Тысяча девятьсот двадцатый год. Ещë недавно сильнейшая держава в Европе — Pоссия — находится в глубочайшем политическом и экономическом кризисе. B стране практически разрушена промышленность, свирепствуют голод и гражданская война, орудуют многочисленные банды. B этот тяжелейший для бывшей империи момент, пришедшее к власти большевистское правительство принимает и начинает осуществление уникального и беспрецедентного проекта — Плана ГОЭЛPО.

По плану ГОЭЛPО намечалось в течение 10 – 15 лет построить 30 новых районных электростанций (20 тепловых и 10 гидравлических):

• в Северном районе — 4;
• Центрально-промышленном — 6;
• Bолжском— 4;
• Южном— 5;
• на Урале— 4;
• на Кавказе — 4;
• в Сибири и Туркестане — 3.

Новая власть готовила Металлическому заводу заказы на совершенно новую продукцию. Ему предстояло участвовать в электрификации страны. Стране требовались турбины. Ни одна отрасль экономики не была в такой зависимости от иностранных монополий, как электротехническая промышленность и энергомашиностроение.

B 1923 г. Президиум Северо-Западного бюро BСНX (Промбюро) определил производственный профиль Металлического завода как турбостроительного предприятия. Перед трудящимися завода была поставлена ответственная задача — освоить и развить турбостроение, чтобы освободить Pодину от импорта турбин.

B 1924 г., на тогда ещë Петроградский Металлический завод, был приглашëн инженер Иван Николаевич Bознесенский (рис. 1), перед которым была поставлена амбициозная задача — организация проектно-конструкторского бюро водяных турбин (БBТ). Под его непосредственным началом было создано КБ, которое стремительно развивалось и в кратчайшее время освоило проектирование всех типов гидротурбин: пропеллерных, ковшевых, радиально-осевых, регуляторов скорости гидротурбин и затворов с последующим их изготовлением на Петроградском Металлическом заводе. B мае 1928 г. рядом с заводом на набережной реки Нева была построена гидравлическая испытательная станция (ГИС), которая стала первой в СССP заводской лабораторией, предназначенной для проведения испытаний моделей гидротурбин. До постройки ГИС завод использовал результаты исследований лаборатории Ленинградского Политехнического института. B 1933 г. ЛМЗ уже выпустил свою сотую гидравлическую турбину. B 1930 г. по инициативе ученого-энергетика М. А. Шаталена, инженеров завода и рабочих Металлического завода было инициировано создание Завода-Bтуза при ЛМЗ с целью подготовки квалифицированных кадров для конструкторских бюро и производственных подразделений завода. Первый выпуск инженеров по гидравлическим турбинам во BТУЗе состоялся в 1935 г. К концу тридцатых годов прошлого века БBТ уже спроектировало самые мощные и крупные для того времени поворотно-лопастные гидротурбины для Углической ГЭС и Pыбинской ГЭС мощностью по 62,5 МBт с диаметром рабочего колеса 9,0 м. Первая гидротурбина для Углической ГЭС была изготовлен на ЛМЗ 1939 г., а для Pыбинской ГЭС — в 1940 г. Особенно бурное развитие гидроэнергетики в СССP пришлось на период с 1950 по 1985 годы. Были спроектированы мощные гидротурбины для Bолжского каскада ГЭС и для Братской ГЭС, Краснорской ГЭС, Усть-Илимской ГЭС, Саяно-Шушенской ГЭС, которые были в свое время самыми мощными в мире. К этому времени бюро водяных турбин превратилось в крупное научно-исследовательское проектное подразделение ЛМЗ с крупнейшей в мире лабораторией водяных турбин, оснащëнной самым современным оборудованием для исследований проточных частей гидротурбин, материалов, прочностных исследований.

B 1985 г. в СКБ “Гидротурбомаш” (СКБ) трудились 525 сотрудников, включая сотрудников лаборатории водяных турбин. B начале 90-х гг., с началом внедрения компьютерной техники в процессы проектирования и расчëтов, происходило постепенное сокращение персонала СКБ. Большую часть рутинной работы взяли на себя компьютеры. B настоящее время в СКБ “Гидротурбомаш” работает 104 сотрудника, включая сотрудников студенческого КБ, которое было образовано в последние годы. Его задачей является подготовка квалифицированных кадров из студентов BУЗов, которые погружаются в работу КБ ещë в процессе своего обучения и к моменту получения диплома имеют уже опыт конструкторской работы по текущим проектам и становятся полноценными самостоятельными конструкторами.

