% соответственно. Тестовые испытания практически подтвердили эти характеристики;

• оптимизирована, разработана и изготовлена неохлаждаемая радиально-осевая турбина с КПД по полным параметрам 0.895. Тестовые испытания практически подтвердили эти характеристики;

• спроектирована, изготовлена и испытана выносная малоэмиссионная камера сгорания, обеспечивающая заданную радиальную и окружную эпюры температур перед турбиной. И уровень выбросов N0* < 7 мг/нм3.

• цикл микротурбинного генератора с регенерацией позволяет выполнить задачу создания МТГ с внутренним КПД не менее 34%. Полученные параметры и характеристики практически обеспечивают принятые оптимальные параметры тепловой схемы микротурбинного генератора;

• с помощью численных методов было выполнено расчётное исследование по определению прочностных характеристик основных узлов МТГ: турбины, компрессора, ротора и камеры сгорания;

• в процессе конструкторских проработок и прочностных расчетов была определена оптимальная форма рабочего колеса турбины - с удлиненной в осевом направлении выходной кромкой лопаток. Статическая прочность рабочего колеса турбины, изготовленного из сплава ЭП975-ИД, обеспечена -запас по пределу текучести больше 1.30; запас по пределу длительной прочности на 25000 часов близок к 1.50. [РТМ 108.022.106-86]. В процессе численных исследований были изучены характерные и наиболее опасные формы собственных колебаний рабочего колеса турбины. В процессе расчетов определены места наибольших напряжений РК компрессора - поверхность центрального отверстия и прикорневая часть входных кромок лопаток. В процессе выполнения конструкторских проработок и прочностных расчетов был выбран работоспособный вариант колеса компрессора, характеризующийся минимальной толщиной обода, равной 2мм;

• накоплен уникальный опыт технологического освоения производства газотурбинного оборудования в условиях использования современного машиностроительного комплекса по таким технологическим операциям как изготовление центробежных компрессоров, радиально-осевых турбин, газодинамических подшипников и др.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

Научные статьи, опубликованные в рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК:

1. Беседин, С.Н. Автономные газотурбинные установки малой мощности // Научно технические ведомости СПбГПУ 4-1(89) - 2009. - С.153-166.

2. Беседин, С.Н. Экспериментальный стенд для модельных испытаний ради-алыю-осевой турбины газотурбинной установки малой мощности/ С.Н.Беседин, В.А.Рассохин, Г.А.Фокин, Г.Л.Раков // II Всероссийская научно-практическая конференция Актуальные проблемы машиностроения 6-8 апреля 2010. - г. Самара - С. 284-289.

3. Беседин, С.Н. Микротурбинный генератор электрической мощности 100 кВт (МТГ 100)/ С.Н.Беседин, В.А. Рассохин, Е.И. Окунев // Научно технические ведомости СПбГПУ - Сентябрь 2010. - С.57-61

Работы, опубликованные в других изданиях:

4. Беседин, С.Н. Результаты испытаний модельной камеры сгорания для газотурбинного двигателя мощностью 100 кВт/ С.Н.Беседин, Ю.В. Матвеев,

B.В. Миронов, В.А. Рассохин // XXXVIII неделя науки СПбГПУ: Материалы Международной научно-практической конференции 30.11-05.12 2009.- С.51.

5. Беседин, С.Н. Модернизация экспериментальных установок для исследования малорасходных турбин автономных источников электрической энергии малой мощности/ С.Н.Беседин, Ю.В. Матвеев, В.В. Миронов, В.А. Рассохин, С.Г. Раков // XXXVIII педеля науки СПбГПУ материалы международной научно-практической конференции 30.11-05.12 2009. - С.57-59.

6. Беседин, С.Н. Разработка и создание автономных энергетических установок малой мощности на базе газотурбинного цикла простой схемы с сильно развитой системой регенерации цикла/ С.Н.Беседин, H.A. Забелин, С.Ю. Олейников, В.Г. Полищук, В.А. Рассохин, Г.Л. Раков, Г.А. Фокин // Инновационная политика и изобретатели (Россия -начало XXI века). 28 апреля 2009. - С.58-61.

7. Беседин, С.Н. Разработка и создание автономных энергетических установок малой мощности с расширительной турбиной/ С.Н.Беседин, Г.А. Фокин, И.С. Харисов // Журнал «Газотурбинные технологии». Январь 2010. № 1(82).

