Бог проявив щедрість,
коли подарував світу таку людину...

Світлані Плачковій присвячується

Видання присвячується дружині, другу й соратнику,
автору ідеї, ініціатору й організатору написання цих книг
Світлані Григорівні Плачковій, що стало її останнім
внеском у свою улюблену галузь – енергетику.

Книга 3. Розвиток теплоенергетики та гідроенергетики

3.6. Історія розвитку енергетичного газотурбобудування

Газотурбінні установки (ГТУ), газотурбінні двигуни (ГТД) своєрідні у багатьох відношеннях. По-перше, вони є найбільш стародавнім за своєю ідеєю (приблизно XV ст.) й разом з цим найбільш молодими щодо практичної реалізації (рубіж XIX–XX ст.) тепловим двигуном. Газові турбіни увійшли до великої енергетики, досягнувши досконалості в авіації та суднобудуванні. Використання газотурбінних установок суттєво впливає на вирішення кардинальних завдань, що стоять перед енергетикою: підвищення високоманеврених потужностей для покриття пікових навантажень у великих енергосистемах; підвищення економічності електростанцій шляхом використання газотурбінних установок у комбінованих парогазових й газопарових установках (ПГУ, ГПУ) при модернізації існуючих і будівництві нових електростанцій; використання газотурбінних, парогазових установок у системах автономного забезпечення електроенергією і теплотою (теплофікації) індивідуальних споживачів; використання газотурбінних установок в якості базових агрегатів в автономних умовах у віддалених районах.

Прототипи газових турбін, до яких відносять так звані димові машини, або «механічні вертели», були відомі ще у XVII ст., але відправним пунктом у розвитку газових турбін можна вважати подання у 1791 році англійцем Джоном Барбером заяви щодо отримання патенту на тепловий двигун. У патенті були зафіксовані основні принципи роботи газових турбін: нагнітання суміші, утвореної повітрям й газом, у камеру горіння за допомогою компресора, горіння пальної суміші та подання її з великою швидкістю на лопатки робочого колеса, на якому здійснюється робота розширення газу (мал.3.11).

Можливість роботи на нафті, вугіллі й деревині Дж. Барбер пропонував забезпечити шляхом їх попередньої газифікації (перегонки), внаслідок чого у схемі його ГТУ, окрім повітряного, був і газопаливний компресор. Що ж стосується запобігання перегріву турбіни від дії високих температур, то з цією метою винахідник передбачив охолодження продуктів горіння впорскуванням води у камеру горіння.

Подальший винахід й розвиток парових турбін трохи загальмували розвиток газових турбін, однак не зупинили його, причиною чого став цілком очевидний ряд переваг газотурбінних установок над паротурбінними. Паротурбінна установка – складний агрегат, що містить в собі котельну установку, парову турбіну, конденсатор, значну кількість допоміжного обладнання, яке вимагає великої кількості охолоджуючої води. Газотурбінна установка не потребує води, вона відрізняється меншою кількістю механізмів, більшою простотою, помітно меншими габаритами й масою. Мал. 3.11. Газова турбіна Джона Барбера.  Англійський патент 1791 р.:  1 – турбіна, 2 – газовий і повітряний компресори; 3 – камера горіння; 4 – ресівер;  5 – генератор газуМал. 3.11. Газова турбіна Джона Барбера. Англійський патент 1791 р.: 1 – турбіна, 2 – газовий і повітряний компресори; 3 – камера горіння; 4 – ресівер; 5 – генератор газу

 Мал. 3.12. ГТУ Штольце з горінням при постійному тиску (безперервного горіння):  1 – компресор; 2 – нагрівач; 3 – реактивна турбіна; 4 – газогенераторМал. 3.12. ГТУ Штольце з горінням при постійному тиску (безперервного горіння): 1 – компресор; 2 – нагрівач; 3 – реактивна турбіна; 4 – газогенератор

 

Мал. 3.13. Газотурбінна установка  В.В. Кароводіна зі згоранням при сталому об’ємі (переривистого горіння): 1 – камера згорання; 2 – всмоктуючий клапан;  3 – пружина; 4 – регулюючий гвинт ходу клапана; 5 – свічка; 6 – газохід; 7 – сопло;  8 – колесо турбіниМал. 3.13. Газотурбінна установка В.В. Кароводіна зі згоранням при сталому об’ємі (переривистого горіння): 1 – камера згорання; 2 – всмоктуючий клапан; 3 – пружина; 4 – регулюючий гвинт ходу клапана; 5 – свічка; 6 – газохід; 7 – сопло; 8 – колесо турбіни

У 1872 році в Німеччині інженер Штольце отримав патент на газову турбіну, яку назвав «вогняною турбіною», котра містила практично всі основні вузли сучасної газової турбіни з безперервним процесом горіння палива у камері згорання: осьовий повітряний компресор, повітропідігрівач, суміщений з камерою згорання, й турбіну. ГТУ (мал.3.12) була створена й розрахована на отримання потужності 200 к.с. при кількості обертів 2000 об./хв. Однак її випробування не були успішними й замість 200 к.с. було отримано тільки 20 к.с.