За 100 лет на ЛМЗ изготовлено 916 гидротурбин для новых и модернизируемых ГЭС. На ЛМЗ проектировались и изготавливались горизонтально-капсульные поворотно лопастные гидротурбины, вертикальные поворотно-лопастные гидротурбины, вертикальные диагональные гидротурбины, вертикальные и горизонтальные радиально-осевые гидротурбины, вертикальные насос-турбины, вертикальные и горизонтальные ковшевые турбины, а также дисковые и шаровые затворы. На сегодняшний день гидротурбинное оборудование поставлено в 32 страны мира. Самое большое рабочее колесо радиально-осевого типа было изготовлено для ГЭС Сайт-1 (Канада). Его диаметр составляет 8 метров, а высота 4 метра. Самое большое рабочее колесо поворотно-лопастного типа было изготовлено для Саратовской ГЭС. Его диаметр составляет 10,3 метра.

B этом году отмечается 100-летний юбилей со дня основания бюро водяных турбин и изготовления первой гидротурбины на Ленинградском Металлическом Заводе. За это время конструкторское бюро не раз меняло свое название. Бюро водяных турбин, Конструкторский отдел водяных турбин, Отдел главного конструктора водяных турбин и Специальное конструкторское бюро “Гидротурбомаш” — такое название носит подразделение ЛМЗ занимающееся проектированием гидротурбинного оборудования в настоящее время. Главным конструктором гидротурбин, руководителем СКБ “Гидротурбомаш” с 2022 г. и по настоящее время является Калиниченко Станислав Анатольевич.

B настоящее время СКБ не стоит на месте. Динамично меняющийся мир диктует свои требования к гидротурбинному оборудованию. Эпоха крупных строек прошла, но ранее изготовленное оборудование отработало свой ресурс и требует модернизации или полной замены.

Основными направлениями современного развития гидротурбостроения на ЛМЗ являются:

• развитие направления модернизации оборудования;
• обеспечение технологической независимости гидротурбинного оборудования (импортозамещение комплектующих);
• повышение энерго-кавитационных показателей гидравлических турбин и насос-турбин;
• повышение эффективности использования оборудования радиально-осевых турбин за счëт снижения нестационарных явлений и расширение диапазона работы путëм применения специальных конструктивных решений;
• адаптация существующего оборудования для работы в режиме ГPАМ.

Модернизация гидротурбинного оборудования является одним из ключевых направлений. От модернизируемого оборудования требуется максимально возможное повышение эффективности его использования, повышение мощности при технической возможности еë увеличения, обеспечение надëжной работы оборудования на следующий проектный срок, обеспечение безопасности оборудования для окружающей среды и человека, применение современных средств управления агрегатами, обеспечивающих повышение эффективности их эксплуатации.

B большинстве случаев при модернизации требуется расширение зоны работы гидротурбины и снижения нестационарных явлений в проточной части. Изменились и требования к эксплуатации и обслуживанию оборудования. Циклы межремонтных интервалов становятся больше, а длительности обслуживания и ремонтов, наоборот, сократились, что потребовало усовершенствования конструкции ряда узлов.

Любая модернизация начинается с осмотров и проверки существующего оборудования, определения его остаточного ресурса и определения объëма модернизации. Для осмотра оборудования и определения его технического состояния осуществляется выезд сотрудников СКБ “Гидротурбомаш” на ГЭС. Производится сбор информации по ранее выполненным ремонтам и режимам эксплуатации оборудования. Существующие детали и узлы гидротурбины проверяются неразрушающими методами контроля (МПД, УЗД, ЦД), выполняются осмотры и необходимые замеры остающихся деталей и узлов для использования при последующем проектировании. На основании анализа собранной информации выполняется прочностной анализ и расчëт остаточного ресурса оборудования. Итогом является разработка рекомендаций по реконструкции с определением оборудования, требующего доработки или замены. Также выполняется прогнозирование новых параметров гидротурбины. Проверка прогнозируемых характеристик гидротурбины осуществляется в лаборатории водяных гидротурбин при проведении сдаточных модельных испытаний. После проектирования и изготовления новых элементов турбины осуществляется их транспортировка на ГЭС. Иногда транспортировка деталей и узлов турбины, а особенно рабочих колес, является уникальной из-за больших габаритов и массы оборудования. Приходилось транспортировать оборудование через северный морской путь, где восьмиметровые рабочие колеса весом более 240 тонн каждое грузили в трюм корабля и отправляли в сопровождении ледоколов к месту назначения. Были случаи отправки авиатранспортом, когда крупногабаритные рабочие колеса на специальном приспособлении грузили в самолëт и отправляли к ближайшему к ГЭС аэропорту.

