Реализация цикла создания отечественной газовойтурбины во взаимодействии конструкторского бюроизготовителяи генерирующей компании

Александр ИВАНОВСКИЙ
Генеральный конструктор,
АО «Силовые машины», к. т. н.

Владимир НЕПОМНЯЩИЙ
Главный конструктор-начальник,
СКБ ГТУ, АО «Силовые машины»

Николай СИМИН
Зам. главного конструктора по НИОКР,
АО «Силовые машины», к. т. н.

Павел СНИККАРС
Генеральный директор,
ПАО «Т плюс», к. э. н.
Александр ФРОЛОВ
Заместитель генерального директора,
ПАО «Т плюс»

Константин ТИЛИПАН
Руководитель по реализации стратегических проектов, ПАО «Т плюс»

Виктор МАРКОВ
Заместитель генерального директора,
ФАУ «ЦИАМ им П.И. Баранова»

Владимир МИХАЙЛОВ
Генеральный директор,
АО «НПО ЦКТИ», д. т. н.

Метаданные научной публикации

Реализация цикла создания отечественной газовой
турбины во взаимодействии конструкторского бюро
изготовителя
и генерирующей компании
Implementation of the domestic gas turbine development cycle in collaboration between the manufacturer’s design bureau and the generating company

Александр ИВАНОВСКИЙ
Генеральный конструктор,
АО «Силовые машины», к. т. н.

Владимир НЕПОМНЯЩИЙ
Главный конструктор-начальник,
СКБ ГТУ, АО «Силовые машины»

Николай СИМИН
Зам. главного конструктора по НИОКР,
АО «Силовые машины», к. т. н.

Павел СНИККАРС
Генеральный директор,
ПАО «Т плюс», к. э. н.
Александр ФРОЛОВ
Заместитель генерального директора,
ПАО «Т плюс»

Константин ТИЛИПАН
Руководитель по реализации стратегических проектов, ПАО «Т плюс»

Виктор МАРКОВ
Заместитель генерального директора,
ФАУ «ЦИАМ им П.И. Баранова»

Владимир МИХАЙЛОВ
Генеральный директор,
АО «НПО ЦКТИ», д. т. н.

Аннотация. «Силовые машины» реализуют инвестиционный проект по созданию производства энергетических ГТУ в диапазоне мощности 150–180 МВт и 60–80 МВт. В рамках этого проекта при взаимодействии с генерирующей компанией ПАО «Т Плюс» реализуется полный цикл разработки отечественной ГТУ ГТЭ‑65.1 с параметрами F-класса, включая натурные испытания головного образца на объекте эксплуатации. В ходе выполнения проекта в АО «Силовые машины» создан стенд испытаний камер сгорания на натурные параметры, а также привлекается существующая стендовая база научных организаций РФ. В рамках проведения испытаний на объекте эксплуатации запланировано выполнение программы специальных испытаний, включая термо- и тензометрирование узлов головного образца для подтверждения заявленных параметров и получения необходимых экспериментальных данных для дальнейшего развития всей линейки газовых турбин АО «Силовые машины». Таким образом, создание ГТЭ‑65.1 является образцовым примером взаимодействия конструкторского бюро энергомашиностроительного предприятия, заказчика и научных организаций РФ, в котором реализуется полный цикл НИОКР и испытаний для создания научно-­технической базы в России. Это позволит дать существенный импульс дальнейшего развития производства газовых турбин большой мощности и обеспечит российскую энергетику современными и надежными газовыми турбинами.
Ключевые слова: газовая турбина, испытательный стенд, энергетическое машиностроение, научно-­техническая база.

Abstract. Power Machines is implementing an investment project to establish a facility for producing gas turbine power plants in the 150–180 MW and 60–80 MW capacity ranges. As part of the project, in collaboration with the generating company PJSC T Plus, the full development cycle of the domestically developed GTE‑65.1 gas turbine with F-class parameters is being implemented, including full-scale testing of the prototype at the operating site. During the project, Power Machines JSC created a rig for testing combustion chambers for full-scale parameters, and utilized the existing rig facilities of Russian scientific organizations. As part of the testing at the operating site, a special testing program is planned, including thermal and strain gaging of the prototype components to confirm the stated parameters and obtain the necessary experimental data for the further development of Power Machines’ entire line of gas turbines. Thus, the development of the GTE‑65.1 is an exemplary example of collaboration between the design bureau of a power engineering company, the customer, and Russian scientific organizations, implementing a full cycle of R&D and testing to establish a scientific and technical base in the Russian Federation. This will provide a significant impetus to the further development of high-power gas turbine production and will provide the Russian energy sector with modern and reliable gas turbines.
Keywords: gas turbine, test rig, power engineering, scientific and technical base.