У 1906 році французькими інженерами Арманго і Лемалем за участю професора Рато була збудована газова турбіна з підводом теплоти при постійному тиску потужністю 400 к.с. (294 кВт). Установка мала 2-ступеневий відцентровий компресор. Направляючі лопатки турбіни мали водяне охолодження, а вода із системи охолодження подавалася у продукти згорання керосину, знижаючи їх температуру до 560°С. Турбіна розвивала потужність, що трохи перевищувала потужність компресора, тому компресор приводився у рух від стороннього двигуна.

Створенням різноманітного типу газотурбінних установок займалися такі талановиті російські інженери й винахідники, як П.Д. Кузьмінський (див. підрозділ 3.8), В.В. Кароводін, Н.В. Герасимов, А.П. Горохов, М.Н. Нікольський, А.Н. Шелест та інші. Так, у 1906 році російським інженером В.В. Кароводіним була винайдена, а у 1908 році побудована у Франції газотурбінна установка переривистого горіння або зі згоранням при сталому об’ємі (мал. 3.13). Потужність, що витрачається на стиснення повітря у таких установках, значно нижча, ніж у газотурбінних установках сталого тиску. Турбіна розвивала потужність 1,6 к.с. (1,18 кВт) при 10000 об./хв., а ефективний к.к.д. досягав тільки 2%.

Певний прогрес у розвитку газових турбін сталого об’єму був забезпечений роботами німецького інженера Карла Гольцварта, котрий у 1908 році запропонував оригінальну конструкцію газової турбіни переривчастого горіння. У 1910 році швейцарською фірмою «Броун–Бовері» ця установка була збудована. Камера згорання, сопла та колесо турбіни охолоджувалися водою. Відцентровий компресор приводився в дію паровою турбіною, пар для котрої одержувався як за рахунок охолодження камери згорання, так і за рахунок теплоти вихлопних газів турбіни. По суті установка Гольцварта була однією з перших діючих парогазових установок (див. розділ 3.8). У цій установці компресор не має такого великого значення, як у газотурбінній установці безперервного горіння, оскільки горіння відбувається при сталому об’ємі (при закритих клапанах на вході й виході з камери згорання) і тому тиск у камері підвищується вище тиску, що розвиває компресор. Однак у цілому установка вийшла складнішою й дорожчою, ніж ГТУ безперервного горіння, оскільки для її роботи були потрібні складні клапанні пристрої й парова турбіна з конденсатором. На цій установці була досягнута потужність 200 к.с. (147 кВт) при к.к.д. порядку 14%.

За проектами Гольцварта були збудовані декілька ГТУ переривчастого горіння (одна з них показана на мал. 3.14). Оскільки у перші десятиліття минулого століття реалізація таких ГТУ здійснювалася успішніше, ніж ГТУ безперервного горіння, то був накопичений позитивний досвід, що зіграв благотворну роль у прогресі газотурбобудування взагалі. Так, у 1928 році швейцарська фірма «Броун–Бовері» відновлює будування ГТУ конструкції Гольцварта. Незабаром фірма отримує замовлення на розробку, а у 1939 році приступає до виготовлення цих установок. К.к.д. таких установок, працюючих за двухтактним циклом, оцінювався на рівні 18–20%, максимальна потужність складала 5000 к.с. Цей час можна вважати часом народження першої промислової стаціонарної газотурбінної установки. На основі накопиченого досвіду фірма «Броун–Бовері» розробила й почала виробництво котлів типу «Велокс», горіння в яких здійснювалося під тиском. Повітря у топку подавалося компресором, а приводила його у рух газова турбіна, яка працювала на газах котла, що Мал. 3.14. ГТУ переривчастого горіння Гольцварта  (з горінням при сталому об’ємі), конструктивна схема:  1 – клапан подачі повітря від компресора; 2 – клапан подачі палива; 3 – камера згорання;  4 – клапан подачі продуктів згорання до сопел; 5 – сопла; 6 – колесо турбіниМал. 3.14. ГТУ переривчастого горіння Гольцварта (з горінням при сталому об’ємі), конструктивна схема: 1 – клапан подачі повітря від компресора; 2 – клапан подачі палива; 3 – камера згорання; 4 – клапан подачі продуктів згорання до сопел; 5 – сопла; 6 – колесо турбіни

Маковський Володимир Матвійович (1870–1941) – творець вітчизняної школи газотурбобудування й першої у СРСР кафедри турбінобудування при Харківському механіко-машинобудівному інституті (1930 р.), яку він очолював до 1941 року. Ще у 1925 році Маковський В.М. у своїй монографії «Досвід дослідження турбін внутрішнього згорання» всупереч поширеним у той час уявленням обґрунтував перспективність циклу газових турбін зі сталим тиском згорання. Обґрунтованість цього висновку підтвердила вся подальша історія розвитку світового газотурбобудування. Він – автор 5 монографій й двох підручників по повітродувним машинам, термодинаміці, паровим та газовим турбінам.  відходять. Була випущена велика кількість таких котлів.