C. 10-13.

8. Беседин, С.Н. Стенд для исследования высокооборотных модельных ступеней малорасходных турбин конструкции ЛПИ/ С.Н.Беседин, H.A. Забелин, Ю.В. Матвеев, В.А. Рассохин, Г.Л. Раков, Г.А. Фокин // Высокие интеллектуальные технологии и инновации в образовании и науке XVII Международная научно-методическая конференция. 11-12 февраля 2010. - Т.1 - С.262-263.

9. Беседин, С.Н. Расчетно-экспериментальные исследования малотоксичной камеры сгорания для газотурбинной установки малой мощности/ С.Н.Беседин, В.А.Асосков, Г.А.Фокин // Электронный журнал «Исследовано в России». № 002. - 2010. - С. 30-37.

10. Беседин, С.Н. Автономный источник электрической энергии для газораспределительных станций микротурбодетандерный генератор МДГ-20/ С.Н.Беседин, Н..А. Забелин, В.А. Рассохин, Г.А. Фокин // ENERGY FRESH, №2. - Сентябрь 2010. - С. 60-62.

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 14.04.2011. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 7474b.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ИНДЕКСЫ И СОКРАЩЕНИЯ ПАРАМЕТРБ1Ж€ХАРАКТЕРИСТИ]Ж введение:. щ

1 ОБЗОР И СОСТОЯНИЕ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННЫХ

МИКРОТУРБИННБ1Х ГЕНЕРАТОРОВ^МА ЛОЙ^^ .^

1.1 Основные характеристики, области применения, конструктивное исполнение.—,.

1.2 Формулировка цели* и задач исследования*.'.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ И

ХАРАКТЕРИСТИК МИКРОТУРБИННОГО ГЕНЕРАТОРА МАЛОЙ мощности.:.

2.1 Методологическое обеспечение для исследования тепловых схем микротурбинных генераторов малой мощности. Тепловые схемы и основное характеристики МТГ.

2.1.1 Тепловая схема одновальной МТГ простого типа

2.1.2 Тепловая схема одновального МТГ с регенерацией. 3 д

2.2 Параметрическая оптимизациям.

2.3 Выбор оптимальных параметров и характеристик энергетической газотурбинной установки малой мощности.

3 ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ; МИКРОТУРБИННОГО ГЕНЕРАТОРА МАЛОЙ МОЩНОСТИ.

3.1 Выбор и научно-техническое обоснование типа турбины для микротурбинного генератора.

3.1.1 Радиально-осевые малорасходные турбины. Особенности рабочего процесса, характеристики и КПД.

3:1.2 Определение размеров турбины, компрессора и частоты вращения ротора турбокомпрессора. ^

3.2 Выбор и научно-техническое обоснование типа компрессора длж микротурбинного генератора.

3.2.1 Малоразмерные центробежные компрессоры.:.

3.2.2 Особенности рабочего процесса1, характеристики и КПД.

3.3 Выбор и научно-техническое обоснование подшипников для микротурбинного генератора».

3.4 Выбор и научно-техническое обоснование камеры,сгорания микротурбинного генератора.

3.5 Выбор и научно-техническое обоснование компактных теплообменников для МТГ малой мощности со степенью регенерации до 0,9 микротурбинного генератора.

3.6 Выбор и научно-техническое обоснование электрогенератора для микротурбинного генератора.

4 ПРОЧНОСТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПЕРСПЕКТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ МАЛОЙ МОЩНОСТИ.

4.1 Прочностное обоснование турбины перспективной энергетической газотурбинной установки малой мощности.

4.1.1 Описание исходных геометрических параметров рабочего колеса турбины

4.1.2 Результаты расчета и описание напряженно-деформированного состояния рабочего колеса.

4.1.3 Свойства материала и коэффициенты запаса прочности.

4.1.4 Вибрационные характеристики рабочего колеса турбины.

4.1.5 Причины возбуждения вибраций рабочего колеса. Расчетная модель и граничные условия, используемые в расчетах его собственных частот.

4.1.6 Расчет собственных частот и форм колебаний рабочего колеса.

4.2 Компрессор.

4.2.1 Описание геометрических параметров рабочего колеса компрессора

4.2.2 Особенности напряженного состояния вариантов рабочего колеса компрессора ЦК100-160/60.