УДК 621.1

DOI 10.46920/2409‑5516_2025_09212_

EDN: GKZCVG

Для снижения технологической зависимости от зарубежных производителей газовых турбин АО «Силовые машины» при поддержке Министерства промышленности и торговли с 2019 г. восстановили конструкторское бюро и реализуют инвестиционный проект по созданию производства энергетических ГТУ большой мощности. В рамках данного проекта создаются турбины ГТЭ‑170.1 и ГТЭ‑170.2 в диапазоне мощности 150–180 МВт и ГТЭ‑65.1 в диапазоне мощности 60–80 МВт [1].
В настоящее время, благодаря сохраненному технологическому заделу производства лицензионных ГТЭ‑160, в АО «Силовые машины» организовано серийное производство полностью отечественной ГТЭ‑170. На текущий момент сдано заказчику две ГТЭ‑170 и семь турбин находятся в изготовлении.
Между тем наиболее востребованной является ГТУ среднего класса мощностью порядка 60–80 МВт. Она необходима при реконструкции паросиловых установок путём сброса отработанных газов в энергетический котёл или надстройки с отдельным котлом-­утилизатором, а также замещением котлов на электростанциях с центральным коллектором и параллельными связями. Такая установка подходит и просто для бинарных ПГУ мощностью от 100 до 200 МВт. Между тем такой установки в российском машиностроении нет, поэтому разработка ГТЭ‑65.1 является актуальной задачей как с научно-­технической, так и практической точки зрения.
Особый интерес блоки ПГУ мощностью 100 МВт на базе газовых турбин ГТЭ‑65 могут представлять для ТЭЦ небольших городов и районов, обеспечивая выработку электрической энергии на тепловом потреблении горячего водоснабжения (ГВС). Отпуск тепла ГВС от такой ПГУ обеспечивает возможность работы блока в базовом режиме в течение года с максимальной экономичностью. Отпуск тепла ГВС от такой ПГУ обеспечивает возможность работы блока в базовом режиме в течение года, отпуская электроэнергию в когенерации с максимальной топливной экономичностью и большей маржинальстью от продажи. Это, в свою очередь, обеспечит более быстрый возврат инвестиций в строительство по сравнению с конденсационными блоками ПГУ. Данная установка имеет схожие параметры и габариты с аналогичным ГТУ данного класса и призвана заместить в РФ зарубежные турбины AE64.3A (Ansaldo), 6FA (GE) и SGT800 (Siemens).
ГТЭ‑65.1 относится к турбинам F класса (по классификации GE) по параметрам температуры газа (Тг) перед турбиной и степени сжатия компрессора 15.6. При этом по данной классификации ГТЭ‑170 относится к турбинам E класса, а передовые турбины H класса, к которым можно отнести SGT5–8000H (Siemens), имеют более высокую температуру перед турбиной и степень сжатия 18–19.
При этом нужно отметить, что камера сгорания газовой турбины ГТЭ‑65.1 проектируется на номинальную температуру H-класса для целей тиражирования реализованных в ней технических решений на последующую линейку газовых турбин АО «Силовые машины». ГТЭ‑65.1, как турбина F класса, характеризуется наличием конвективно-­пленочного охлаждения лопаток первой ступени турбины, а также применением термобарьерных покрытий в камере сгорания и лопатках турбины первых ступеней. Параметры ГТЭ‑65.1 и ПГУ на ее основе приведены в таблице 1 и 2.

Мировой опыт создания подобных турбин предполагает тщательную отработку всех ключевых узлов на стендах при проектировании ГТУ, а также проведение испытаний головных образцов на заводских стендах натурных испытаний, которыми располагают практически все ведущие производители ГТУ. В отдельных случаях, когда создаются мощные ГТУ, превышающие возможности заводских стендов, то испытания головных образцов осуществляются на объекте эксплуатации. Так, например, головной образец SGT5–8000H (Siemens) испытывался на электростанции Иршинг в Германии. В ходе подобных испытаний осуществляется исследование параметров ГТУ включая термо- и тензометрирование ключевых узлов. Объем замеров при этом может достигать нескольких тысяч.
Разработка ГТЭ‑65.1 основывалась на мировом опыте и производилась на базе ГТЭ‑65.0, которая была изготовлена на ЛМЗ в 2008 г. [2, 3]. При создании ГТЭ‑65.1 были повышены параметры установки (см. таблицу 1). При этом были перепрофилированы лопатки компрессора и газовой турбины, а также выхлопной диффузор турбины. Кольцевая камера сгорания разработки ГП «Ивченко-­прогресс» была заменена на трубчато-­кольцевую КС с шестью жаровыми трубами собственной разработки. Для устранения выявленных проблем с вибрацией и утечками масла при испытаниях ГТЭ‑65.0 был полностью перепроектирован опорно-­упорный подшипник.
Для подтверждения работоспособности ключевых узлов ГТУ все они проходят испытания на автономных стендах до проведения испытаний головного образца на объекте эксплуатации [4].