Тоді як в Європі 20–30-ті роки минулого століття пройшли під знаком розвитку ГТУ переривчастого горіння, у Харківському політехнічному інституті в газотурбінній лабораторії, організованій ще на початку 20-х років професором В.М. Маковським, створювалися наукові основи газових турбін постійної дії. Маковський був впевненим прихильником розвитку газотурбобудування шляхом використання ГТУ безперервного горіння. У 1925 році була опублікована його монографія «Досвід дослідження турбін внутрішнього згорання». Цією роботою В.М. Маковський активізував діяльність вітчизняних дослідників й конструкторів щодо вирішення проблем створення ГТД, працюючих за циклом р = const.

Теоретичні й експериментальні дослідження, виконані В.М. Маковським та його учнями у газотурбінній лабораторії, дозволили створити проект ГТУ безперервного горіння з використанням газоподібного палива. У 1936 році проект був готовий, а у 1940 році Харківським турбогенераторним заводом була виготовлена експериментальна установка потужністю 735 кВт з початковою температурою газу 850°С. На мал. 3.15 показаний поздовжній розріз газової турбіни даної установки. Турбіна мала два ступеня швидкості. Робочі лопатки приварені до диску. Корпус та ротор турбіни охолоджувалися водою. Охолоджуюча ротор вода спеціальним насосом подавалася через один кінець порожнинного валу, проходила через радіальні отвори й кільцеву порожнину у диску, а також через суміжні між собою радіальні канали у робочих лопатках і відводилась через другий кінець порожнинного валу.

Газотурбінна установка Маковського була встановлена на руднику у Горлівці (1941 р.). Паливом служив підземний газ, який подавався у камеру згорання поршневим компресором. Сюди ж, у камеру згорання, подавалося необхідне для згорання повітря при тиску 3–4 ата. Випробування показали, що газова турбіна може надійно працювати довгий час з початковою температурою газу 815°С при увімкненому охолодженні й з початковою температурою газу 600°С – при вимкненому охолодженні. Створення установки В.М. Маковського дало багато цінного матеріалу для подальшого будівництва газотурбінних установок.

Перша радянська газова турбіна, встановлена на шахті «Підземгаз» у Горлівці Перша радянська газова турбіна, встановлена на шахті «Підземгаз» у Горлівці

Мал. 3.15. Газова турбіна В.М. Маковського:  1 – нижня половина корпусу; 2 – опорно-упорний підшипник; 3 – корпус ущільнення;  4 – робоче колесо турбіни; 5 – сопловий апарат; 6 – верхня половина корпуса; 7 – екран;  8 – опорний підшипник; 9 – муфта Мал. 3.15. Газова турбіна В.М. Маковського: 1 – нижня половина корпусу; 2 – опорно-упорний підшипник; 3 – корпус ущільнення; 4 – робоче колесо турбіни; 5 – сопловий апарат; 6 – верхня половина корпуса; 7 – екран; 8 – опорний підшипник; 9 – муфта

Приблизно з того часу газотурбінні установки безперервного горіння стають основним напрямком розвитку газотурбобудування. Вони починають застосовуватися на нафтопереробних заводах, робляться спроби застосування їх на суднах й локомотивах, а також на електростанціях. Однак на відміну від парових турбін домогтися прийнятної економічності газотурбінних установок у той час не вдалося. У двадцяті роки минулого століття багато спеціалістів вважали вкрай обмеженою можливість розвитку газотурбінних установок або заперечували їх взагалі.

Якщо провести порівняння схем газотурбінних установок перших винахідників, за якими були створені дослідні зразки, що не показали позитивних результатів, із сучасними газотурбінними установками, то можна побачити, що принципових відмінностей у них немає. Головні причини невдач у створенні працездатного й ефективного газотурбінного двигуна були пов’язані з аеродинамічною недосконалістю компресорів та турбін, а також відсутністю у той час жаростійких сталей, здатних працювати довгий час в умовах високих температур. Зіграли роль і відсутність досвіду створення систем охолодження основних деталей та вузлів газотурбінних установок.

Вказані проблеми можна було вирішити тільки шляхом створення методів аеродинамічних розрахунків течії й теплообміну у лопаточних апаратах турбін та компресорів, удосконалення термодинамічних, теплових методів розрахунку робочих процесів ГТУ, методів розрахунку теплового й термонапруженого стану основних деталей та вузлів ГТУ, розрахунків їх систем охолодження, для чого належало виконати широкі теоретичні та експериментальні дослідження на моделях і натурних установках. Належало також вирішити серйозні металознавчі завдання щодо створення нових жароміцних та жаростійких сплавів.

