3.6. История развития энергетического газотурбостроения

Газотурбинные установки (ГТУ), газотурбинные двигатели (ГТД) своеобразны во многих отношениях. Во-первых, они являются наиболее древним по своей идее (примерно XV ст.) и вместе с тем наиболее молодым в отношении практической реализации (рубеж XІХ–ХХ ст.) тепловым двигателем. Газовые турбины вошли в большую энергетику, достигнув совершенства в авиации и кораблестроении. Применение газотурбинных установок оказывает существенное влияние на решение кардинальных задач, стоящих перед энергетикой: увеличение высокоманевренных мощностей для покрытия пиковых нагрузок в крупных энергосистемах; повышение экономичности электростанций путём использования газотурбинных установок в комбинированных парогазовых и газопаровых установках (ПГУ, ГПУ) при модернизации существующих и строительстве новых электростанций; использование газотурбинных, парогазовых и газопаровых установок в системах автономного снабжения электроэнергией и теплотой (теплофикации) индивидуальных потребителей; использование газотурбинных установок в качестве базовых агрегатов в автономных условиях в отдалённых районах.

Прототипы газовых турбин, к которым относят так называемые дымовые машины, или «механические вертелы», были известны еще в XVII веке, но отправной точкой в развитии газовых турбин можно считать подачу в 1791 году англичанином Джоном Барбером заявки на получение патента на тепловой двигатель. В патенте были зафиксированы основные принципы работы газовых турбин: нагнетание смеси, образованной воздухом и газом, в камеру сгорания с помощью компрессора, сгорание горючей смеси и подача ее с большой скоростью на лопатки рабочего колеса, на котором совершается работа расширения газа (рис. 3.11).

Возможность работы на нефти, угле и древесине Дж. Барбер предполагал обеспечить путем их предварительной газификации (перегонки), вследствие чего в схеме его ГТУ, кроме воздушного, имелся и газотопливный компрессор. Что же касается предотвращения перегрева турбины от действия высоких температур, то с этой целью изобретатель предусмотрел охлаждение продуктов сгорания впрыском воды в камеру сгорания.

Последующее изобретение и бурное развитие паровых турбин несколько затормозило развитие газовых турбин, однако не остановило его, причиной чего явился вполне очевидный ряд преимуществ газотурбинных установок перед паротурбинными. Паротурбинная установка – сложный агрегат, состоящий из котельной установки, паровой турбины, конденсатора, большого количества вспомогательного оборудования, требующий большого количества охлаждающей воды. Газотурбинная установка не нуждается в воде, она отличается меньшим количеством механизмов, большей простотой, заметно меньшими габаритами и массой.

Рис. 3.11. Газовая турбина Джона Барбера. Английский патент 1791 г.: 1 – турбина; 2 – газовый и воздушный компрессоры; 3 – камера сгорания; 4 – ресивер; 5 – генератор газа

 

Рис. 3.12. ГТУ Штольце с горением при постоянном давлении (непрерывного горения): 1 – компрессор; 2 – нагреватель; 3 – реактивная турбина; 4 – газогенератор

В 1872 году в Германии инженером Штольце был получен патент на газовую турбину, названную им «огненной турбиной», которая содержала практически все основные узлы современной газовой турбины с непрерывным процессом горения топлива в камере сгорания: осевой воздушный компрессор, воздухоподогреватель, совмещенный с камерой сгорания, и турбину. ГТУ (рис. 3.12) была создана и рассчитана на получение мощности 200 л.с. при числе оборотов 2000 об./мин. Однако ее испытания не были успешными и вместо 200 л.с. было получено только 20 л.с.

Рис. 3.13. Газотурбинная установка В.В. Кароводина с горением при постоянном объеме (прерывистого горения): 1 – камера сгорания; 2 – всасывающий клапан; 3 – пружина; 4 – регулирующий винт хода клапана; 5 – свеча; 6 – газоход; 7 – сопло; 8 – колесо турбины

В 1906 году французскими инженерами Арманго и Лемалем с участием профессора Рато была построена газовая турбина с подводом теплоты при постоянном давлении мощностью 400 л.с. (294 кВт). Установка имела 2-ступенчатый центробежный компрессор. Направляющие лопатки турбины имели водяное охлаждение, а вода из системы охлаждения подавалась в продукты сгорания керосина, снижая их температуру до 560°С. Турбина развивала мощность, немногим превышающую мощность компрессора, поэтому компрессор приводился от постороннего двигателя.