Компрессор

Лопатки компрессора ГТЭ‑65.1 были перепрофилированы при сохранении меридиональных обводов проточной части прототипа (ГТЭ‑65.0) на основе 3D-CFD-расчетов. При этом расход воздуха увеличился на 5,5%, а адиабатический КПД на 1% (абсолютный). Для подтверждения параметров компрессора был изготовлен 16‑ти ступенчатый модельный компрессор (МК) с модельным фактором 0,5. Соисполнители – АО «НПО ЦКТИ им. И. И. Ползунова» и ПАО «Калужский турбинный завод».

Конструкция модельного компрессора обеспечивает моделирование отборов в ротор и статор с замером и контролем. Исходная конструкция модельного компрессора предусматривала установку ротора на прецизионные подшипники качения, поскольку стенд ЦИАМ не предполагал использование маслосистемы для обеспечения работы подшипников скольжения. Корпуса компрессора оснащены емкостными датчиками бесконтактного замера амплитуд колебаний лопаток (tip-timing) на основе оборудования компании Fogale (Франция). Также были изготовлены нестандартные средства измерения (пневмо- и термогребенки, подвижные зонды). Компрессор был изготовлен на ПАО «Калужский турбинный завод» и установлен на стенд ФАУ «ЦИАМ» (рис. 2).

Испытания модельного компрессора ГТЭ‑65.1 на опорах качения завершились на испытательном стенде ФАУ «ЦИАМ» этапом технологических пусков в ноябре 2024 г. В связи с выходом из строя опорного подшипника качения был выполнен перевод МК на опоры скольжения с сохранением всех остальных особенностей конструкции. Также модернизирована система смазки на стенде ФАУ «ЦИАМ». Выполнена разборка и дефектация МК. Выполнено изготовление деталей и сборочных единиц для перевода МК на опоры скольжения, входного трубопровода и пневмомасло системы. Выполнена балансировка ротора МК на РБС «Шенк» (ПАО «Калужский турбинный завод»). Начата сборка и повторное оснащение измерительной оснасткой МК на площадке ФАУ «ЦИАМ» в Тураево. Сроки завершения испытаний – декабрь 2025 г.

Камера сгорания

Конструкция камеры сгорания трубчато-­кольцевая, разработана СКБ ГТУ АО «Силовые машины» с участием ведущих научных и производственных организаций РФ. Для снижения сроков разработки, изготовление компонентов опытного образца камеры сгорания осуществлялось в основном аддитивным способом. Следует отметить, что узлы камеры сгорания ГО ГТЭ‑65.1 также изготавливаются аддитивным способом на основе технологий, полученных при изготовлении опытной КС. На первом этапе испытания опытного образца горелочного устройства камеры сгорания были проведены на атмосферном стенде АО «НПО ЦКТИ» (рис. 3). Совместно с АО УНПП «Молния» определен диапазон устойчивого розжига.

Выполнены испытания горелочного устройства на различных режимах и для различных расположений центрального конуса. Определены границы богатого и бедного срыва в условиях стенда. На режимах пуска и на модельных режимах частичных нагрузок были протестированы различные соотношения расходов топлива между топливными контурами и определены наиболее оптимальные по устойчивому горению и лучшей полноте сгорания. Проведена валидация и корректировка расчетных моделей.
Далее опытный образец КС, включая жаровую трубу и газосборник, был смонтирован на испытательной станции камер сгорания АО «Силовые машины» (рис. 4). Для проведения испытаний в камере сгорания установлены датчики температуры и давления – более 200 термопар и более 200 датчиков полного и статического давлений. Выполнены холодные продувки на натурный расход и полное давление. Совместно с АО УНПП «Молния» отработаны режимы розжига и подтверждена работоспособность системы зажигания. Проведены горячие испытания на полный расход и натурную температуру. На рис. 5 приведено состояние камеры сгорания после проведения испытаний на рабочую температуру. В дальнейшем планируется продолжение программы испытаний с выходом на натурное давление и отработкой всех режимов с подтверждением уровня эмиссии NOx.

