Большая энергия
Фото: Объединенная двигателестроительная корпорация
Газовые турбины — сердце современной энергетики. Они применяются в составе газотурбинных и парогазовых установок для выработки электричества и тепла в регионах и в удаленных районах, где нет централизованного электро- и теплоснабжения, или в качестве резервных и пиковых источников.
О том, как появились и устроены газовые турбины, а также о современных разработках Объединенной двигателестроительной корпорации Госкорпорации Ростех — в нашем материале.
Турбинная история
Турбина — это универсальная ротационная тепловая машина, которая преобразует энергию движущейся среды, в роли которой может быть сжатый воздух, вода, газ или пар, в механическую энергию вращения. Внешне турбина представляет собой вращающуюся часть с лопатками, которая преобразует энергию рабочего тела в полезную механическую и/или электрическую энергию.
Первыми были паровые корабельные турбины, а появились они на военных кораблях в XIX веке. Принцип их работы был следующим: в огромных котлах нагревалась вода, выделялся пар, который под давлением подавался на лопатки турбины. И уже от вала турбины, которая вращалась с большой скоростью, крутящий момент через мощные редукторы передавался на винт корабля. Но паровым турбинам требовался большой и громоздкий котел, который нужно было топить. Аналогичные паровые турбины позднее начали применяться на электростанциях — здесь с помощью турбины приводились в движение электрогенераторы.
Огромный импульс развитию турбин принесло создание в 1940-х годах турбореактивного авиационного двигателя — ТРД, одним из основных элементов которого является газовая турбина. Еще одним важным обстоятельством стало изобретение компрессора — специального устройства, забирающего окружающий воздух в нужных количествах. Компрессор засасывает в себя атмосферный воздух и очень сильно его сжимает, а уже затем этот сжатый воздух подается в камеру сгорания.
Как устроена и работает газовая турбина
По схеме работы турбореактивный двигатель оказался очень простым. Что же касается сложности изготовления и технологии производства, то тут ТРД на порядок сложнее использовавшихся ранее поршневых двигателей внутреннего сгорания.
Рассмотрим цикл работы ТРД для понимания самого принципа функционирования турбины. Представим себе обычную трубу широкого диаметра. Внутри нее устанавливается свободно вращающийся вал. На нем, как на оси, закреплены два основных узла: компрессор спереди и турбина сзади. Между ними — камера сгорания.
Газотурбинная установка ПС-90ГП-2. Фото: ПАО «Газпром»
Сначала обычный стартер-электромотор начинает раскручивать вал, на котором закреплены компрессор и турбина. Компрессор при вращении начинает засасывать и сжимать воздух, который затем поступает в камеру сгорания. В то же время туда же впрыскивается горючее, которое смешивается со сжатым воздухом и поджигается. Формируется так называемая реактивная струя, которая по пути попадает на турбину и заставляет ее вращаться еще сильнее. Теперь двигатель запущен, и электростартер ему уже не нужен. Он отключается, а турбина уже сама вращает компрессор.
Ключевое отличие энергетических газотурбинных установок от авиационных реактивных двигателей заключается в том, куда направляется полученная энергия. Газовая турбина преобразует энергию сгорания топлива во вращение вала для генерации электричества, а реактивный двигатель направляет высокоскоростные газы для создания реактивной тяги, которая приводит в движение летательный аппарат.
К основным достоинствам газовых турбин относят высокую удельную мощность на единицу массы или объема; топливную гибкость, позволяющую турбине работать на различных видах топлива; быстрый запуск и остановку; экологичность (более низкий уровень выбросов вредных веществ в атмосферу по сравнению с угольной энергетикой); надежность и долговечность. Все эти характеристики возможны благодаря техническим решениям, которые применяются в индустриальных двигателях, и организации сложного производственного процесса, который обеспечивает высокое качество деталей и, соответственно, надежную работу агрегатов в любых климатических условиях.
Долгий путь в энергетику
После создания турбореактивных двигателей и их отработки в качестве авиационных установок инженерам-энергетикам пришла в голову необычная идея: а что, если взять за основу конструкцию турбореактивного двигателя и адаптировать его для работы в энергетике. Для этого к валу, на котором вращаются компрессор с турбиной, решили присоединить электрический генератор для выработки электроэнергии.
Подобный опыт в других сферах уже был. Создатели вертолетов уже присоединили к валу мощный редуктор, от которого крутящий момент шел на несущий винт. Следом за вертолетчиками потянулись и конструкторы кораблей, которые приспособили газотурбинные двигатели для приведения в движение корабельных гребных винтов. Более того, газотурбинные двигатели даже приспособили к установке на танки: советский основной танк Т-80 стал первой в мире боевой машиной такого класса с газотурбинным двигателем. Кроме того, в 1950-1970-е годы был построен целый ряд автомобилей с газотурбинными двигателями, правда, не ставших массовыми по причине чрезвычайной «прожорливости».
