Компетенции и возможности производства: "Силовые машины" осваивают выпуск газовых турбин

"Силовые машины", начавшие в 2018 году разработку отечественной технологии газовых турбин средней и большой мощности, на текущий момент подготовили конструкторскую документацию для двух типов газовых турбин - ГТЭ-65 и ГТЭ-170, запустили головной образец ГТЭ-170 в производство и заметно продвинулись в работе над самыми сложными элементами установки - компонентами горячего тракта. Наличие у компании опыта, компетенций в научной и производственной областях, активное привлечение в работу над проектом ведущих институтов и инженерно-конструкторских организаций позволили меньше чем за два года сделать значительный рывок в деле создания газовых турбин мощностью 65 МВт и 170 МВт.

Курс на отечественное

За ближайшие два года "Силовые машины" намерены организовать в России производство литых заготовок лопаток из жаропрочных марок сталей и уже к 2022 году выйти на серийное производство этих компонентов. Сначала будет освоена технология производства лопаток горячего тракта турбин собственного производства - ГТЭ-65 и ГТЭ-170, затем планируется изготавливать лопатки для сервиса и ремонта газовых турбин других производителей.

Акцент на создании стопроцентно отечественной газовой турбины - не только имиджевая составляющая проекта и энергомашиностроительной компании в целом, но и немалый вклад в экономику как будущих, так и уже реализованных проектов строительства газовых электростанций.

Опыт реализации программы ДПМ (госпрограммы возврата инвестиций в энергетику с гарантированной доходностью - прим. ТАСС) показал, что освоение производства газовых турбин с привлечением зарубежных производителей не приводит к передаче технологий изготовления компонентов горячего тракта и систем управления, без которых невозможно считать локализацию производства газовых турбин полноценной. Обслуживание парка зарубежных газотурбинных установок (ГТУ) с использованием импортируемых деталей горячего тракта и инжиниринга, приобретаемых за валюту, делает сервис ГТУ чрезвычайно дорогостоящим. Эксплуатация примерно 30 ГВт мощностей ГТУ и парогазовых установок (ПГУ), построенных в рамках ДПМ, останется рентабельной только при действии повышенных тарифов на электроэнергию. Поэтому уже очевидно, что данный подход трудно будет распространить на всю газовую генерацию.

Над проектированием и производством отечественных компонентов газовых турбин средней и большой мощности работают более ста конструкторов и технологов воссозданного "Силовыми машинами" конструкторского бюро (КБ) в тесном сотрудничестве с ведущими институтами и предприятиями смежных отраслей.

В проект вовлечен целый пул предприятий - поставщиков комплектующих, разработчиков САУ (систем автоматического управления - прим. ТАСС), отраслевых институтов - таких, как ЦИАМ, ВИАМ, ЦКТИ, ВТИ, ведущих профильных технических университетов - СПбПУ Петра Великого, МГТУ им. Н. Э. Баумана, МЭИ, УГАТУ и многих других. Данные организации совокупно обладают конструкторскими наработками, производственно-экспериментальной базой, научно-техническим и кадровым потенциалом, а также опытом разработки стационарных авиационных и транспортных газотурбинных двигателей.

Всего заключено более 50 договоров с отраслевыми институтами и компаниями, работающими в области энергетики, авиа- и машиностроения, налажено софинансирование НИОКР Минпромторгом РФ.

Совершенствование модели

Команда Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого занималась активным изучением опытного образца турбины ГТЭ-65 последние полтора года. В результате этой работы была найдена так называемая критическая зона и разработан перечень конструктивных изменений, который позволит увеличить КПД турбины и ее полезную мощность.

"Ключевой задачей нашей работы было определение экспериментальным путем аэродинамических характеристик системы "ступень – диффузор" турбины ГТЭ-65, построение численной модели и проведение сравнений. В результате исследований нами было обнаружено сложное явление - односторонний отрыв потока. С учетом выявленного эффекта и разработанных технических решений для его минимизации, которые позволяют повысить КПД и увеличить полезную мощность на чуть более чем 1 МВт, показатели нашей работы можно назвать рекордными. Но для закрепления этого рекорда необходимо реализовать конструкторские изменения и масштабировать эту технологию для других установок", - сказал ТАСС проректор по перспективным проектам СПбПУ Алексей Боровков.

По оценке ученых, реализовать обновленные конструкторские решения турбины ГТЭ-65 "Силовые машины" смогут в течение года. А при наличии соответствующих материалов и свободных производственных мощностей это можно было бы сделать быстрее. "Если выйти на режим, при котором мы генерируем технические решения с интервалом раз в полгода, то логистику и производство под реализацию этих задач подстроить можно", - считает Боровков.

На этом совместная работа "Силовых машин" и Санкт-Петербургского политехнического университета не остановится: команда вуза продолжит оказывать техническое сопровождение проекта и совершенствовать конструкцию ГТЭ-65. Кроме того, сейчас идут переговоры о проведении таких же исследований с последующей выработкой технических решений для повышения эффективности ГТЭ-170.