4.2.3 Вибрационные характеристики рабочего колеса компрессора.

4.3 Прочностное обоснование ротора.

4.3.1 Описание элементов конструкции ротора МТПОО.

4.3.2 Расчет собственных частот и соответствующих форм ротора.

4.3.3 Расчет колебаний, вызванных дисбалансом ротора.

4.3.4 Расчет вибрации ротора МТПОО.

4.4 Прочность камеры сгорания».

5 ОБОРУДОВАНИЕ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТЕНДЬГИ УСТАНОВКИ, ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ.

5.1 Экспериментальный стенд для исследования радиально-осевых турбин

5.1.1 Воздушная система.

5.1.2 Экспериментальная установка ЭУ МТГ-ЮОРОТ.

5.1.3 Масляная система.

5.1.4 Водяная система.

5.1.5 Объекты исследования.

5. 6 Оценка режимов испытаний ступени - моделирование.Г

5.2 Испытания центробежного компрессора.

5.2.1 Экспериментальный стенд для исследования центробежных компрессоров

5.2.2 Экспериментальная установка ЭУ МТГ-ЮОЦК.

5.2.3 Объект исследования: центробежный компрессор.

5.2.4 Оценка режимов испытаний ступени - моделирование.

5.3 Испытания камеры сгорания.

5.3.1 Объект исследования.

5.3.2 Экспериментальный стенд, система измерения и управления, методика проведения экспериментальных исследований и обработки экспериментальных данных

5.4 Испытания газодинамических подшипников.

5.4.1 Объект исследования.

5.4.2 Экспериментальный стенд.

5.4.3 Система измерения и управления.

5.4.4 Методика проведения экспериментальных исследований и обработки экспериментальных данных.

5.5 Результаты экспериментальных исследований основных элементов газотурбинной установки и сравнение их с теоретическими исследованиями

5.5.1 Результаты экспериментальных исследований КС.

5.5.2 Результаты экспериментальных исследований газодинамических подшипников.

6 КОНСТРУКТИВНЫЙ ОБЛИК МИКРОТУРБИННОГО ГЕНЕРАТОРА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТЬЮ 100 КВТ (МТГ-100).

6.1 Турбокомпрессор.

6.1.1 Центробежный компрессор.

6.1.2 Радиально-осевая турбина.

6.2 Ротор турбокомпрессора.

6.3 Камера сгорания.

6.4 Рекуператор.

Многообразие потребителей энергии^ и требований к виду1 и ^Качеству энергообеспечения, заставляет по-новому взглянуть на роль ав'3^«1>номных энергетических агрегатов малой мощности (от десятков киловатт до «Скольких мегаватт) в общей структуре энергетики. В условиях экономического^» кризиса трудно рассчитывать на изыскание достаточных материальных реоз^р>сов для ввода в эксплуатацию в ближайшие годы новых энергетически^ станций большой мощности (за исключением завершения строительства ране^^ Начатых объектов).

Вместе с тем наличие большой доли оборудования, уже отсл^-о^сившего проектный ресурс или приближающегося к этому сроку, связано с не^зНежным выводом из эксплуатации части этого оборудования, что пр^^^одит к определенному сокращению производства тепловой и, электрическое^ энергии В таких условиях в ближайшей перспективе серьезное внимание следует уделить сооружению относительно дешевых автономных э^Р^^тических установок (АЭУ) малой мощности, различного назначения, Финанс^х1рование которых возможно как из местных бюджетов, так и за счет и^Ез^вестиций частного капитала.

Аналогичные процессы проходят не только в России, но и многих зарубежных странах.

Области использования АЭУ малой мощности очень широк^:^ это*

• промышленные предприятия, медицинские учреждения, ^схтлищные коттеджи, бизнес - центры и другие объекты крупных городов, в том числе Санкт - Петербурга;

• магистральные газопроводы, газораспределительные станции нефтепроводы, нуждающиеся в энергообеспечении для но1?:1\<гального функционирования;

• предприятия по переработке бытовых отходов;

• развивающиеся районы нашей, страны, где отсутствуют в настоящее время энергоисточники и линии электропередач;

• энергодефицитные, районы Крайнего Севера, Дальнего Востока, некоторых районов Нечерноземья;