Фундамент розвитку теорії турбомашин, складовою частиною якої є теорія газових турбін, був закладений ще в XVII–XIX століттях. Наріжним каменем теорії є термодинаміка робочих процесів у газотурбінних установках. У її основі лежать основні остулати й закони термодинаміки, запропоновані Карно, Майером, Гельмгольцем, Клаузіусом, Больцманом, Бойлем, Гей-Люссаком, Клапейроном, Томсоном та ін. Праці Ейлера, Бернуллі та інших лягли в основу газодинамічних й гідравлічних розрахунків турбомашин.
Мал. 3.16. Схема першої енергетичної ГТУ фірми «Броун–Бовері» в Невшателі: 1 – газова турбіна; 2 – повітряний компресор; 3 – камера згорання; 4 – паливний насос;  5 – електрогенератор; 6 – пусковий електродвигун; 7 – привід паливного насосу;  8 – паливна форсунка Мал. 3.16. Схема першої енергетичної ГТУ фірми «Броун–Бовері» в Невшателі: 1 – газова турбіна; 2 – повітряний компресор; 3 – камера згорання; 4 – паливний насос; 5 – електрогенератор; 6 – пусковий електродвигун; 7 – привід паливного насосу; 8 – паливна форсунка

Вагомий внесок у теорію аеродинаміки лопаточних апаратів турбін й компресорів був внесений М.Є. Жуковським, якого по праву можна вважати одним із основоположників теорії турбомашин. У своїх працях «Про реакцію рідини, що вливається та виливається» (1882–1886 рр.) і «До теорії суден, що приводяться у рух силою реакції води, що виливається» (1908 р.) він розробив основи теорії реактивних двигунів, а у роботах, присвячених вихровій теорії гребних гвинтів і осьових вентиляторів (1912–1918 рр.), заклав основи сучасної теорії турбомашин.

Тридцяті–сорокові роки XX століття характеризуються серйозними досягненнями у сфері аеродинаміки турбін та компресорів. Для турбін завдання створення високоефективних лопаточних профілів й проточної частини вирішувалось помітно легше, ніж для компресорів, що пов’язано із відмінностями характеру течії у турбінних та компресорних ступенях. Якщо до початку 40-х років XX століття внутрішній к.к.д. турбіни досягнув 86–88%, багато у чому завдячуючи досвіду створення парових турбін, то аеродинамічний к.к.д. компресорів знаходився на рівні 74–75%, що не давало можливості створити ефективну газотурбінну установку з к.к.д. вищим 15–18%.

Мабуть, перші серйозні досягнення у створенні ефективної економічної ГТУ були одержані в Угорщині інженером Яндрассиком. На створеній ГТУ потужністю 100 к.с. з регенератором, 10-ступеневим осьовим компресором і 7-ступеневою турбіною, ротор якої охолоджувався повітрям, був досягнутий ефективний к.к.д. установки 21,2%.

Серйозний крок у підвищенні економічності й ефективності ГТУ пов’язаний з ім’ям видатного ученого-турбініста А. Стодоли (див. підрозділ 3.1), який зробив величезний внесок у розвиток теорії турбомашин. У 1940 році були опубліковані результати випробувань ГТУ, створеної фірмою «Броун–Бовері» за участю Стодоли. Ця ГТУ була виконана за простою схемою (мал. 3.16) і при температурі газу перед турбіною 550°С розвивала потужність 4000 кВт з к.к.д., рівним 18%. Вона була випробувана на заводі-виробнику під керівництвом А. Стодоли у 1939 р., а у 1940 р. була введена в експлуатацію на підземній електростанції в м. Невшатлі (Швейцарія).

Уваров Володимир Васильович (1899–1977). У 1935 р. вийшла у світ книга професора В.В. Уварова «Газові турбіни», в якій була широко висвітлена теорія газових турбін та оригінально розроблено ряд проблем газотурбобудування. У подальшому В.В. Уваров опублікував ряд основоположних теоретичних досліджень, з яких особливо варто виділити роботи щодо профілювання лопаток (1945 р.) і щодо характеристик авіаційного ГТУ (1946 р.). 

Це досягнення відкрило шлях подальшому помітному прогресу у сфері вирішення завдань аеродинамічного удосконалення лопаточних апаратів компресорів та турбін. У цей час досягнуто певні успіхи і в отри манні жароміцних сплавів, які дозволили працювати основним деталям ГТУ при температурі газу до 550°С без охолодження.

Стєчкін Борис Сергійович (1891–1969) – академік АН СРСР, Герой Соціалістичної Праці, творець теорії повітрянореактивних двигунів та методів їх розрахунку, творець теплового розрахунку авіаційних газотурбінних двигунів. У лютому 1929 р. в журналі «Техніка повітряного флоту» з’являється праця «Теорія повітряно-реактивних двигунів». Вона випередила більше ніж на два десятиліття розвиток авіаційної науки, була теоретичною базою й поклала початок науковому підходу до створення нового типу літальних апаратів та розвитку реактивної авіації. Б.С. Стєчкін вперше вивів формулу для визначення сили тяги реактивного двигуна при русі його у середовищі, що стискується. Крім цього, у праці вперше викладено формули к.к.д. повітряно-реактивних двигунів. Ця теорія розвинута у подальших роботах академіка Б.С. Стєчкіна, а також у роботах ряду інших авторів. 

 

Зотіков Григорій Іванович (1898–1970) Починаючи з 1930 р. питаннями використання газової турбіни в якості головного корабельного двигуна почав глибоко займатися Григорій Іванович Зотіков, згодом доктор технічних наук, професор. У його монографії «Проблема турбіни внутрішнього згорання. Турбіна рівного тиску» (1933 р.) й у ряді статей викладено новий теоретичний підхід щодо порівняльної оцінки циклів газотурбінних двигунів, розроблені питання ефективного охолодження основних елементів газової турбіни, раціональної конструкції проточної частини й доцільних схем ГТУ. У 1935–1941 рр. під керівництвом Г.І. Зотікова розпочались роботи щодо створення дослідної турбіни – корабельного ГТД з проміжним охолодженням й регенерацією потужністю 2570 кВт. Однак війна перервала цю роботу.