Созданием различного типа газотурбинных установок занимались такие талантливые российские инженеры и изобретатели, как П.Д. Кузьминский (см. подраздел 3.8), В.В. Кароводин, Н.В. Герасимов, А.П. Горохов, М.Н. Никольский, А.Н. Шелест и др. Так, в 1906 году русским инженером В.В. Кароводиным была изобретена, а в 1908 году построена во Франции газотурбинная установка прерывистого горения или со сгоранием при постоянном объеме (рис. 3.13). Мощность, затрачиваемая на сжатие воздуха в таких установках, существенно ниже, чем у газотурбинных установок постоянного давления. Турбина развивала мощность 1,6 л.с. (1,18 кВт) при 10000 об/мин, а эффективный к.п.д. достигал всего лишь 2%.

Определенный прогресс в развитии газовых турбин постоянного объема был обеспечен работами немецкого инженера Карла Гольцварта, который в 1908 году предложил оригинальную конструкцию газовой турбины прерывистого горения. В 1910 году швейцарской фирмой «Броун–Бовери» эта установка была построена. Камера сгорания, сопла и колесо турбины охлаждались водой. Центробежный компрессор приводился в действие паровой турбиной, пар для которой получался как за счет охлаждения камеры сгорания, так и за счет теплоты выхлопных газов турбины. По сути, установка Гольцварта была одной из первых действующих парогазовых установок (см. раздел 3.8). В этой установке компрессор не имеет такого большого значения, как в газотурбинной установке непрерывного горения, так как горение происходит при постоянном объеме (при закрытых клапанах на входе и выходе из камеры сгорания) и поэтому давление в камере повышается сверх давления, развиваемого компрессором. Однако в целом установка получилась более сложной и дорогой, чем ГТУ непрерывного горения, поскольку для ее работы требовались сложные клапанные устройства и паровая турбина с конденсатором. На этой установке была достигнута мощность 200 л.с. (147 кВт) при к.п.д. порядка 14%.

По проектам Гольцварта были построены несколько ГТУ прерывистого горения (одна из них показана на рис. 3.14). Поскольку в первые десятилетия прошлого века реализация таких ГТУ осуществлялась более успешно, чем ГТУ непрерывного горения, был накоплен положительный опыт, сыгравший благотворную роль в прогрессе газотурбостроения вообще. Так, в 1928 году швейцарская фирма «Броун–Бовери» возобновляет постройку ГТУ конструкции Гольцварта. Вскоре фирма получает заказ на разработку, а в 1939 году приступает к изготовлению этих установок. К.п.д. таких установок, работавших по двухтактному циклу, оценивался на уровне 18–20%, максимальная мощность составляла 5000 л.с. Это время можно считать временем рождения первой промышленной стационарной газотурбинной установки. На основе накопленного опыта фирма «Броун–Бовери» разработала и начала производство котлов типа «Велокс», горение в которых осуществлялось под давлением. Воздух в топку подавался компрессором, а приводила его в движение газовая турбина, работавшая на уходящих газах котла. Было выпущено большое количество таких котлов.

Маковский Владимир Матвеевич (1870–1941) – создатель отечественной школы газотурбиностроения и первой в СССР кафедры турбиностроения при Харьковском механико-машиностроительном институте (1930 г.), которую он возглавлял до 1941 года. Еще в 1925 году Маковский В.М. в своей монографии «Опыт исследования турбин внутреннего сгорания» вопреки распространенным в то время представлениям обосновал перспективность цикла газовых турбин с постоянным давлением сгорания. Обоснованность этого вывода подтвердила вся дальнейшая история развития мирового газотурбостроения. Он – автор 5 монографий и двух учебников по воздуходувным машинам, термодинамике, паровым и газовым турбинам. 

Рис. 3.14. ГТУ прерывистого горения Гольцварта (с горением при постоянном объеме), конструктивная схема: 1 – клапан подачи воздуха от компрессора; 2 – клапан подачи топлива; 3 – камера сгорания; 4 – клапан подачи продуктов сгорания к соплам; 5 – сопла; 6 – колесо турбины

В то время как в Европе 20–30-е годы прошлого века прошли под знаком развития ГТУ прерывистого горения, в Харьковском политехническом институте в газотурбинной лаборатории, организованной еще в начале 20-х годов профессором В.М. Маковским, создавались научные основы газовых турбин постоянного действия. Маковский был убежденным сторонником развития газотурбостроения по пути использования ГТУ непрерывного горения. В 1925 г. была опубликована его монография «Опыт исследования турбин внутреннего сгорания». Этой работой В.М.Маковский активизировал деятельность отечественных исследователей и конструкторов по решению проблем создания ГТД, работающих по циклу р = const.

Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные В.М. Маковским и его учениками в газотурбинной лаборатории, позволили создать проект ГТУ непрерывного горения с использованием газообразного топлива. В 1936 году проект был готов, а в 1940 году Харьковским турбогенераторным заводом была изготовлена экспериментальная установка мощностью 735 кВт с начальной температурой газа 850°С. На рис. 3.15 показан продольный разрез газовой турбины данной установки. Турбина имела две ступени скорости. Рабочие лопатки приварены к диску. Корпус и ротор турбины охлаждались водой. Охлаждающая ротор вода специальным насосом подавалась через один конец полого вала, проходила через радиальные сверления и кольцевую полость в диске, а также через сообщающиеся между собой радиальные каналы в рабочих лопатках и отводилась через другой конец полого вала.

Газотурбинная установка Маковского была установлена на руднике в Горловке (1941 г.). Топливом служил подземный газ, который подавался в камеру сгорания поршневым компрессором. Сюда же, в камеру сгорания, подавался необходимый для сгорания воздух при давлении 3-4 ата. Испытания показали, что газовая турбина может надежно работать длительное время с начальной температурой газа 815°С при включенном охлаждении и с начальной температурой газа 600°С – при отключенном охлаждении. Создание установки В.М. Маковского дало много ценного материала для последующего строительства газотурбинных установок.

Первая советская газовая турбина, установленная на шахте «Подземгаз» в Горловке

 

Рис. 3.15. Газовая турбина В.М. Маковского: 1 – нижняя половина корпуса; 2 – опорно-упорный подшипник; 3 – корпус уплотнения; 4 – рабочее колесо турбины; 5 – сопловый аппарат; 6 – верхняя половина корпуса; 7 – экран; 8 – опорный подшипник; 9 – муфта Первая советская газовая турбина, установленная на шахте «Подземгаз» в Горловке

Примерно с этого времени газотурбинные установки непрерывного горения становятся основным направлением развития газотурбостроения. Они начинают применяться на нефтеперерабатывающих заводах, предпринимаются попытки применения их на судах и локомотивах, а также на электростанциях. Однако в отличие от паровых турбин добиться приемлемой экономичности газотурбинных установок в это время не удавалось. В двадцатые годы прошлого столетия многие специалисты считали крайне ограниченной возможность развития газотурбинных установок или отрицали их вообще.

Если провести сравнение схем газотурбинных установок первых изобретателей, по которым были созданы опытные образцы, не показавшие положительных результатов, с современными газотурбинными установками, то можно увидеть, что принципиальных различий в них нет. Главные причины неудач в создании работоспособного и эффективного газотурбинного двигателя были связаны с аэродинамическим несовершенством компрессоров и турбин, а также отсутствием в то время жаропрочных сталей, способных работать длительное время в условиях высоких температур. Сыграло роль и отсутствие опыта создания систем охлаждения основных деталей и узлов газотурбинных установок.

Указанные проблемы можно было решить только путем создания методов аэродинамических расчетов течения и теплообмена в лопаточных аппаратах турбин и компрессоров, совершенствования термодинамических, тепловых методов расчетов рабочих процессов ГТУ, методов расчетов теплового и термонапряженного состояния основных деталей и узлов ГТУ, расчетов их систем охлаждения, для чего предстояло выполнить обширные теоретические и экспериментальные исследования на моделях и натурных установках. Предстояло также решить серьезные металловедческие задачи по созданию новых жаропрочных и жаростойких сплавов.

Фундамент развития теории турбомашин, составной частью которой является теория газовых турбин, был заложен еще в XVII–XIX веках. Краеугольным камнем теории является термодинамика рабочих процессов в газотурбинных установках. В основе ее лежат основные постулаты и законы термодинамики, предложенные Карно, Майером, Гельмгольцем, Клаузиусом, Больцманом, Бойлем, ГейЛюссаком, Клапейроном, Томсоном и др. Труды Эйлера, Бернулли и др. легли в основу газодинамических и гидравлических расчетов турбомашин.

Рис. 3.16. Схема первой энергетической ГТУ фирмы «Броун-Бовери» в Невшателе: 1 – газовая турбина; 2 – воздушный компрессор; 3 – камера сгорания; 4 – топливный насос; 5 – электрогенератор; 6 – пусковой электродвигатель; 7 – привод топливного насоса; 8 – топливная форсунка

 

Существенный вклад в теорию аэродинамики лопаточных аппаратов турбин и компрессоров был внесен Н.Е. Жуковским, которого по праву можно считать одним из основателей теории турбомашин. В своих работах «О реакции вытекающей и втекающей жидкости» (1882–1886 гг.) и «К теории судов, приводимых в движение силой реакции вытекающей воды» (1908 г.) он разработал основы теории реактивных двигателей, а в работах, посвященных вихревой теории гребных винтов и осевых вентиляторов (1912–1918 гг.), заложил основы современной теории турбомашин.