В машинном зале газоперекачивающего агрегата мощностью 16 МВт. Фото: Объединенная двигателестроительная корпорация
Но в энергетике газовые турбины прижились. Одно дело — расходовать топливо для передвижения, и совсем другое — вырабатывать электроэнергию. Здесь экономические критерии совсем другие. Поэтому газовые турбины начали использовать для производства электроэнергии на электростанциях. Впоследствии конструкторы научились использовать горячие газы, выходящие из газовой турбины, для нагрева котлов, которые вырабатывали тепловую энергию и пар. Этот пар используется для вращения паровых турбин, а они, в свою очередь, также производили электричество. Так появились комбинированные парогазовые установки на базе газовых турбин.
Фундамент энергобезопасности страны
Отечественные газовые турбины сегодня играют ключевую роль в энергетике России. Газотурбинные энергетические установки обеспечивают электро- и теплоснабжение населенных пунктов на юге страны и в условиях Крайнего Севера, поддерживают работу вахтовых поселков, инфраструктуры нефтегазовых месторождений и удаленных промышленных объектов. Объединенная двигателестроительная корпорация Госкорпорации Ростех (ОДК) выпускает широкую линейку энергоустановок на базе газовых турбин мощностью от 2,5 до 25 МВт. Эти агрегаты отличаются топливной гибкостью — они способны работать не только на природном газе и дизельном топливе, но и на попутном нефтяном газе, который образуется при добыче нефти.
Например, компания «ОДК Инжиниринг», входящая в состав ОДК, производит энергоблоки мощностью 22,5 МВт на базе современных газовых турбин серии ПС-90 разработки «ОДК-Авиадвигатель». Блочная конструкция и технологичность этих электростанций позволяют вводить их в эксплуатацию в кратчайшие сроки — особенно там, где требуется оперативное усиление энергомощностей. Параллельно «ОДК Инжиниринг» создает новое поколение мобильных и быстровозводимых электростанций мощностью 25 МВт на базе двигателя НК-37 разработки «ОДК-Кузнецов». Такие комплексы можно будет оперативно транспортировать и развертывать в любой точке страны, обеспечивая резервирование мощности или снятие локального энергодефицита. В разработке находятся и совершенно новые энергоагрегаты мощностью 8 МВт, созданные на базе морских двигателей ОДК. Эти установки предназначены прежде всего для энергоснабжения прибрежных территорий и объектов морского шельфа — там, где требуется высокая надежность, компактность и устойчивость к суровым климатическим условиям.
Одной из ключевых проблем российской энергетики до недавнего времени являлось отсутствие технологий производства газовых турбин средней и большой мощности. Еще до начала 2020-х годов потребности нашей страны в таких турбинах в основном закрывались за счет иностранных производителей.
ГТД-110М. Фото: Объединенная двигателестроительная корпорация
Разработка отечественной газовой турбины большой мощности началась в 2013 году, когда к проекту подключились специалисты «ОДК-Сатурн» Объединенной двигателестроительной корпорации. Новая установка получила название ГТД-110М. В 2019 году завершились все доработки, и турбину внедрили в парогазовые установки (ПГУ). Мощность турбины в режиме простой генерации электроэнергии составляет 115 МВт, а если ее применять в составе ПГУ, то мощность такой ПГУ достигает 175 МВт. КПД первой российской турбины большой мощности 36,1%, скорость вращения лопастей − 3 тысячи оборотов в минуту. Турбина в качестве топлива использует природный газ, но способна работать на дизеле. По производительности российская энергетическая станция не уступает импортным. При этом она дешевле и компактнее (масса ГТД-110М составляет 60 тонн). В создании новой турбины применяются материалы только российского производства.
У новой отечественной газотурбинной силовой установки огромные перспективы. Именно турбины ГТД-110М станут основой программ модернизации тепловых генерирующих мощностей в России. По новому плану к 2031 году четверть всех тепловых установок по России планируется заменить на отечественные.
Первая турбина этого типа уже используется в составе ТЭС «Ударная» в Краснодарском крае. Она обеспечивает энергией потребителей Краснодарского края, Республики Крым и вносит значительный вклад в укрепление энергетической безопасности страны. За первый год работы ТЭС «Ударная», построенная дочерней компанией Госкорпорации Ростех «Технопромэкспорт», выработала почти 3,5 млн МВт*ч электроэнергии. Новая турбина доказала свою производительность и надежность. Вторая серийная турбина ГТД-110М осенью 2025 года передана для установки в составе генерирующего оборудования одной из крупнейших электростанций Ростовской области.
Создание отечественных газовых турбин большой мощности вывело отрасль на новый уровень технологической независимости. Сегодня Россия располагает собственной современной линейкой энергетических установок, способной обеспечить потребности как действующей генерации, так и масштабных проектов модернизации. Развитие ГТД большой мощности стало примером того, как компетенции предприятий ОДК и системная поддержка государства позволяют решать сложнейшие инженерные задачи и формировать долгосрочный фундамент энергобезопасности страны.