Успіхи й позитивний досвід експлуатації стаціонарних ГТУ та турбонадувних агрегатів, вперше встановлених у 1923 році на суднових дизелях, визначили подальше розширення області використання газових турбін. І тут не можна не відзначити видатні досягнення у розробці й створенні авіаційних газотурбінних двигунів.

У 20-ті роки минулого століття в курсах лекцій щодо загальної теорії авіаційного двигуна розглядались тільки поршневі мотори, а теорія лопаточних машин, яка стала основою розрахунку газотурбінних двигунів, була ще новинкою. Створював її учень М.Є. Жуковського Борис Сергійович Стєчкін: він читав курс лекцій та одночасно створював нову теорію.

Роботи по авіаційним газотурбінним двигунам розпочалися у середині 30-х років XX століття.

Теоретичне обґрунтування застосування газової турбіни в авіації було дано відомим вченим-турбіністом В.В. Уваровим. Ним же був розроблений проект авіаційної газової турбіни, в якому газова турбіна була приводом повітряного гвинта літака.

Однак, принаймні на першому етапі, авіаційне газотурбобудування пішло іншим шляхом – шляхом створення турбореактивних двигунів (ТРД).

Уже у 1930 році англійський інженер Уїттл запатентував повітряно-реактивний двигун (ПРД), а з 1936 року такі двигуни починають розроблятися в Англії та Німеччині. Практично у цей же час панування поршневого мотора молодий, нікому не відомий в авіаційних колах, інженер А.М. Люлька родом із села Саварка на Київщині взяв на себе сміливість стверджувати, що дні цього мотору вичерпані. У 1936–1937 рр. з групою ентузіастів Харківського авіаційного інституту він розпочинає розробку свого турбореактивного двигуна.

Перший дослідний зразок авіаційного газотурбінного двигуна (HeS-1) був виготовлений у Німеччині фірмою «Хейнкель» у 1937 році. Це був турбореактивний двигун з одноступеневим відцентровим компресором і доцентровою турбіною з камерою згорання випаровувального типу. Найбільш термонапружені деталі двигуна виготовлялися з високолегованих, дорогих сплавів. У 1939 році вперше у світі літак Не-178 за допомогою турбореактивного двигуна ЮМО піднявся у повітря та здійснив політ. Через два роки здійснив перший політ англійський літак з газотурбінним двигуном Франка Уїттла, а у 1942 році були здійснені перші польоти реактивних літаків у США. До середини 1944 року у Німеччині реактивні літаки з’явилися на озброєнні «Люфтваффе».

Роботи над робочим проектом першого ТРД А.М. Люльки (РД-1) були закінчені восени 1940 року. Проект високо оцінив учень М.Є. Жуковського академік АН УССР Г.Ф. Проскура (1876–1958). Паралельно проводилося відпрацювання основних вузлів двигуна і до початку 1941 року він на 70% був уже реалізований у металі.

Після початку війни роботи над двигуном були фактично законсервовані, хоча аналогічні роботи в Англії й особливо у Німеччині проводилися дуже активно. До них повернулися лише у 1943 році.

Але вже у 1945 році був успішно випробуваний перший вітчизняний турбореактивний двигун С-18 з тягою 1250 кгс, а в 1946–1947 рр. був розроблений льотний варіант першого вітчизняного турбореактивного двигуна ТР-1 з тягою 1360 кгс.

Двигун ТР-1 встановлювався на літаках: СУ-11 П.О. Сухого (перший політ відбувся 28 травня 1947 року), Іл-22 С.В. Іллюшина (перший політ – 27 травня 1947 року) і І-211 С.М. Алексєєва (польоти проводилися у 1947 році).

Починаючи з 1945 р. у конструкторських розробках ГТД беруть участь колективи під керівництвом видатних конструкторів – піонера вітчизняного газотурбобудування А.М. Люльки, В.Я. Климова (1892–1962), О.О. Микуліна (1895–1985), О.Г. Івченко (1903–1968), С.Д. Колосова (1904–1975), М.Д. Кузнєцова (1911–1995). Їх працею й знаннями створено потужний фундамент, який дозволив кожному новому поколінню газотурбіністів обновляти й укріплювати цей фундамент в якості надійної опори для подальшого розвитку газотурбобудування.

Після закінчення другої світової війни турбореактивні й турбогвинтові двигуни, основою яких є газові турбіни, стають базовими двигунами сучасної реактивної та турбогвинтової авіації. З початку 60-х років XX століття стали використовувати двоконтурний турбореактивний двигун (ДТРД), запропонований А.Н. Люлькою ще наприкінці 1939 року і на який у 1941 році він одержав авторське свідоцтво (мал. 3.17), випередивши на чверть століття науково-технічну думку в авіаційному двигунобудуванні.

