Железная пасека

Для отечественного турбостроения 2018 год оказался непростым. Испытания первой в России газовой турбины большой мощности были приостановлены из-за технических сложностей. Но представители «Ростеха» заверили, что работы продолжатся после устранения возникших проблем. 

В этом же году на российском рынке появляется новый продукт, не производившийся ранее в стране, но критически необходимый для производства любых современных турбин, включая газовые машины и авиационные двигатели. Импорт этого компонента был серьезно осложнен после 2014 года, когда Великобритания признала технологию стратегической и наложила запрет на поставку сотовых уплотнений в Россию.

В середине 2018 года российская компания «Ротек» открывает собственное производство в Подмосковном г. Химки и приступает к серийному выпуску сварных сотовых уплотнений. 

Нередко эффективные инженерные решения лежат на поверхности, будто сама природа подсказывает ответы, точность которых шлифовалась законами физики. Современные материалы и технологии позволяют находить новые пути использования этих естественных решений природы. Именно так в турбостроении появился новый элемент - сотовый уплотнитель. Геометрия этого интегрального компонента любой современной турбины один в один схожа с шестиугольными призматическими ячейками, которые делают пчелы для хранения запасов меда. Сварная сота представляет собой усовершенствованный тип уплотнений, позволяющий уменьшить радиальные зазоры до 0,1 мм и ощутимо увеличить относительный КПД, при этом сократив расход топлива и снизив износ проточной части турбины.

Рис. 1 Сварные сотовые уплотнения нового поколения

Как работает «сота»? На приведенной схеме (см. ниже) изображено как лопатки ротора, расширяясь при высокой температуре, прорезают бороздку в сотовом уплотнении, которое надежно останавливает утечки пара или газа в горячем тракте турбины. За счет этого происходит экономия топлива и повышается эффективность работы.

Рис. 2 Схема расположения сотовых уплотнений и их контакта с элементами ротора паровой турбины.
 
Ход мысли конструкторов, разрабатывающих подобные решения, логично укладывается в историю развития технологии и турбин как таковых. 
Принцип работы турбины был известен давно. Еще в 1 веке нашей эры греческий математик и механик Герон Александрийский описал действие паровой турбины. Однако широкое промышленное применение эта машина смогла приобрести только после того, как английский инженер Чарлз Алджернон Парсонс, создав в конце 19 века многоступенчатый реактивный механизм, сумел направить пар таким образом, что его энергия начала использоваться максимально эффективно, конечно, по меркам того времени. Проще говоря, не сам принцип, а его совершенствование дало жизнь изобретению и навсегда изменило мир, вдохнув колоссальные силы в развитие промышленности, энергетики и транспорта. В рамках современной экономики и конкурентного рынка данный параметр был дополнен высокими требованиями надежности и экологических норм. Вкупе они стали критически важными критериями, определяющими, будет ли использоваться данная машина либо ее попросту спишут в утиль, а компания станет банкротом. 

Эффект, достигаемый при использовании «соты» такой же, как и когда-то изобретение Парсонса: направляет потоки газа/пара, но делает это уже на новом уровне, так как сотовое уплотнение препятствует перетеканию газа или пара между ступенями турбины. На острых кромках уплотнения происходит срыв потока, который, благодаря геометрии ячейки разворачивается в обратную сторону и «запечатывает» пространство между лопаткой ротора и кожухом турбины, предотвращая тем самым утечки. Именно эта функция отражена в самом названии данного компонента, которое звучит по-английски как “Honeycomb seals”, где “seal” обозначает «запечатывающий/изолирующий слой». Критически важным в данной конструкции становится уровень исполнение «соты» – стабильность формы и качество ячейки напрямую влияют на эффективность работы и прирост КПД турбины.
Испытания подтвердили эффективность новой отечественной «соты», позволяющей увеличить относительный КПД до 5%, соответственно сократив расход топлива и снизив износ проточной части турбины. Собранная статистика подтверждает расчеты. К примеру, при работе турбины на 4,84 г/кВт ч, использование современных сотовых уплотнений позволяет экономить порядка 5 млн рублей в год на одном только топливе без учета экономии на амортизации и снижении износа основного оборудования.

Характеристики нового продукта предопределили траекторию его движения на рынке высокотехнологичного оборудования. В российскую энергетику сварная сота пришла из авиации, по сути, повторив путь многих других систем, изначально применявшихся в авиастроении, а после нашедших свое место в других отраслях промышленности. 

Новый для нашего рынка продукт превзошел требования, предъявляемые к компонентам, используемым в энергетическом машиностроении. По итогам опытных испытаний холдинг «Ротек» и «Уральский завод гражданской авиации» подписали контракт на серийную поставку сотовых уплотнений для ремонта авиационных двигателей. Эти сотовые уплотнения получили собственную дополнительную маркировку «РК» к основному обозначению сборочной единицы в составе авиационных двигателей.

Запуск производства этого компонента в России может исправить и еще один технологический крен. Поскольку в нашей стране сотовые уплотнения сопоставимого качества не производились в принципе (в советское время достигнутое качество сотовых уплотнений было иным, так как не использовались еще технологии 3D). Это привело к тому, что в продукции ВПК и даже при проектировании гражданских двигателей, конструкторы закладывают решения 60-70-х гг. прошлого века. Это означает повышенную трудоемкость, металлоемкость и значительные затраты на подготовку серийного производства. В итоге конечная стоимость сборочной единицы становится кратно выше по сравнению с изделием на основе современной «соты». А только на одну паровую турбину мощностью в 100 МВт расходуется до 40 метров «соты» для надвальных уплотнений и до 100 метров для надбандажных уплотнений.  

При подготовке этого материала мы обратили внимание, на один пример из гражданского двигателестроения. В патенте компании SNECMA «Уплотнение кольца ротора в ступени турбины» (RU 2 476710) на фиг.1 (позиция 28) показано сотовое уплотнение сложной конфигурации из чего можно сделать закономерный вывод, что без сварной «соты» применение подобных схем при проектировании газовых турбин невозможно. 

Рис. 3 Изображение из патента компании SNECMA «Уплотнение кольца ротора в ступени турбины» (RU 2 476710).

Все это говорит о важности организации производства подобных элементов внутри страны. Конструкторы ВПК и гражданской продукции должны быть избавлены от необходимости искать альтернативные способы импорта «соты», поставляемой ранее из Великобритании и Соединенных Штатов, снизить влияние курсовых колебаний и последствий политических санкций.

Безусловно, сотовый уплотнитель – продукт нишевый, но абсолютно необходимый в составе современной турбины любого класса на электростанции, в авиадвигателе или на атомном ледоколе.  Качество новой российской «соты» и ее технологическая необходимость предопределили ее спрос как на внутреннем, так и на внешнем рынке. Потребность последнего в данном продукте оценивается специалистами в 300 тонн в год. Поэтому до половины производимой продукции, компания «Ротек» планирует поставлять за рубеж.

Как и век назад, эффективность вновь приобретает решающее значение. Масштабы конкуренции, экологические стандарты разных стран и необходимый уровень предсказуемости работы промышленных объектов требуют от конструкторов и инженеров найти новые способы сделать машину экономичнее. И российские компании чувствуют тренды мирового машиностроения, берут инициативу в свои и выводят на рынок новые продукты, востребованные как внутри России, так и за ее рубежами.