Тридцатые–сороковые годы ХХ века характеризуются серьезными достижениями в области аэродинамики турбин и компрессоров. Для турбин задача создания высокоэффективных лопаточных профилей и проточной части решалась заметно легче, чем для компрессоров, что связано с различиями характера течения в турбинных и компрессорных ступенях. Если к началу 40-х годов ХХ века внутренний к.п.д. турбины достиг 86–88% во многом благодаря опыту создания паровых турбин, то аэродинамический к.п.д. компрессоров находился на уровне 74–75%, что не давало возможности создать эффективную газотурбинную установку с к.п.д. выше 15–18%.

Пожалуй, первые серьезные достижения в создании эффективной экономичной ГТУ были получены в Венгрии инженером Яндрассиком. На созданной ГТУ мощностью 100 л.с. с регенератором, 10-ступенчатым осевым компрессором и 7-ступенчатой турбиной, ротор которой охлаждался воздухом, был достигнут эффективный к.п.д. установки 21,2 %.

Серьезный шаг в повышении экономичности и эффективности ГТУ связан с именем выдающегося ученого-турбиниста А. Стодолы (см. подраздел 3.1), который внес огромный вклад в развитие теории турбомашин. В 1940 году были опубликованы результаты испытаний ГТУ, созданной фирмой «Броун–Бовери» с участием Стодолы. Эта ГТУ была выполнена по простейшей схеме (рис. 3.16) и при температуре газа перед турбиной 550°С развивала мощность 4000 кВт с к.п.д., равным 18%. Она была испытана на заводе-изготовителе под руководством А. Стодолы в 1939 г., а в 1940 г. введена в эксплуатацию на подземной электростанции в г. Невшателе (Швейцария).

Уваров Владимир Васильевич (1899– 1977). В 1935 г. вышла в свет книга профессора В.В. Уварова «Газовые турбины», в которой была широко освещена теория газовых турбин и оригинально разработан ряд проблем газотурбостроения. В дальнейшем В.В. Уваров опубликовал ряд основополагающих теоретических исследований, из которых особо следует выделить работы по профилированию лопаток (1945 г.) и по характеристикам авиационного ГТД (1946 г.). 

Это достижение открыло путь дальнейшему заметному прогрессу в области решения задач аэродинамического совершенствования лопаточных аппаратов компрессоров и турбин. В это время достигнуты определенные успехи и в получении жаропрочных сплавов, которые позволили работать основным деталям ГТУ при температуре газа до 550°С без охлаждения.

Стечкин Борис Сергеевич (1891–1969) – академик АН СССР, Герой Социалистического Труда, создатель теории воздушно-реактивных двигателей и методов их расчета, создатель теории теплового расчета авиационных газотурбинных двигателей. В феврале 1929 г. в журнале «Техника воздушного флота» появляется его работа «Теория воздушно-реактивных двигателей». Она определила более чем на два десятилетия развитие авиационной науки, явилась теоретической базой и положила начало научному подходу к созданию нового типа летательных аппаратов и развитию реактивной авиации. Б.С. Стечкин впервые вывел формулу для определения силы тяги реактивного двигателя при движении его в сжимаемой среде. Кроме того, в работе впервые изложены основные понятия и выведены формулы к.п.д. воздушно-реактивных двигателей. Эта теория развита в дальнейших работах академика Б.С. Стечкина, а также в работах ряда других авторов. 

 

Зотиков Григорий Иванович (1898–1970). Начиная с 1930 г. вопросами использования газовой турбины в качестве главного корабельного двигателя начал глубоко заниматься Григорий Иванович Зотиков, впоследствии доктор технических наук, профессор. В его монографии «Проблема турбины внутреннего сгорания. Турбина равного давления» (1933 г.) и ряде статей изложен новый теоретический подход к сравнительной оценке циклов газотурбинных двигателей, разработаны вопросы эффективного охлаждения основных элементов газовой турбины, рациональной конструкции проточной части и целесообразных схем ГТУ. В 1935–1941 гг. под руководством Г.И. Зотикова начались работы по созданию опытной турбины – корабельного ГТД с промежуточным охлаждением и регенерацией мощностью 2570 кВт. Однако война прервала эту работу.

Успехи и позитивный опыт эксплуатации стационарных ГТУ и турбонадувных агрегатов, впервые установленных в 1923 году на судовых дизелях, предопределили дальнейшее расширение области использования газовых турбин. И здесь нельзя не отметить выдающиеся достижения в разработке и создании авиационных газотурбинных двигателей.