Технологические ноу-хау

Сотрудничество "Силовых машин" с Центральным институтом авиационного машиностроения (ЦИАМ), без одобрения которого не принимается решение об установке авиадвигателей на летательные аппараты, стартовало в начале 2000-х годов: тогда институт оказывал энергомашиностроительной компании поддержку в создании новой экспериментальной стендовой базы для испытаний газовых турбин большой мощности. В конце 2018 года, когда был инициирован ряд проектов создания газовых турбин большой мощности, начался новый этап кооперации.

"В частности, было принято решение о разработке агрегатов с возможностью работы как на газообразных, так и на жидких топливах, разработаны и изготовлены экспериментальные образцы новых двухтопливных горелок. В ближайшее время будет начата экспериментальная отработка функционирования камеры сгорания на двух видах топлив для ГТЭ-65", - сказал начальник отдела "Горение и камеры сгорания" ЦИАМ Сергей Волков.

"Очевидное развитие нашего дальнейшего сотрудничества открывается в направлении водородной энергетики, в частности в переводе ГТЭ-65.1 на сжигание смесей с высоким содержанием водорода", - добавляет Волков.

Специалисты считают, что создание новых турбин немыслимо без современных технологий, и изучают возможность применения аддитивных технологий для производства компонентов горячего тракта турбины.

"Мы запустили НИОКР в рамках проекта создания полностью отечественных газовых турбин параллельно с технологией литья лопаточного аппарата, попробуем изготовить модельный комплект лопаток по аддитивной технологии, сравним механические свойства, себестоимость с традиционными технологиями, проведем испытания. По результатам будет принято решение о дальнейшем применении и развитии технологии. Но и помимо лопаток, в номенклатуре оборудования, изготавливаемого "Силовыми машинами", есть узлы, возможность печати которых мы изучаем", - отмечает генеральный конструктор "Силовых машин" Александр Ивановский.

Развитие науки

Для реализации проекта создания российской газовой турбины сформирован и реализуется план научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР) по освоению технологии изготовления турбин на уровне мировых аналогов.

Вовлечение в процесс создания газовой турбины широкого круга представителей научного сообщества позволяет не только сохранить существующие компетенции в научной среде, но и наработать новые.

"Конечно, застой последних лет, отсутствие новых разработок отечественных заводов привели и к снижению возможностей отраслевой науки, которая может развиваться только при востребованности со стороны изготовителей оборудования. Считаю серьезной заслугой НПО ЦКТИ то, что организация сделала все необходимое, чтобы сохранить своих специалистов, - отмечает заместитель генерального директора НПО ЦКТИ Валерий Рохлин. - Сейчас, в ходе создания газовых турбин большой мощности, потенциал ЦКТИ использован при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, в том числе для принятия и обоснования решений и при проверке качества изготовления элементов турбин и компрессоров".

Команда Санкт-Петербургского политехнического университета отмечает, что необходимость нагнать упущенные возможности даст толчок к развитию новых подходов в проектировании энергоустановок. "Технология прыжка - это технология разработки цифровых двойников, которая позволяет рассматривать одновременно разные решения, разные изменения конструкции, их влияние друг на друга на разных этапах жизненного цикла. Если мы не перейдем на технологию цифровых двойников в рамках энергетического машиностроения, мы не догоним, а будем пытаться старыми средствами, традиционным подходом догнать новый технологический уклад. Это никому никогда не удавалось", - сказал Боровков.

Переход на цифровые двойники изделий и процессов, виртуальные испытания, создание виртуальных стендов и полигонов для апробации новых материалов и технологий позволит в сутки выполнять по 200–300 экспериментальных исследований, снижая объем натурных испытаний и ускоряя процесс исследований в 30 раз.

Поддержка промышленности

"Силовыми машинами" принято принципиальное решение о переходе на новый процесс проектирования газотурбинных установок, проведен технологический аудит, разработана "дорожная карта" с описанием этапов перехода на новый технологический уклад совместно с Санкт-Петербургским политехническим университетом, но на реализацию этого плана могут уйти годы", - отмечает Боровков.

"Насколько быстро мы пойдем, зависит от многих факторов, в том числе это и финансовое обеспечение, - пояснил он, отметив, что переход на "цифру" потребует перестройки всего процесса проектирования, изменения бизнес-модели вывода продукции на рынок и своевременной подготовки кадров, которые смогут работать по-новому.

"Силовые машины" располагают собственной стендовой базой для испытаний полноразмерных узлов камер сгорания энергетических установок, обладают производственной базой создания газовых турбин ГТЭ-65 и ГТЭ-170. Выпуск российских турбин средней и большой мощности развернут на Ленинградском Металлическом заводе (ЛМЗ) в Санкт-Петербурге, где газовые турбины выпускались с 50-х годов прошлого века. В выпуске новых агрегатов будут задействованы 1645 уже существующих на ЛМЗ станков. Дополнительно 48 групп нового оборудования компания приобретает в рамках программы по переоснащению производства. Инвестиции во вновь закупаемое оборудование составляют 11,2 млрд рублей, включая инвестиции в создание собственного литейного производства. После обновления станочного парка ЛМЗ сможет выпускать до восьми газовых турбин в год.

Выход на серийное производство полностью отечественных газовых турбин средней и большой мощности даст импульс развития целому ряду смежных отраслей: от разработки новых материалов, используемых в современной высокотемпературной энергетике, до выпуска цифровых программ для проектирования турбин и систем управления технологическими процессами.