Великий внесок у створення та розвиток авіаційних газотурбінних двигунів у СРСР зробили конструкторське бюро ЗМКБ «Прогрес» та завод «Мотор-Січ» (м. Запоріжжя). Створене у 50-ті роки XX століття конструкторське бюро очолював академік Івченко А.Г., під керівництвом якого були створені високоефективні надійні авіаційні газотурбінні двигуни, що відповідали світовому рівню розвитку техніки того часу, для пасажирської та транспортної авіації, а також для вертольотів. Згодом конструкторське бюро й підприємство активно підключаються до конвертування своїх двигунів для потреб енергетики та перекачування газу.

Істотна частина проблем, пов’язаних з термонапруженим станом, термоциклічною й вібраційною міцністю основних деталей та вузлів авіаційних газотурбінних двигунів, була вирішена Р.С. Кинасошвілі, І.А. Біргером. Результати їх досліджень справили суттєвий вплив на розвиток газотурбобудування взагалі, оскільки потужний та динамічний розвиток авіаційних двигунів, що супроводжувався ростом ефективності й надійності їх роботи, стає найсильнішим стимулом і базою для подальшого удосконалення стаціонарного газотурбобудування.

Великі перспективи відкрили досягнення авіаційного двигунобудування і для широкого застосування газотурбінних установок на суднах цивільного й військово-морського флоту завдяки вельми сприятливим масогабаритним показникам й високим показникам питомої потужності.

Народження корабельного і суднового газотурбобудування у СРСР пов’язане зі створенням 7 травня 1954 року конструкторського бюро «Машпроект» на Південнотурбінному заводі (у наш час наукововиробничий комплекс газотурбобудування ДП НВКГ «Зоря» – «Машпроект», м. Миколаїв) – бази для проектування корабельних ГТУ та їх серійного виробництва.

Люлька Архип Михайлович (1908–1984) – генеральний конструктор авіаційних газотурбінних двигунів, академік АН СРСР. Після закінчення у 1931 році Київського політехнічного інституту він першим у світовому двигунобудуванні, працюючи у Харківському авіаційному інституті, розробив проект двоконтурного (що виявився найбільш перспективним і у наш час) турбореактивного двигуна (ТРД). У цьому двигуні вперше застосовувалась тепер уже класична прямоточна схема з осьовим багатоступеневим компресором та кільцевою камерою згорання, характерні й для сучасних енергетичних стаціонарних газотурбінних установок. 

Головним конструктором спеціального конструкторського бюро газотурбінних установок (СКБ ГУ) був призначений С.Д. Колосов. Було покладено початок новій галузі промисловості – корабельного і суднового газотурбобудування, а лауреат Ленінської премії С.Д. Колосов по праву є його засновником і творцем.

Серйозною перевагою НВКГ «Зоря» – «Машпроект» було те, що підприємство не замкнулося на своїх галузевих інтересах, а прийняло безпосередню широку участь у вирішенні важливих завдань, що стояли перед народним господарством країни в галузі енергетики й газової промисловості.

Маючи цілий ряд загальних проблем і рішень, стаціонарні газові турбіни мають й помітні відмінності від авіаційних. Так, наприклад, при спільності аеродинамічних завдань створення високонапірного й високовитратного компресора конструювання його для стаціонарної ГТУ помітно легше, оскільки немає особливих обмежень по габаритам і масі й тому вони робляться з істотно більшою кількістю ступенів при помітно менших швидкостях потоків у порівнянні з компресором авіаційного ГТД. Проектування стаціонарних установок відмінне від авіаційних тим, що у них допускається застосування багатоступеневих турбін з невеликими осьовими швидкостями газу, тоді як в авіаційних газових турбінах з невеликою кількістю ступенів застосовуються високі осьові швидкості, що дозволяє знизити висоту лопаток (й діаметр двигуна), а кінетичну енергію потоку далі використовувати у реактивному соплі. Мал. 3.17. Авторське свідоцтво А.М. Люльки на ДТРД:  1 – вхідний дифузор; 2 – вентилятор; 3 – компресор; 4 – камера згорання;  5 – газова турбіна; 6 – реактивне соплоМал. 3.17. Авторське свідоцтво А.М. Люльки на ДТРД: 1 – вхідний дифузор; 2 – вентилятор; 3 – компресор; 4 – камера згорання; 5 – газова турбіна; 6 – реактивне сопло

Умови роботи основних деталей та вузлів стаціонарних й авіаційних турбін мають помітні відмінності, що пов’язано у першу чергу з різницею у ресурсах двигунів. Якщо у першому випадку ресурси знаходяться на рівні десятків тисяч годин (50–100 тис. год), то в другому це тисячі годин (3–20 тис. год).

Івченко Олександр Георгійович (1903–1968) – відомий український конструктор авіаційних двигунів, академік АН УРСР, творець турбореактивних та турбогвинтових двигунів для літаків багатьох типів.

Тому в авіаційних двигунах застосовуються, як правило, дорогі високолеговані сталі й сплави на кобальтовій, молібденовій, хромовій та нікелевій основах, чого не може дозволити собі стаціонарне газотурбобудування, яке використовує менш дорогі сталі й сплави на основі нікелю та хрому.