В 20-е годы прошлого века в курсах лекций по общей теории авиационного двигателя рассматривались только поршневые моторы, а теория лопаточных машин, ставшая основой расчета газотурбинных двигателей, была еще новинкой. Создавал ее ученик Н.Е. Жуковского Борис Сергеевич Стечкин: он читал курс лекций и одновременно строил новую теорию.

Работы по авиационным газотурбинным двигателям начались в середине 30-х годов ХХ столетия.

Теоретическое обоснование применения газовой турбины в авиации было дано известным ученым-турбинистом В.В. Уваровым. Им же был разработан проект авиационной газовой турбины, в котором газовая турбина являлась приводом воздушного винта самолета.

Однако, по крайней мере на первом этапе, авиационное газотурбостроение пошло по другому пути – по пути создания турбореактивных двигателей (ТРД).

Уже в 1930 году английский инженер Уиттл запатентовал воздушно-реактивный двигатель (ВРД), а с 1936 года такие двигатели начинают разрабатываться в Англии и Германии. Практически в это же время царствования поршневого мотора молодой, никому не известный в авиационных кругах, инженер А.М. Люлька родом из села Саварка на Киевщине взял на себя смелость утверждать, что дни этого мотора сочтены. В 1936–1937 гг. с группой энтузиастов Харьковского авиационного института он начинает разработку своего турбореактивного двигателя.

Первый опытный образец авиационного газотурбинного двигателя (HеS-1) был изготовлен в Германии фирмой «Хейнкель» в 1937 году. Это был турбореактивный двигатель с одноступенчатым центробежным компрессором и центростремительной турбиной с камерой сгорания испарительного типа. Наиболее термонапряженные детали двигателя изготавливались из высоколегированных дорогих сплавов. В 1939 году впервые в мире самолет Hе-178 с помощью турбореактивного двигателя ЮМО поднялся в воздух и совершил полет. Через два года совершил первый полет английский самолет с газотурбинным двигателем Франка Уиттла, а в 1942 году были осуществлены первые полеты реактивных самолетов в США. К середине 1944 года в Германии реактивные самолеты появились на вооружении «Люфтваффе».

Работы над рабочим проектом первого ТРД А.М. Люльки (РД-1) были закончены осенью 1940 года. Проект высоко оценил ученик Н.Е. Жуковского академик АН УССР Г.Ф. Проскура (1876–1958). Параллельно проводилась отработка основных узлов двигателя и к началу 1941 года он на 70% был уже реализован в металле.

После начала войны работы над двигателем были фактически законсервированы, хотя аналогичные работы в Англии и особенно в Германии проводились очень активно. К ним вернулись лишь в 1943 году.

Но уже в 1945 году был успешно испытан первый отечественный турбореактивный двигатель С-18 с тягой 1250 кгс, а в 1946–1947 гг. был разработан летный вариант первого отечественного турбореактивного двигателя ТР-1 с тягой 1360 кгс.

Двигатель ТР-1 устанавливался на самолетах: СУ-11 П.О.Сухого (первый полет состоялся 28 мая 1947 года), Ил-22 С.В.Ильюшина (первый полет – 27 июля 1947 года) и И-211 С.М.Алексеева (полеты проводились в 1947 году).

Начиная с 1945 г. в конструкторских разработках ГТД участвуют коллективы под руководством выдающихся конструкторов – пионера отечественного газотурбостроения А.М. Люльки, В.Я. Климова (1892–1962), А.А. Микулина (1895–1985), А.Г. Ивченко (1903–1968), С.Д. Колосова (1904–1975),

Н.Д. Кузнецова (1911–1995). Их трудом и знаниями создан мощный фундамент, позволивший каждому новому поколению газотурбинистов обновлять и укреплять этот фундамент в качестве надежной опоры для дальнейшего развития газотурбостроения.

После окончания второй мировой войны турбореактивные и турбовинтовые двигатели, основой которых являются газовые турбины, становятся базовыми двигателями современной реактивной и турбовинтовой авиации. С начала 60-х годов ХХ века стали применять двухконтурный турбореактивный двигатель (ДТРД), предложенный А.М. Люлькой еще в конце 1939 года и на который в 1941 году он получил авторское свидетельство (рис. 3.17), обогнав на четверть века научно-техническую мысль в авиационном двигателестроении.

Большой вклад в создание и развитие авиационных газотурбинных двигателей в СССР внесли конструкторское бюро ЗМКБ «Прогресс» и завод «Мотор-Січ» (г. Запорожье). Созданное в 50-е годы ХХ века конструкторское бюро долгие годы возглавлял академик Ивченко А.Г., под руководством которого были созданы высокоэффективные надежные авиационные газотурбинные двигатели, отвечавшие мировому уровню развития техники того времени, для пассажирской и транспортной авиации, а также для вертолетов. Впоследствии конструкторское бюро и предприятие активно подключаются к конвертированию своих двигателей для нужд энергетики и перекачки газа.