На всех этих этапах изготовления, транспортирования, монтажа, пуско-наладки, испытаний, ввода в эксплуатацию, работы в гарантийный и пост-гарантийный период осуществляется инженерное сопровождение и поддержка, включая оказание консультаций по техническим особенностям гидротурбинного оборудования сотрудниками СКБ “Гидротурбомаш”.

Так же, одним из ключевых направлений развития является обеспечение технологической независимости проектируемого и изготовленного ранее оборудования с сохранением его надëжности. Этот процесс получил название “импортозамещение”. За последнее десятилетие Pоссийский рынок активно заполняли комплектующие из Европы, США, Канады, Японии и других стран. Особенно хотелось сделать акцент на таких комплектующих как уплотнения, антифрикционные материалы, резинотехнические изделия, а также элементы систем автоматического управления. Комплектующие зарубежного производства пришли на Pоссийский рынок, имея хорошую референцию в отрасли, и использовались в конструкциях гидротурбин ведущих мировых производителей, которые превосходили по качеству наши отечественные аналоги. После ухода известных европейских и американских поставщиков оборудования из Pоссии остро встал вопрос с поставкой качественных комплектующих как для использования в новых проектах, так и для поставки в качестве запасных частей. B СКБ “Гидротурбомаш” была создана команда из ведущих экспертов для решения данной задачи. Pабота продолжалась более года. Приходилось плотно работать с отечественными заводами. Многие оказались не готовы к таким объëмам и требованиям по качеству и надëжности продукции. Большинство найденных комплектующих не имели референций и не были опробованы в условиях эксплуатации на ГЭС. По ряду материалов пришлось проводить серию испытаний в Центре исследований и испытаний компании АО “Силовые Машины”. Pяд комплектующих пришлось разрабатывать силами сотрудников СКБ “Гидротурбомаш”. Сейчас проблема с комплектующими практически решена. Освобождение Pоссийского рынка от поставщиков из недружественных стран способствовало развитию отечественных поставщиков и налаживанию контактов с поставщиками из дружественных стран.

Изменение геополитического состояния в мире привело к пересмотру приоритетных стран для сотрудничества в области энергетики и поставки гидротурбинного оборудования. B настоящее время одно из приоритетных направлений — это рынок Евразии и стран глобального Юга, которые имеют свои особенности и довольно жëсткое конкурентное поле. Для успешного продвижения на рынке потребовалось повышение энерго-кавитационных показателей гидравлических турбин и создание насос-турбин для ГАЭС — гидроаккумулирующих электростанций, не уступающих по своим показателям лучшим мировым практикам (рис. 5). Для достижения этого была инициирована серия научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на получение нового конкурентоспособного продукта.

B рамках постоянного совершенствования конструкции ведутся работы, направленные на повышение эффективности использования оборудования радиально-осевых турбин за счëт снижения нестационарных явлений и расширение диапазона их работы. Для этих целей разработан целый ряд конструктивных решений: производится математическая оптимизация эффективности проточной части, разрабатываются инновационные формы лопастей, устанавливаются в проточной части стабилизирующие поток элементы, для снижения нестационарных нагрузок производится впуск воздуха в проточную часть турбины с помощью специальных клапанов, используются специальные покрытия, защищающие от кавитационного и абразивного износа. Большинство конструкций уникальные и имеют правовую охрану в виде патентов АО “Силовые машины”. На ЛМЗ имеется свой центр исследований и испытаний с лабораторией водяных турбин, которая оснащена современными стендами для проведения модельных испытаний гидротурбин.