У стаціонарних газотурбінних установках у зв’язку з меншими обмеженнями щодо масогабаритних вимог набагато легше здійснити складніші термодинамічні цикли, зокрема регенеративний, цикли з проміжним підігрівом й охолодженням робочого тіла, газопарові цикли з впорскуванням у проточну частину енергетичної пари, яка одержується у котлі-утилізаторі за рахунок теплоти вихлопних газів, а також здійснювати роботу газотурбінних установок за замкнутим циклом.

Названі вище переваги й можливості стаціонарних газових турбін, а також досвід, отриманий при створенні авіаційних газотурбінних двигунів, ініціювали бурхливий розвиток стаціонарних газових установок після другої світової війни. З п’ятдесятих років XX століття у світі розпочинається золоте століття стаціонарного газотурбобудування. Газові турбіни енергійно вторгаються у газову промисловість й стають основним видом приводних двигунів у газотранспортних системах (ГТС).

Великі успіхи у створенні стаціонарних газотурбінних установок для приводу нагнітачів газу на компресорних станціях (КС) магістральних газопроводів (МГ) були досягнуті й у СРСР, оскільки багато основних положень теорії й практики газових турбін були успішно вирішені такими відомими вченими Росії та України, як Щегляєв А.В., Кириллов І.І., Жирицький Г.С., Скубачевський Г.С., Костюк А.Г., Шерстюк А.Н., Селезньов К.П., Тиришкін В.Г., Дейч М.Е., Ольховський Г.Г., Копелев С.З., Швець І.Т., Дибан Є.П., Шнеє Я.І., Шубенко-Шубін Л.О., Христич В.О. та ін. У 50–60-ті роки XX століття освоюється серійне виробництво привідних газотурбінних установок потужністю  4–6 МВт на Невському заводі (НЗЛ) у м. Ленінграді (Санкт-Петербурзі) і 6–16 МВт на Турбомоторному заводі (ТМЗ) в м. Свердловську (Єкатеринбурзі). В Україні на Машинобудівному науково-виробничому об’єднанні (СМНВО) у м. Суми розпочинається випуск газоперекачуючих агрегатів (ГПА) потужністю від 6 до 16 МВт на базі суднових та авіаційних газотурбінних двигунів, які випускаються в Україні та Росії. Сьогодні встановлені потужності газотурбінних установок у газотранспортних системах світу складають десятки мільйонів кіловат, а одиничні потужності газоперекачуючих агрегатів знаходяться у межах від 4 до 25 МВт.

Колосов Сергій Дмитрович (1904–1974) – відомий український конструктор авіаційних та суднових двигунів, академік АН УРСР, творець турбореактивних й турбогвинтових двигунів для літаків багатьох типів. Завдяки його працям та працям створеної ним конструкторської школи місто Миколаїв стало батьківщиною вітчизняного корабельного та суднового, а потім – енергетичного газотурбобудування.

В Україні на компресорних станціях магістральних газопроводів у 2005 році встановлена потужність привідних газотурбінних установок досягла 4,3 млн. кВт.

У СРСР перші вітчизняні промислові енергетичні газотурбінні установки були випущені в 1995–1956 рр. Ці установки ГТ-600-1,5, ГТ-700-4 (НЗЛ) та ГТ-12-3 (ЛМЗ) були спроектовані на помірні початкові температури газів (600–700°С). Досягнуті к.к.д. цих установок через низькі к.к.д. компресорів й турбін, підвищені втрати повітря з трактів високого тиску, недостатню ефективність регенерації були, як правило, нижчі проектних.

З урахуванням першого досвіду, отриманого на цих газотурбінних установках, починаючи з 1960 року було випущено декілька нових типів турбін – ГТ-700-12М (НЗЛ), ГТ-700-25-1 (ЛМЗ), ГТ-50 (ХТГЗ), які представляли наступний етап розвитку газотурбінної енергетики. Ці установки швидкохідніші. При початковій температурі газів 700–800°С ротори й статори турбін охолоджувалися повітрям. Економічні показники газотурбінних установок суттєво покращились, хоча у складних за циклами та схемами установках і на цей раз не вдалось отримати проектне значення потужності й к.к.д. На Ленінградському металевому заводі (ЛМЗ) були створені енергетичні газотурбінні установки потужністю від 9 до 150 МВт. Були випущені економічніші газотурбінні установки потужністю 100 МВт, які працювали за складним циклом з проміжним охолодженням й підігрівом робочого тіла. Перша в Україні енергетична газотурбінна установка виробництва ЛМЗ потужністю 25 МВт була встановлена у 50-ті роки минулого століття на ДРЕС в м. Києві. Пізніше на Симферопольській ДРЕС були встановлені газотурбінні установки ЛМЗ потужністю 100 МВт. У 90-ті роки XX століття на ЛМЗ були виготовлені енергетичні газотурбінні установки потужністю 150 МВт.