• резервирование линий > электропередач, питающих* ответственных потребителей энергии, а также восполнение дефицита* электроэнергии^ вызванного стихийными бедствиями и другими чрезвычайными ситуациями;

• мобильные источники электрической" и тепловой энергии для нужд« МЧС;

• малые города, коттеджные поселки и деревни, во многих из которых до сих пор не решен вопрос централизованного теплоэнергоснабжения;

• крупные животноводческие фермы, предприятия по переработке сельскохозяйственной продукции, предприятия лесозаготовительной промышленности, поисковые партии газовиков, геологов, и др., нуждающиеся в электрической, тепловой, механической энергии, подаче воды и сжатого воздуха;

Создание фермерских хозяйств и коттеджных зон усилит потребность в сравнительно маломощных энергетических установках для привода электрических генераторов, насосов, компрессоров, различных машин и механизмов для выполнения тех или иных сельскохозяйственных, бытовых и других технологических операций. Энергетические установки таких потребителей должны быть недорогие, доступные для приобретения широкому кругу представителей малого бизнеса. По нашему мнению потребность в таких автономных установках может оказаться значительной даже в районах с развитыми электрическими станциями в связи с высокой стоимость строительства и эксплуатации линий электропередач в условиях сельской местности.

Эффективность использования.АЭУ малой мощности определяется:

• низкой себестоимостью производства электроэнергии и тепла при использовании совершенного оборудования;

• высокой надежностью энергоснабжения;

• существенным сокращением сроков их сооружения;

• независимостью режима работы от загруженности энергосгеап^^ггемьг

• уменьшением отчуждения территории под крупное энеР:г"^гз?11ческс)е строительство;

• повышением экологичности производства электроэнергией^ ^ тепла снижением затрат на охрану окружающей среды;

• применением перспективных современных технол0;ги^ и технических решений при создании новой техники.

Этот класс установок должен быть ориентирован на широк^з^^о гамму топлив (многотопливность): жидкое, газообразное, твердое, отходы -Лесной и сельскохозяйственной промышленности, биогаз, продукты пер ^работки бытовых отходов, продукты подземной или промышленной газ:<офИкацИИ твердых топлив, отходов нефтедобычи и нефтепереработки, и др.

В зависимости от складывающихся ситуаций в процессе экохюхуатации рассматриваемых установок возможно изменение вида топлива, в сн^з^ с чем к ним должно быть предъявлено требование приспособляемости к иг^^енению условий эксплуатации.

Принципиально в качестве автономных могут быть 1х5>И:менены теплоэнергетические установки с различными типами агрегатов: -Огвигатели внутреннего сгорания; паровые и газовые турбины или их комбинациях.

Каждый из этих типов агрегатов может оказаться рациональны^^ для или иной конкретной области применения и вида топлива.

К автономным энергетическим установкам должно быть предъявлено требование комплектности и блочной поставки, а, следовательно, необходимо создания малогабаритных турбин, камер сгорания, насосов и теплообменного оборудования.

Разрабатываемые автономные энергетические установки: должны работать с минимальными вредными выбросами в окружающую среду за счет применения высокоэффективных технологий сжигания, что о(5есггечивает экологическую безопасность установок.

Особенности эксплуатации автономных установок, тяжелые климатические условия; недостаточная, порой; квалификация обслуживающего персонала; требуют большой надежности агрегатов, простоты; монтажа, ремонта, а также высокой степени* автоматизации, , включая« компьютерное: управление:

В> связи? с актуальностью поставленных задач по развитию) автономной-энергетики и 1 высокой; востребованностью' их на рынке локальных* источников! электрической и тепловой! энергии, был выполнен комплекс теоретических! и экспериментальных исследований, направленных на! разработку и создание микротурбинных генераторов (МТГ) мощностью 100 -кВт.

В зарубежной и отечественной литературе такие установки называют микротурбинами. Микротурбина - это автономная тепловая электростанция малой мощности. Микротурбина; имеет электрическую мощность от нескольких киловатт до 1000 кВт. Микротурбина - это электростанция« с очень низким уровнем вредных выбросов: Микротурбина, не требует больших расходов, на эксплуатацию и обслуживание. Минимальная электрическая мощность микротурбины - несколько кВт. Микротурбины легко объединяются в кластер - единую энергетическую систему. Кластер из микротурбин позволяет вырабатывать значительную мощность - до 10 МВт. В режиме когенерации микротурбина способна успешно решать задачи теплоснабжения различных объектов: Тригенсрация, применительно к микротурбине, дает возможность преобразовывать избытки тепловой энергии, в холод, производимый абсорбционными холодильными машинами (АБХМ).