Опорно-­упорный подшипник

Исходный подшипник ГТЭ‑65.0 был полностью перепроектирован. Опорная сфера подшипника была заменена на цапфы в горизонтальном разъеме аналогично решениям, принятым в зарубежных ГТУ. Была изменена система подвода масла к упорным колодкам (см. рис. 6). Исходный и модернизированный подшипники были протестированы на стенде испытаний натурных подшипников на ЛМЗ. Результаты испытаний свидетельствуют о значительном снижении температуры баббита и возможности восприятия большей осевой силы, чем исходный подшипник.

Кроме вышеперечисленных работ были проведены испытания и других узлов ГТЭ‑65.1:
Модельные испытания выхлопного диффузора турбины с получением оптимальной конфигурации диффузора по аэродинамическим параметрам.
Теплогидравлические испытания охлаждаемых сопловой и рабочей лопаток первой ступени.
Испытания конструктивной выносливости лопаток компрессора.
Испытания служебных свой­ств материалов лопаток турбины и камеры сгорания для обоснования ресурса.
Запланировано проведение испытаний термобарьерных покрытий камеры сгорания и лопаток турбины, испытания на конструктивную выносливость рабочих лопаток турбины.

Программа испытаний головного образца на ТЭЦ‑14

Специальные испытания головного образца инновационной ГТЭ‑65.1 будут проведены в натурных условиях работы на площадке Пермской ТЭЦ‑14. В связи с этим в проекте строительства ПГУ‑105 Пермской ТЭЦ‑14 выделен отдельный технологический этап. В рамках этого этапа предполагается строительство главного корпуса для газотурбинной установки, а также сооружение всей необходимой для ее испытаний инфраструктуры, включая временную жаропрочную дымовую трубу, дожимную компрессорную станцию, пункт подготовки газа, блочный трансформатор и трансформаторы собственных нужд, открытое распределительное устройство 110 кВ и т. д. Уже на данном этапе при проведении испытаний ГТЭ‑65.1 будет осуществляться выдача электрической энергии в сеть потребителям.
По результатам испытаний будут определены вибропрочностные, тепловые и аэродинамические характеристики узлов, а также будет подтверждено соответствие параметров ГТЭ‑65.1 гарантийным показателям, нормативной и технической документации.
Общее количество измеряемых параметров головного образца ГТЭ‑65.1 на испытаниях составит более 2300 точек по температуре и более 650 точек по давлению. В ходе испытаний фиксируются полные давления и температуры потока по всей проточной части компрессора. Выполняется измерение амплитуд колебаний рабочих лопаток компрессора дискретно-­фазовым методом.
Измерение температурного состояния камеры сгорания производится посредством 468 термопар. Также измеряются статическое/полное давление и температура в релевантных местах КС. Высокотемпературными датчиками пульсаций давления измеряются пульсации давления во всех шести модулях камеры сгорания. Измерение параметров газового потока на входе в турбину осуществляется на семи радиусах по высоте проточной части. Измерение осуществляется термопарами и приемниками давления, которые прокладываются внутри сопловых лопаток.
За последней ступенью турбины устанавливается по окружности пять радиальных комбинированных гребенок давления и температуры. Далее в выходном диффузоре устанавливаются радиальные гребёнки полного давления и радиальные гребёнки полной температуры. По турбине также выполняется измерение температуры металла всех корпусных элементов. Из диффузора турбины осуществляется отбор газовых проб на газоанализатор MGA5+ для измерения концентрации вредных выбросов.
Измеряются температуры входных кромок лопаток турбины первой и второй ступеней и спинки первой рабочей лопатки по линии визирования оптическим пирометром. Запланировано тензометрирование рабочих лопаток турбины, а также термометрирование лопаток и дисков ротора.

Испытательно-­измерительный комплекс

Для измерения температур и давлений используется автоматизированная измерительная система (АИС), а для измерения динамических напряжений и температур в рабочих лопатках турбины применяется измерительный комплекс с радиотелеметрической системой для сбора измерительной информации (токосъемник), произведённый АО «НПЦ «МЕРА».
АИС обеспечивает сбор и визуализацию результатов испытаний в ходе эксперимента, долговременное их хранение на жестком диске компьютера и доступ к ним. Токосъемник обеспечивает сбор, обработку и передачу измерительной информации от 128 первичных датчиков динамической деформации и 160 термодатчиков с последующей обработкой модулями приема и демодуляции сигнала.