Существенная часть проблем, связанных с термонапряженным состоянием, термоциклической и вибрационной прочностью основных деталей и узлов авиационных газотурбинных двигателей, была решена Р.С. Кинасошвили, И.А. Биргером. Результаты их исследований оказали существенное влияние на развитие газотурбостроения вообще, поскольку мощное и динамичное развитие авиационных двигателей, сопровождаемое ростом эффективности и надежности их работы, становится сильнейшим стимулом и базой для дальнейшего совершенствования стационарного газотурбостроения.

Большие перспективы открыли достижения авиационного двигателестроения и для широкого применения газотурбинных установок на судах гражданского и военно-морского флота благодаря весьма благоприятным массогабаритным показателям и высоким показателям удельной мощности.

Рождение корабельного и судового газотурбостроения в СССР связано с созданием 7 мая 1954 года конструкторского бюро «Машпроект» на Южнотурбинном заводе (ныне научно-производственный комплекс газотурбостроения ГП НПКГ «Зоря»–«Машпроект», г. Николаев) – базы для проектирования корабельных ГТУ и их серийного производства.

Люлька Архип Михайлович (1908–1984). – генеральный конструктор авиационных газотурбинных двигателей, академик АН СССР. После окончания в 1931 году Киевского политехнического института он первым в мировом двигателестроении, работая в Харьковском авиационном институте, разработал проект двухконтурного (оказавшегося наиболее перспективным и в настоящее время) турбореактивного двигателя (ТРД). В этом двигателе впервые применялась ставшая теперь классической прямоточная схема с осевым многоступенчатым компрессором и кольцевой камерой сгорания, характерные и для современных энергетических стационарных газотурбинных установок.

Главным конструктором специального конструкторского бюро газотурбинных установок (СКБ ГУ) был назначен С.Д. Колосов. Было положено начало новой отрасли промышленности – корабельного и судового газотурбостроения, а лауреат Ленинской премии С.Д. Колосов по праву является его основателем и создателем.

Серьезным достоинством НПКГ «Зоря»–«Машпроект» явилось то, что предприятие не замкнулось на своих отраслевых интересах, а приняло непосредственное широкое участие в решении важных задач, стоявших перед народным хозяйством страны в области энергетики и газовой промышленности.

Имея целый ряд общих проблем и решений, стационарные газовые турбины имеют и заметные отличия от авиационных. Так, например, при общности аэродинамических задач создания высоконапорного и высоко-расходного компрессора конструирование его для стационарной ГТУ заметно легче, поскольку нет особых ограничений по габаритам и массе и поэтому они делаются с существенно большим количеством ступеней при заметно меньших скоростях потоков в сравнении с компрессором авиационного ГТД. Проектирование стационарных установок отличается от авиационных тем, что в них допустимо применение многоступенчатых турбин с небольшими осевыми скоростями газа, в то время как в авиационных газовых турбинах с небольшим количеством ступеней применяются высокие осевые скорости, что позволяет снизить высоту лопаток (и диаметр двигателя), а кинетическую энергию потока далее использовать в реактивном сопле.

Рис. 3.17. Авторское свидетельство А.М. Люльки на ДТРД: 1 – входной диффузор; 2 – вентилятор; 3 – компрессор; 4 – камера сгорания; 5 – газовая турбина; 6 – реактивное сопло

Условия работы основных деталей и узлов стационарных и авиационных турбин имеют заметные различия, что связано в первую очередь с разницей в ресурсах двигателей. Если в первом случае ресурсы находятся на уровне десятков тысяч часов (50–100 тыс.ч), то во втором это тысячи часов (3–20 тыс.ч). Поэтому в авиационных двигателях применяются, как правило, дорогие высоколегированные стали и сплавы на кобальтовой, молибденовой, хромовой и никелевой основах, чего не может позволить себе стационарное газотурбостроение, использующее менее дорогие стали и сплавы на основе никеля и хрома.

Ивченко Александр Георгиевич (1903– 1968) – известный украинский конструктор авиационных двигателей, академик АН УССР, создатель турбореактивных и турбовинтовых двигателей для самолетов многих типов. 

В стационарных газотурбинных установках в связи с меньшими ограничениями по массогабаритным требованиям гораздо легче осуществить более сложные термодинамические циклы, в частности регенеративный, циклы с промежуточным подогревом и охлаждением рабочего тела, газопаровые циклы с впрыском в проточную часть энергетического пара, получаемого в котле-утилизаторе за счет теплоты выхлопных газов, а также осуществлять работу газотурбинных установок по замкнутому циклу.