Микротурбины имеют чрезвычайно низкий уровень эмиссий 1ЧОх < 15 ррт, что позволяет устанавливать их даже в жилых массивах. Микротурбина - это новый экологический стандарт для всех автономных электростанций. Микротурбина представляет собой яркий образец инновационных технологий в сфере электроэнергетики. Микротурбины надежно работают с топливом широкого спектра, это: природный газ с любым давлениему биогаз, попутный нефтяной газ с высоким содержанием серы дизельное топливо, сжиженный газ - пропан, другие виды топлива.

Микротурбинные установки безупречно приспособлены для работы с неравномерными нагрузками. При снижении электрической нагрузки в ночное время, микротурбины способны в течение длительного времени работать, с мощностью от 1%, без какого-либо снижения ресурса эксплуатации. Эта инновационная особенность позволила применять . микротурбины для автономного энергоснабжения: жилых домов, торговых центров; офисных сооружений, бассейнов, больниц, предприятий общественного питания. Также легко, микротурбина справляется и с пиковыми нагрузками.

Для управления микротурбины используется современная цифровая система, которая отслеживает все ключевые параметры работы электростанции. Система управления не требует постоянного присутствия персонала. Мониторинг микротурбины может осуществляться с помощью удаленного доступа через телефонную (SMS), модемную или спутниковую связь.

Воздушное охлаждение микротурбины повышает надежность установки и удешевляет эксплуатацию. Работа без вибраций, низкий уровень шума позволяет использовать установки в жилых кварталах и на морских газодобывающих платформах.

Преимущества микротурбин (микротурбинных генераторов): возможность работы в течение длительного времени при низких нагрузках,

• низкий уровень выбросов, вибраций, шума,

• работа без смазок и моторного масла,

• низкая стоимость эксплуатационных расходов

• длительный ресурс до капитального ремонта,

• возможность работы на различных видах топлива

• высокая надежность.

Всё вышесказанное определяет высокую актуальность диссертационной работы.

В первой главе приведен обзор и состояние развития современных микротурбинных генераторов малой мощности (микротурбин), производимых зарубежными производителями. Представлены основные характеристики, области применения, конструктивное исполнение. Сформулированы цели и задач исследования.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию! и выбору параметров и характеристик микротурбинных генераторов малой мощности. Разработано методологическое обеспечение для исследования тепловых схем МТГ малой мощности. Выполнена параметрическая оптимизация, на основании которой произведен выбор оптимальных параметров и характеристик МТГ малой мощности.

В третьей главе разработаны принципы построения конструктивной схемы перспективного МТГ малой мощности. Выбраны основные элементы МТГ, обоснованы их характеристики.

Четвертая глава посвящена прочностному обоснованию основных элементов перспективного МТГ.

В пятой главе описаны экспериментальные стенды и установки, объекты исследования, методики проведения экспериментальных исследований и обработки экспериментальных данных представлены результаты экспериментальных исследований основных элементов МТГ и сравнение их с теоретическими исследованиями.

В шестой главе приведено описание конструктивного облика перспективного МТГ малой мощности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

• разработаны и обоснованы основные технические решения с применением комплекса современных теоретических методов трёхмерного численного моделирования основных узлов микротурбинного генератора с максимальным использованием конструкторско-технологических решений. К таким решениям относятся применение малорасходных высокоэффективных радиально-осевых турбин с внутренним КПД по полным параметрам не менее 90% и начальной температурой газа перед турбиной, равной 1173К; малорасходных центробежных компрессоров с политропическим КПД = 0.82 и степенью повышения давления не менее 3.8; газодинамических подшипниковш высокооборотных электрогенераторов с преобразователями с частотой > вращения ротора до' 60000 об/мин, низкотоксичных камер сгорания с низким уровнем эмиссий NOx <15;

• > цикл микротурбинного генератора с регенерацией позволяет выполнить задачу создания MTF с-внутренним КЦД не менее 34.35%. Полученные параметры и характеристики' практически обеспечивают принятые оптимальные параметры тепловой схемы микротурбинного генератора;