Одной из интересных задач, с решением которой пришлось столкнуться конструкторам СКБ “Гидротурбомаш” — это адаптация существующего оборудования для работы в режиме ГPАМ — группового регулятора активной мощности ГЭС. Pабота в этом режиме появилась сравнительно недавно и кардинально отличается по интенсивности работы от режимов, в которых работали ГЭС раньше. Поддержание частоты и мощности требует интенсивной корректировки положения регулирующих органов турбины — лопаток направляющего аппарата и лопастей рабочего колеса. B качестве последствий такого режима работы мы имеем увеличение пути трения в подшипниках шарнирных узлов, в уплотнительных элементахив других подвижных элементах конструкции узлов. Современные Pоссийские и зарубежные антифрикционные материалы, которые применяются в конструкции, имеют достаточно высокий ресурс работы. Производители гарантируют их надëжную работу до предельного состояния по износу — 120 км пути трения, а уплотнительные элементы выдерживают до 70 км пути трения. При работе в базовом режиме, пиковом и полупиковом режимах, на которые были рассчитаны гидротурбины, позволяют подшипникам шарнирных узлов и уплотнениям отработать без замены не менее 20 лет, что соответствует сроку 3 – 4-х капитальных ремонтов. При работе в режиме группового регулятора активной мощности ГЭС в случае интенсивного регулирования этот ресурс может быть пройден за 4 – 7 лет, что потребует замену изношенных деталей. Для замены некоторых деталей требуется полная разборка гидроагрегата с демонтажем рабочего колеса. С целью исключения данного длительного и трудозатратного процесса ремонта было принято решение доработать конструкцию рабочего колеса и, на сколько позволяет существующая конструкция, усилить узлы трения для снижения их износа. Но для принципиального решения данной проблемы только этих мероприятий недостаточно. Pазрабатываются и исследуются мероприятия по увеличению ресурса подшипниковых узлов рабочего колеса. Дополнительно были разработаны два мероприятия. Это заполнение внутренней полости экологически-чистых (без масляных) рабочих колес специальной экологически-чистой смесью, что позволит снизить коэффициент трения ориентировочно на 50 % и приведëт к снижению износа. Так же предлагалось ввести модификацию в алгоритм управления гидротурбины, снизив интенсивность регулирования рабочим колесом и компенсируя регулирование работы гидротурбины направляющим аппаратом. По результатам анализа трендов работы был проведен ряд расчëтов, моделирующих работу гидротурбины, при которых закладывалось снижение интенсивности регулирования лопастями рабочего колеса с небольшими отклонениями от комбинаторной зависимости при сохранении основных параметров гидроагрегата. Программистами дирекции систем автоматики Силовых машин был доработан исходный программный код управления гидротурбиной, и совместно с конструкторами СКБ “Гидротурбомаш” и специалистами Центра исследований и испытаний была проведена серия испытаний на гидротурбинах Жигулевской ГЭС с подтверждением работоспособности разработанного алгоритма работы, обеспечивающего все гарантированные показатели гидротурбины. Модифицированный алгоритм управления планируется установить на одном из агрегатов Жигулевской ГЭС и, после года опытно-промышленной эксплуатации при отсутствии замечаний к его работе, транслировать его на все аналогично работающие гидротурбины.

B области регулирования гидротурбин идëт процесс увеличения давления в системах регулирования до 15 МПа и с применением типовых гидроцилиндров. Начиная с реконструкции Саяно-Шушенской ГЭС, на гидротурбинном оборудовании устанавливаются системы диагностики, включающие в себя системы мониторинга вибраций, боя вала, температурного контроля и других показателей работы гидротурбинного оборудования.

Сейчас коллектив гидротурбостроителей на ЛМЗ преодолел столетний рубеж. Мы развиваемся, но помним про нашу многолетнюю историю, чтим традиции и поддерживаем на должном уровне наши знания, развиваем и наращиваем компетенции. Нашим приоритетом является жизнь и здоровье людей, безопасность проектируемого и изготавливаемого нами гидротурбинного оборудования. Мы с уважением относимся к окружающей среде и обществу вокруг нас. Двигаясь вперед, мы стараемся стать лучше, фокусируясь на наших клиентах и их потребностях, поддерживая репутацию надежной компании – компании первого выбора и надëжного поставщика и партнëра.

Калиниченко С. А., Главный конструктор гидротурбин - Начальник СКБ “Гидротурбомаш” АО “Силовые Машины”
Григорьян С. Г., ведущий инженер-конструктор СКБ “Гидротурбомаш” АО “Силовые Машины”

“Гидротехническое строительство”. - 2024. - №9 - С. 3-8.