Названные выше достоинства и возможности стационарных газовых турбин, а также опыт, полученный при создании авиационных газотурбинных двигателей, инициировали бурное развитие стационарных газотурбинных установок после второй мировой войны. С пятидесятых годов ХХ века в мире начинается золотой век стационарного газотурбостроения. Газовые турбины энергично вторгаются в газовую промышленность и становятся основным видом приводных двигателей в газотранспортных системах (ГТС).

Большие успехи в создании стационарных газотурбинных установок для привода нагнетателей газа на компрессорных станциях (КС) магистральных газопроводов (МГ) были достигнуты и в СССР, так как многие основные положения теории и практики газовых турбин были успешно решены такими известными учеными России и Украины, как Щегляев А.В., Кириллов И.И., Жирицкий Г.С., Скубачевский Г.С., Костюк А.Г., Шерстюк А.Н., Селезнев К.П., Тырышкин В.Г., Дейч М.Е., Ольховский Г.Г., Копелев С.З., Швец И.Т., Дыбан Е.П., Шнеэ Я.И., Шубенко-Шубин Л.А., Христич В.А. и др. В 50–60-е годы ХХ века осваивается серийное производство приводных газотурбинных установок мощностью 4–6 МВт на Невском заводе (НЗЛ) в г. Ленинграде (Санкт-Петербурге) и 6–16 МВт на Турбомоторном заводе (ТМЗ) в г. Свердловске (Екатеринбурге). В Украине на Машиностроительном научнопроизводственном объединении (СМНПО) в г. Сумы начинается выпуск газоперекачивающих агрегатов (ГПА) мощностью от 6 до 16 МВт на базе судовых и авиационных газотурбинных двигателей, выпускаемых в Украине и России. Сегодня установленные мощности газотурбинных установок в газотранспортных системах мира составляют десятки миллионов киловатт, а единичные мощности газоперекачивающих агрегатов находятся в пределах от 4 до 25 МВт.

Колосов Сергей Дмитриевич (1904– 1975) – известный украинский конструктор авиационных и судовых двигателей, академик АН УССР, создатель турбореактивных и турбовинтовых двигателей для самолетов многих типов. Благодаря его трудам и трудам созданной им конструкторской школы город Николаев стал родиной отечественного корабельного и судового, а впоследствии – энергетического газотурбостроения.

В Украине на компрессорных станциях магистральных газопроводов в 2005 году установленная мощность приводных газотурбинных установок достигла 4,3 млн. кВт.

В СССР первые отечественные промышленные энергетические газотурбинные установки были выпущены в 1955–1956 гг. Эти установки ГТ-600-1,5, ГТ-700-4 (НЗЛ) и ГТ-12-(ЛМЗ) были спроектрированы на умеренные начальные температуры газов (600–700°С). Достигнутые к.п.д. этих установок из-за низких к.п.д. компрессоров и турбин, повышенных утечек воздуха из трактов высокого давления, недостаточной эффективности регенерации были, как правило, ниже проектных.

С учетом первого опыта, полученного на этих газотурбинных установках, начиная с 1960 года было выпущено несколько новых типов турбин – ГТ-700-12М (НЗЛ), ГТ-700-25-1 (ЛМЗ), ГТ-50 (ХТГЗ), представлявших следующий этап развития газотурбинной энергетики. Эти установки более быстроходны. При начальной температуре газов 700–800°С роторы и статоры турбин охлаждались воздухом.

Экономические показатели газотурбинных установок существенно улучшились, хотя в сложных по циклу и схемам установках и на этот раз не удалось получить проектные значения мощности и к.п.д. На Ленинградском металлическом заводе (ЛМЗ) были созданы энергетические газотурбинные установки мощностью от 9 до 150 МВт. Были выпущены более экономичные газотурбинные установки мощностью 100 МВт, работающие по сложному циклу с промежуточным охлаждением и подогревом рабочего тела. Первая в Украине энергетическая газотурбинная установка производства ЛМЗ мощностью 25 МВт была установлена в 50-е годы прошлого столетия на ГРЭС в г. Киеве. Позже на Симферопольской ГРЭС были установлены газотурбинные установки ЛМЗ мощностью по 100 МВт. В 90-е годы ХХ века на ЛМЗ были изготовлены энергетические газотурбинные установки мощностью 150 МВт.