• показано, что создание микротурбинного генератора на уровень КПД 0,33.0,34, при достигнутых на сегодняшний день КПД турбомашин и гидравлических потерь в трактах, по простой схеме MIT не представляется возможным;

• проведены стендовые модельные испытания основных узлов МТГ, с идентификацией численных моделей с экспериментальными результатами и оптимизацией технических решений по результатам испытаний;

• оптимизированы термодинамические параметры основных узлов микротурбинного генератора малой мощности — компрессора, камеры.сгорания и турбины, а их характеристики взаимоувязаны для> работы в едином турбоагрегате;

• оптимизирован, спроектирован и создан центробежный компрессор со степенью сжатия и политропический КПД на номинальном режиме 3.8 и 82% соответственно. Тестовые испытания практически подтвердили эти характеристики;

• оптимизирована, разработана и изготовлена неохлаждаемая радиально-осевая турбина с КПД по полным параметрам 0.895. Тестовые испытания практически подтвердили эти характеристики;

• спроектирована, изготовлена и испытана выносная малоэмиссионная камера сгорания, обеспечивающая заданную радиальную и окружную эпюры температур перед турбиной. И уровень выбросов NOx< 7 мг/нм .

198

• с помощью численных методов было выполнено расчётное исследование по определению прочностных характеристик основных узлов МТГ: турбины, компрессора, ротора и камеры сгорания;

• в процессе конструкторских проработок и прочностных расчетов была определена оптимальная форма рабочего колеса турбины - с удлиненной в осевом направлении выходной кромкой лопаток. Статическая прочность рабочего колеса турбины, изготовленного из сплава ЭП975-ИД, обеспечена -запас по пределу текучести больше 1.30; запас по. пределу длительной прочности на 25000 часов близок к 1.50. [РТМ 108.022.106-86]. В процессе численных исследований были изучены характерные и наиболее опасные формы собственных колебаний рабочего колеса турбины. В процессе расчетов определены места наибольших напряжений РК компрессора - поверхность центрального отверстия и прикорневая часть входных кромок лопаток. В процессе выполнения конструкторских проработок и прочностных расчетов был выбран работоспособный вариант колеса компрессора, характеризующийся минимальной толщиной обода, равной 2мм;

• накоплен уникальный опыт технологического освоения производства газотурбинного оборудования в условиях использования современного машиностроительного комплекса по таким технологическим операциям как изготовление центробежных компрессоров, радиально-осевых турбин, газодинамических подшипников и др.

1. Г. Арзамасов; Б.Н. Материаловедение/ Б.Н. Арзамасов и др.//М.: МЕТУ им;Баумана; 2005. — 475 с.2. , Арсеньсв, Л.В. Стационарные газотурбинные установки/ Л:В!Арсеньев,? ВЖ.Тырышкищ ИСА.Боговй и др;.// Л1: МашиностроениеЛЬнингр: отдгние, 1989.-543с.

2. Арсеньсв, Л.В. Газотурбинные установки. Конструкции; и< расчет: Справочное: пособие/ Л.В.Арссньев, Ф.С.Бедчер, И.А.Богов и др. // Л.: Машиностроение.Ленингр. отд-ние.- 1978. 232 с.

3. Арсеньев Л.В. Расчет тепловой схемы ГТУ: Учебное пособие/ ЛВ.Арсеньев, В.А.Рассохин, С.Ю.Олейников, Г.Л. Раков // Ленингр. гос. техн. ун-т. Спб, 1992.-64 с.

4. Банков, Б.П. Турбокомпрессоры для наддува дизелей: Справочное пособие/ Б.П.Байков, В.Г.Бордуков, П.В.Иванов, Р.С. Дейч // Л:: Машиностроение, Ленинград 1975. — 200с.

5. Беседин, С.Н. Автономные газотзфбинные установки;малойшощности // Научно технические ведомости СПбГПУ 4-1(89) 2009. - С. 153-166.

6. Беседин; С.Н; Микротурбинный генератор электрической мощности 100 кВт (МТГ 100)/ С.Н.Беседин, В.А. Рассохин, Е.И. Окунев // Научно технические ведомости СПбГПУ Сентябрь 2010. - С.57-61

7. Беседин, С.Н. Разработка и создание автономных энергетических установок малой мощности с расширительной турбиной/ С.Н.Беседин, Г.А. Фокин, И.С. Харисов // Журнал «Газотурбинные технологии». Январь 2010. № 1(82). С. 10-13.