Історія розвитку енергетичного газотурбобудування в Україні, його успіхи тісно пов’язані у першу чергу з діяльністю підприємств суднового й авіаційного газотурбінного двигунобудування, таких як державне підприємство науково-виробничий комплекс газотурбобудування (ДП НВКГ) «Зоря» – «Машпроект» (м. Миколаїв), Криворізький турбінний завод «Схід», що з’явився як його дочірнє підприємство, та конструкторське бюро «Енергія», а також Запорізьке машинобудівне конструкторське бюро (ЗМКБ) «Прогрес» та завод «Мотор-Січ» (м. Запоріжжя). Незабаром після створення вони стають провідними підприємствами країни у своїх галузях й досягають великих успіхів та світової слави. Вони розробляють на базі своїх двигунів газотурбінні установки для потреб газоперекачуючої промисловості та енергетики. Особливих успіхів досягнув науково-виробничий комплекс «Зоря» – «Машпроект», який став одним з основних постачальників газотурбінних установок потужністю від 10 до 25 МВт з к.к.д. 28,5–37% для газоперекачуючих агрегатів у газовій промисловості, а також для потреб енергетики Росії та України. Особливо перспективною для великої енергетики виявилася розробка одновальної енергетичної газотурбінної установки потужністю 110 МВт з к.к.д. 36,5% (мал.. 3.18), виконаної за схемою простого циклу. Дві такі установки у наш час проходять дослідно-промислову експлуатацію в Росії та Україні.

Мал. 3.18. Енергоблок UGT 110000 на Іванівській ДРЕС у Комсомольську, Іванівська обл. (Росія)Мал. 3.18. Енергоблок UGT 110000 на Іванівській ДРЕС у Комсомольську, Іванівська обл. (Росія)

Установки призначені для роботи як у автономному режимі, так і для роботи у складі парогазових установок, зокрема у складі розробленої ПГУ-325 (2 х UGT 110000 + ПТУ-К110-6,5), к.к.д. якої складає 52%.

Використання конвертованих газотурбінних авіадвигунів підприємства «МоторСіч»–ЗМКБ «Прогрес» для потреб енергетики й газотранспортних систем характеризується меншими масштабами, ніж у ДП НВКГ «Зоря»–«Машпроект». Однак воно також відчутне. Підприємство випускає енергетичні газотурбінні установки потужністю 1,0–10 МВт й приводні газотурбінні установки потужністю 6,3 МВт з к.к.д. 24–34,5%.

У 50–60-ті роки XX століття на Харківському турбогенераторному заводі була спроектована, виготовлена й випробувана стаціонарна енергетична ГТУ потужністю 50 МВт. Згодом заводом було випущено декілька стаціонарних енергетичних ГТУ потужністю 45 й 35 МВт, встановлених на електростанціях. Ці газові турбіни були використані у 70-ті роки XX століття на одних з перших у світі парогазових установках з високонапірним та низьконапірним парогенератором на Невинномиській й Молдавській ДРЕС і до цього часу знаходяться в експлуатації.

Післявоєнні роки ознаменувалися динамічним й інтенсивним розвитком стаціонарного енергетичного газотурбобудування у цілому світі, але особливий прогрес був досягнутий у США та Європі. Широковідомі провідні американські й європейські фірми «Дженерал електрик», «Вестінгауз», «Солар», «Броун–Бовері», згодом АВВ, «Альстом», «Сіменс», а також японські «Хітачі», «Міцубісі» створюють досконалі й надійні високоекономічні стаціонарні енергетичні газотурбінні установки. Почавши випуск з одиничних потужностей установок 4–10 МВт з к.к.д. 24–26% й початковою температурою газу 700–800°С, вони довели показники сучасних газотурбінних установок серійного випуску до одиничних потужностей установок 260–280 МВт з к.к.д. 34–38% й температурою газу 1100–1300°С.

Потужним стимулом для створення й випуску стаціонарних енергетичних газотурбінних установок став розвиток сучасної електроенергетики у напрямі все зростаючого застосування парогазових технологій на електростанціях й теплоелектроцентралях. Встановлені потужності парогазових установок у світі досягають багатьох сотень мільйонів кіловат, а щорічне введення парогазових установок у дію у період 1997–2006 рр. досягало 25 ГВт. Одиничні потужності парогазових установок на таких електростанціях доходять до 600–800 МВт при к.к.д. 52–58%. Вже розроблені й створені газотурбінні установки з початковою температурою газу 1300 і 1500°С з паровим охолодженням лопаток, що дозволить підняти к.к.д. парогазових установок до 58–60%. Такі установки, зокрема, уже пропонують названі вище фірми.

Аналіз розвитку стаціонарного енергетичного газотурбобудування показує, що превалюючим напрямом розвитку ГТУ в сучасних умовах є установки простого циклу з горінням при сталому тиску. Складні цикли з регенерацією теплоти вихідних газів, з проміжним підігрівом й охолодженням робочого тіла використовуються рідше. Однак у зв’язку зі складностями подальшого підвищення початкової температури газу в останні роки спостерігається певне підвищення інтересу до застосування складних циклів і ряд фірм розробляє ГТУ для роботи за такими циклами.

  • Попередня:
    3.5. Шляхи удосконалення конструкцій парових турбін у світі
  • Читати далі:
    3.7. Основні елементи енергетичних газотурбінних установок та їх призначення
  •