История развития энергетического газотурбостроения в Украине, его успехи тесно связаны в первую очередь с деятельностью предприятий судового и авиационного газотурбинного двигателестроения, таких как государственное предприятие научно-производственный комплекс газотурбостроения (ГП НПКГ) «Зоря»–«Машпроект» (г. Николаев), возникший как его дочернее предприятие Криворожский турбинный завод «Восход» и конструкторское бюро «Энергия», а также Запорожское машиностроительное конструкторское бюро (ЗМКБ) «Прогресс» и завод «Мотор-Січ» (г. Запорожье). Вскоре после создания они становятся ведущими предприятиями страны в своих отраслях и достигают больших успехов и мировой известности. Они разрабатывают на базе своих двигателей газотурбинные установки для нужд газоперекачивающей промышленности и энергетики. Особых успехов достиг научно-производственный комплекс «Зоря»–«Машпроект», который стал одним из основных поставщиков газотурбинных установок мощностью от 10 до 25 МВт с к.п.д. 28,5–37% для газоперекачивающих агрегатов в газовой промышленности, а также для нужд энергетики России и Украины. Особенно перспективной для большой энергетики оказалась разработка одновальной энергетической газотурбинной установки мощностью 110 МВт с к.п.д. 36,5% (рис.3.18), выполненной по схеме простого цикла. Две такие установки в настоящее время проходят опытно-промышленную эксплуатацию в России и Украине.

Рис. 3.18. Энергоблок UGT 110000 на Ивановской ГРЭС в Комсомольске, Ивановской обл. (Россия)

Установки предназначены для работы как в автономном режиме, так и для работы в составе парогазовых установок, в частности в составе разработанной ПГУ-325 (2 х UGT 110000 + ПТУ-К-110-6,5), к.п.д. которой достигает 52%.

Использование конвертированных газотурбинных авиадвигателей предприятия «Мотор-Січ»–ЗМКБ «Прогресс» для нужд энергетики и газотранспортных систем характеризуется меньшими масштабами, чем у ГП НПКГ «Зоря»–«Машпроект». Однако оно тоже ощутимо. Предприятие выпускает энергетические газотурбинные установки мощностью 1,0–10 МВт и приводные газотурбинные установки мощностью 6,3 МВт с к.п.д. 24–34,5%.

В 50–60-е годы ХХ века на Харьковском турбогенераторном заводе была спроектирована, изготовлена и испытана стационарная энергетическая ГТУ мощностью 50 МВт. Впоследствии заводом было выпущено несколько стационарных энергетических ГТУ мощностью 45 и 35 МВт, установленных на электростанциях. Эти газовые турбины были использованы в 70-е годы ХХ века на одних из первых в мире парогазовых установках с высоконапорным и низконапорным парогенераторами на Невинномысской и Молдавской ГРЭС и до сих пор находятся в эксплуатации.

Послевоенные годы ознаменовались динамичным и интенсивным развитием стационарного энергетического газотурбостроения во всем мире, но особый прогресс был достигнут в США и Европе. Широкоизвестные ведущие американские и европейские фирмы «Дженерал электрик», «Вестингауз», «Солар», «Броун–Бовери», впоследствии АВВ, «Альстом», «Сименс», а также японские «Хитачи», «Мицубиси» создают совершенные и надежные высокоэкономичные стационарные энергетические газотурбинные установки. Начав выпуск с единичных мощностей установок 4–10 МВт с к.п.д. 24–26% и начальной температурой газа 700–800°С, они довели показатели современных серийно выпускаемых газотурбинных установок до единичных мощностей установок 260–280 МВт с к.п.д. 34–38% и температурой газа 1100–1300°С. Мощным стимулом для создания и выпуска стационарных энергетических газотурбинных установок стало развитие современной электроэнергетики в направлении всё возрастающего применения парогазовых технологий на электростанциях и теплоэлектроцентралях. Установленные мощности парогазовых установок в мире достигают многих сотен миллионов киловатт, а ежегодный ввод парогазовых установок в период 1997–2006 гг. достигал 25 ГВт. Единичные мощности парогазовых установок на таких электростанциях доходят до 600–800 МВт при к.п.д. 52–58%. Уже разработаны и созданы газотурбинные установки с начальной температурой газа 1300 и 1500°С с паровым охлаждением лопаток, что позволит поднять к.п.д. парогазовых установок до 58–60%. Такие установки, в частности, уже предлагают названные выше фирмы.

Анализ развития стационарного энергетического газотурбостроения показывает, что превалирующим направлением развития ГТУ в современных условиях являются установки простого цикла с горением при постоянном давлении. Сложные циклы с регенерацией теплоты уходящих газов, с промежуточным подогревом и охлаждением рабочего тела применяются реже. Однако в связи со сложностями дальнейшего повышения начальной температуры газа в последние годы наблюдается определенное повышение интереса к применению сложных циклов и ряд фирм разрабатывает ГТУ для работы по таким циклам.