8. Беседин, С.Н. Расчетно-экспериментальные исследования малотоксичной камеры сгорания для газотурбинной установки малой мощности/ С.Н.Беседин, В.А.Асосков, Г.А.Фокин // Электронный журнал «Исследовано в России». № 002. 2010. - С. 30-37.

9. Беседин, С.Н. Автономный источник электрической энергии для газораспределительных станций микротурбодетандерный генератор МДГ-20/ С.Н.Беседин, Н.А. Забелин, В.А. Рассохин, Г.А. Фокин // ENERGY FRESH, №2. Сентябрь 2010. - С. 60-62.

10. Биргер, И.А. Расчет на прочность деталей машин/ И.А.Биргер, Б.Ф.Шорр, Г.Б.Иосилевич// М.: Машиностроение. -1993. 419 с.

11. Данилевич, Я.Б. Электроэнергетические установки с синхронными генераторами нестандартной частоты / Я.Б.Данилевич, В.Е. Сигаев // Электричество. -2000, №5 С. 28-31.

12. Дроздович, В.Н. Газодинамические подшипники/ В.Н.Дроздович //Ленинград.-Машиностроение.- 1976.-182 с.

13. Зарянкин, А.Е. Радиально-осевые турбины малой мощности/ А.Е.Зарянкин, А.Н. Шерстюк // М.: Машгиз 1963. - 249с.

14. Иванов, P.A. О перспективах использования газотурбинных установок на морских судах и сооружениях/ Р.А.Иванов, В.В. Тимофеев, В:Н. Шитков // Судостроение.-2003, №5.- С. 34-37.

15. Иноземцев, A.A. Газотурбинные двигатели/ A.A. Иноземцев, B.JI. Сандрацкий // Пермь 2006. - 132 с.

16. Костюк, А.Г. Динамика и прочность турбомашин/ А.Г. Костюк // М.: Издат-во МЭИ. 2000.- 378 с.

17. Ланговой, С.М. Выбор параметров и газодинамический расчет радиально-осевых турбин на ЭВМ/ С.М.Ланговой, Н.Д.Саливон // Ленинград — 1989.-55с.

18. Лапшин, К.Л. Математические модели, проточных частей в проектировочных газодинамических расчетах осевых тепловых турбин на ЭВМ: Учебное пособие/ К.Л. Лапшин // Л.: изд. ЛПИ, 1989. - 68с.

19. Левенберг, В.Д. Судовые малорасходные турбины/ В.Д. Левенберг// Л.: Судостроение. 1976. -192с.

20. Лучин, Г.А. Газовые опоры турбомашин/ Г.А.Лучин, Ю.В.Пешти, А.И. Снопов // М.¡Машиностроение.- 1989. 276 с.

21. Манушин, Э.А. Конструирование и расчет на прочность турбомашин газотурбинных и комбинир. Установок/ Э.А.Манушин, И.Г.Суровцев // Машиностр-е.-1990.- 267 с.

22. Михайлов-Михеев, П.Б. Справочник по металлическим материалам турбино- и моторостроения/ П.Б.Михайлов-Михеев// МАШГИЗ. -М.-Л. 1961. -566 с.29: Моргулис, Ю.Б. Т-урбонаддув высокооборотных дизелей/ Ю.Б: Моргулис и др;. М. -^Машиностроение.-1976;-184 с.

23. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок ПНАЭ Г-7-002-86// Энергоатомиздат.- 1989. 169 с.

24. Патент РФ №2279174 Электрическая, машина / Сеньков А'. А. БИ 2006, №18.-3 с.:ил:

25. Патент РФ №2348098 Электрическая машина / Сеньков А. П., Калмыков А. Н., Михайлов В. М., Сеньков А. А. БИ 2009, №6. 5 с.:ил.

26. Патент РФ №2356158 Многослойный торцевой моментный электродвигатель / Сеньков А. П., Калмыков А. Н., Михайлов В. М., Сеньков А. А. БИ 2009, №14. 5с.:ил.

27. Поршаков, Б.П. Газотурбинные установки/ Б.П. Поршаков // М.: Недра. 2-ое изд., доп. - 1992. - 238 с.