Основные этапы подготовки и проведения испытаний

Сборка ГТЭ‑65.1. Оснащение статорных элементов турбогруппы датчиками температур и давлений, вывод коммуникаций из внутренних полостей турбины наружу осуществляется при сборке турбогруппы на сборочном стенде АО «Силовые машины».
Монтаж на станции (см рис. 7). В процессе монтажа ГТУ на Пермской ТЭЦ‑14 осуществляется установка стоек с преобразователями давления и регистрирующей аппаратуры, прокладка коммуникаций и подключение датчиков. Проверка работоспособности измерительного комплекса осуществляется в процессе проведения пусконаладочных работ ГТУ.

Пусконаладочные работы разбиты на два этапа:

1. На первом этапе в рамках проведения пусконаладочных работ выполняется отладка режимов запуска турбоустановки, начиная с запусков без подачи топлива, и заканчивая «горячими» пусками с достижением режимов 30–50% номинальной мощности. На этом этапе осуществляются наблюдение за работой узлов, в том числе за температурой и давлением в узлах ГТУ. Цель первого этапа – отладить работу ГТУ перед проведением замеров на экспериментальном роторе, поскольку тензодатчики, устанавливаемые на ротор, имеют очень малый ресурс и, как показывает опыт, могут выйти из строя уже на этапе ПНР, не достигнув номинальной мощности.
2. Задача второго этапа испытаний – проверить работу ГТЭ‑65.1 во всем диапазоне эксплуатационных режимов, а также выполнить исследование теплонапряженного состояния самой горячей части установки – турбины. В рамках второго этапа испытаний ГТЭ‑65.1 выполняется замена штатного ротора на экспериментальный, а также устанавливается экспериментальный направляющий аппарат турбины. Экспериментальные ротор и направляющий аппарат оснащены большим количеством датчиков температуры и вибронапряжений (тензодатчики), которые позволяют определить состояние лопаток и дисков турбины на стационарных и динамических режимах работы. Передача сигнала с вращающихся лопаток на измерительную аппаратуру осуществляется с помощью бесконтактного телеметрического токосъемного устройства.

Гарантийные испытания

Гарантийные испытания – завершающий этап проверки работы газотурбинной установки. На этом этапе характеристики оборудования подтверждаются расчётным, проектным и гарантийным показателям, заявленным разработчиком и, соответственно, указанным в технических условиях на поставку оборудования. Гарантийные испытания будут проводиться на штатном роторе и направляющем аппарате турбины.
После успешного проведения испытаний и подтверждения гарантийных показателей головного образца ГТЭ‑65.1 будет произведено расширение главного корпуса до парогазового энергоблока с установкой парового котла-­утилизатора и паровой турбины.
Следует отметить, что все основное генерирующее оборудование, которое будет устанавливаться в рамках проекта строительства ПГУ‑105 Пермской ТЭЦ‑14, будет отечественного производства с подтверждением локализации в соответствии со всеми требованиями действующего законодательства.

Заключение

Проект создания газовой турбины ГТЭ‑65.1 находится на наиболее ответственной завершающей стадии изготовления головного образца и проведения натурных испытаний на объекте эксплуатации у заказчика. В современных условиях РФ создание подобных турбин возможно только в тесной кооперации с заказчиком по предоставлению испытательной площадки и возможности проведения полноценных натурных испытаний ГТУ.
Успешное завершение проекта создаст научно-­техническую базу и отечественную конструкторскую школу по разработке энергетических газовых турбин средней и большой мощности для обеспечения технологического суверенитета в газовой электроэнергетике. Тиражирование реализованного проекта по программе модернизации когенерационных источников систем теплоснабжения городов России станет драйвером для снижения себестоимости производства тепловой и электрической энергии, а также повышения экологических стандартов за счет сокращения выбросов CO2.

Использованные источники

1. Ивановский А. А. Ключевые задачи проекта создания производства газовых турбин большой мощности и статус их реализации в АО «Силовые машины» / А. А. Ивановский, Н. И. Фокин, Н. О. Симин // Электрические станции. 2021. № 9.
2. Лебедев А. С. Энергетическая газотурбинная установка среднего класса мощности ГТЭ-65: конструкция и производство / А. С. Лебедев, И. С. Варламов, М. В. Росляков // Электрические станции. 2007. № 1.
3. Лебедев А. С. Обоснование выбора параметров тепловой схемы газотурбинной установки среднего класса мощности ГТЭ-65 и характеристики её основных узлов / А. С. Лебедев, Н. О. Симин // Тяжелое машиностроение. 2007. № 6.
4. Ивановский А. А. Реализация программы НИОКР газовых турбин большой мощности в АО «Силовые машины» / А. А. Ивановский, Н. И. Фокин, Н. О. Симин // Турбины и дизели. 2023. № 96.