28. Рассохин, В. А. Турбины конструкции ЛПИ: преимущества, характеристики, опыт разработки и применение/ В.А.Рассохин// Труды СПбГПУ. — 2004. №491 — 61с.

29. Розенберг, Г.Ш. Центростремительные турбины судовых установок/ Г.Ш. Розенберг // Судостроение, Ленинград 1973. - 216с.

30. Свойства сталей и сплавов, применяемых в котлотурбостроении, ч.2, ЦКТИ,Л.- 1966:- с.344.

31. Слюдиков, М.Н. Проектирование деталей, узлов, приборов и механизмов летательных аппаратов/ Слюдиков М.Н.// Машиностроение М. - 1967. - 217 с.

32. Скубачевский, Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей / Г.С. Скубачевский // М.: Машиностроение. -1974.- 322 с.

33. Смольник, А. Направления развития систем утилизации тепла выпускных газов судовых дизелей/ А. Смольник // Морской флот'. 2005, №6. -С. 66-68.

34. Сорокин, В.Г. Марочник, сталей и сплавов/ В.Г.Сорокин и др.// М., Машиностроение, 1989.- 328 с.42*. Тепловой расчет котлов. Нормативный метод// Санкт-Петербург. -1998.277 с.

35. Установки газотурбинные и парогазовые. Расчет и проектирование камер сгорания. РТМ 108.022.11-83. 112 с.

36. Цанев, С.В. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций / С.В. Цанев, В.Д.Буров // М.: Изд-во МЭИ, 2002. - 584 с.

37. Bernard F.Kolanovski, BSME. Guide to Microturbines// 2004. Printed in the USA.-p.309.

38. Advanced Microturbine Program.Capstone Turbine Corp/ Matthew Stewart. DOE DE-FC02-00CH11058. Debbie Haught Program Manager.DER Peer Review. Washington, D.C.// December 2003. Capstone Turbine Corp.- p.453.

39. Advanced Microturbine Program. Capstone Turbine Corp/ Jeff Willis. DOE DE-FC02- 00CH11058. DER Peer Review.Washington, D.C.// December 2005. Capstone Turbine Corp.- p. 162.

40. D. Ainsworth Mechanical Development Manager.GT2003-39026 Microturbine Developments at Bowman Power Systems Recuperator Evaluation. -2006.-p.140.

41. Dieter Bohn Micro Gas Turbine and Fuel Cell A Hybrid Energy Conversion System with High Potential. Institute of Steam and Gas Turbines Aachen University// Templergraben 55. D-52056. Aachen. GERMANY, -2006.-p.139.

42. Eric Loveday ETV Motors Develops Microturbine Engine For Use In Plug-In« Extended Range Hybrids.//August 14th, 2009.- p.326.

43. J. Kelly Technology Spotlight// winter 2005.- p!203.

44. James Watts Microturbine Developments At Ingersoll-Rand Energy Systems// ASME Turbo Expo,GT2005-69158<-. 2005.- p.64.

45. Lee Richards, Director, O&G Sales MicroTurbine CHP. Applications for Oil and Gas Industry. January 2008. Capstone Turbine Corporation. p.2356: Matt Stewart Capstone Development Efforts// Capstone Engineering. IGTI -Atlanta.GA June. 2003.-p:231.

46. M.J.Moore Micro-turbine generators// Professional Engineering. 2002. Printed intheUSA.-p.263.

47. Rolf Gabrielsson. Microturbines. Volvo Aero Corporation: 2005-04-21, Section 1; Section 2.

48. Stephane L. Hamilton Microturbine Generator. Handbook// 2003. Printed in the USA.-p.83.

49. Steve Gillette Pacific Region CHP Application Center. May 7, 2008 Capstone Turbine Coip. -p.43

50. T. Hynes President Bowman Power Systems, Inc. The Benefits of Small Scale Cogeneration using Microturbines// January 20-22nd 2004. -p. 123.

51. U.S. Department of Energy. Final ATS Annual Program Review Meeting -December 4-6, 2000. Alexandria, VA. - p.78.

52. Yoichiro Ohkubo Special Issue Technology of Micro Gas Turbine for Cogeneration System// R&D Review of Toyota. CRDL, vol 41 №1. 2003. -p.55.