В последние годы, несмотря на то что во многих странах предпринимались усилия совершить ускоренный переход к «зеленой» энергетике взамен традиционной, данные попытки не увенчались успехом. В настоящее время уже можно говорить, что была выбрана ошибочная стратегия развития, которая привела к множественным энергетическим кризисам как в европейских странах, так и в США. Во многом из-за этих обстоятельств наметилась существенная корректировка планов развития энергетики и возврат к развитию традиционных источников энергии. Стало понятно, что необходимы электростанции, работающие на ископаемом топливе, а также должны быть созданы системы накопления энергии, которые позволят обеспечить надежность энергоснабжения.

В этом ряду также находится и перевод ядерной генерации в разряд «зеленой» энергетики, и возобновление планов по строительству атомных электростанций (АЭС).

В некоторых странах ведется массовое строительство блоков на суперсверхкритические параметры пара (ССКП). В этих условиях, когда ряд стран никогда не отказывались от традиционной генерации и продолжали развивать как атомную, так и тепловую энергетику, патентная аналитика может помочь определить тенденции развития по некоторым направлениям и выявить возможных технологических лидеров, которые появятся в ближайшие годы.

В последнее время критическая зависимость возобновляемых источников энергии (ВИЭ) от погодных условий наглядно проявилась в странах Европы и в США, когда ускоренный отказ от тепловой, и даже ядерной энергетики, в условиях недостаточной развитости гидроэнергетики привел к энергетическому кризису. Например, нестабильность возобновляемых источников энергии и зависимость от погодных условий усугубилась усиливающейся волатильностью спроса, в том числе со стороны потребителей.

Стало понятно, что необходимы электростанции, работающие на ископаемом топливе, а также должны быть созданы системы накопления энергии, которые позволят обеспечить надежность энергоснабжения [1]. Кроме того, при «зеленом» переходе к ВИЭ следует учитывать зависимость эффективности ветряных и солнечных энергоустановок от непостоянства погодных условий и отсутствия надежных систем хранения электроэнергии, что, как показывает практика, приводит к невысокой эффективности ветроэлектростанций (ВЭС) и солнечных электростанций (СЭС) [2].

Рис. 1. Мировая доля АЭС по странам

В связи с этим в последнее время в странах Евросоюза стратегия перехода на «зеленую» энергетику была пересмотрена. Было разрешено также строительство новых АЭС вплоть до 2045 года, природный газ был переведен в разряд экологически безопасных источников энергии. При этом осуществляются и развиваются долгосрочные планы по строительству новых АЭС во многих странах мира, в том числе в Европе. В настоящее время строятся или планируются к строительству блоки АЭС в России, Венгрии, Великобритании, Турции, Чехии, Китае, Индии, Иране, Бангладеш и др. Активно идет развитие в том числе модульных реакторов малой мощности.

Некоторые страны (США, Франция, Россия) планируют продлить срок службы действующих энергоблоков АЭС до 60—80 лет, несмотря на первоначально назначенный ресурс энергоблоков. В этом случае становится важной задачей повышение технико-экономических показателей паротурбинных установок, существующих АЭС, спроектированных десятки лет назад.

Развитие ядерной энергетики является объективно наиболее приемлемым путем сокращения сжигания ископаемого топлива и перехода к «зеленой» энергетике, особенно в местах с ограниченными водными ресурсами. Сегодня в 30 странах мира эксплуатируется более 190 атомных электростанций с примерно 440 энергоблоками, более 60 энергоблоков находятся на стадии сооружения.

Список лидеров возглавляют США, последующие места занимают Франция и Япония. Сегодня в мире на атомных электростанциях производится суммарно 391 878 МВт. Доля стран по производимой энергии на АЭС представлена на рис. 1 [3].

Кроме того, в настоящее время на различных стадиях находится строительство новых энергоблоков, в том числе в Китае — 28 блоков, в России — 10, в Индии — 6, в США и Южной Корее — по 5 блоков; в Японии, ОАЭ, Пакистане, Словакии, Тайване — по 2 блока, а также в других странах. В целом, к 2030 году планируется ввести в эксплуатацию более 62 ГВт атомной энергии.

Рис. 2. Компании-лидеры (патентообладатели) и количество принадлежащих им патентов и заявок

Вместе с тем, традиционная угольная энергетика также находит области применения и развития. Согласно исследованию Международного энергетического агентства (МЭА), глобальные выбросы в результате сжигания угля для получения энергии увеличились с 2019 г. примерно на 850 млн т, при этом выбросы СО2 выросли на 900 млн т. На долю угля пришлось около 70% глобального увеличения выбросов в 2023 г. (рост на 270 млн т). По оценкам МЭА, в Китае и Индии наблюдался значительный рост выбросов при сжигании угля, который лишь частично компенсировался снижением выбросов в странах с развитой экономикой [4]. Поэтому также активно внедряются программы по уменьшению выбросов на угольных ТЭС, в том числе за счет строительства новых блоков, работающих при ССКП пара, мощностью 600…1000 МВт, прежде всего в Китае и Индии. Более того, в настоящее время за рубежом проектируются и строятся блоки на ССКП пара единичной мощностью около 1300 МВт. Разработка конструкций турбин ССКП предусматривает повышение перепада энтальпий в ЦВД при одновременном увеличении длины рабочих лопаток последних ступеней и пропускной способности ЦНД. Таким образом, КПД и массогабаритные характеристики турбин на ССКП пара непрерывно улучшаются.

Атомные паровые турбины имеют преимущество в том, что не выбрасывают парниковые газы, загрязняющие атмосферу. В то же время стоимость производства электроэнергии относительно невысока, поэтому все производители паровых турбин в мире разрабатывают атомные паровые турбины большой мощности.

Направления совершенствования паротурбинных установок (ПТУ) АЭС могут затрагивать мероприятия по оптимизации тепловой схемы, пароподводящих трактов, органов парораспределения, конденсационной установки. Важнейшим направлением модернизации ПТУ АЭС является совершенствование проточных частей цилиндров паровой турбины, в том числе применение нового профилирования лопаток, эффективных конструкций надбандажных, диафрагменных и концевых уплотнений, совершенствование паровпускных и паровыпускных патрубков, камер отбора пара, внедрение эффективных систем влагоудаления и противоэрозионной защиты конструкций турбины.

Рис. 3. Современный мировой уровень значений длины ЛПС

Что касается увеличения производимой мощности ПТУ, то здесь, в первую очередь, необходимо совершенствование ЦНД с оптимизацией подвода пара, а также с возможным увеличением площади выхлопа при использовании более длинных рабочих лопаток последних ступеней. Применение современных конструкций оборудования ПТУ, методов проектирования проточных частей, а также новых технологий изготовления дает основания ожидать прироста мощности в десятки мегаватт для крупных паровых турбин АЭС.

В частности, мощность, производимая рабочими лопатками последней ступени (ЛПС), составляет более 10% от всей машины, длина лопаток последней ступени имеет большое значение при разработке мощных паровых турбин и повышении экономичности агрегата.

В связи с этим вопросы традиционной энергетики, включающие в себя модернизацию и строительство новых ТЭС и АЭС, остаются актуальными во всем мире. В частности, все турбиностроительные фирмы ведут разработки, направленные на повышение эффективности и надежности рабочих лопаток, в том числе, на увеличение длины ЛПС. Одним из критериев уровня развития турбиностроительной школы является достигнутая длина рабочей лопатки последней ступени, которая во многом определяет уровень потерь с выходной скоростью.

Отечественный опыт разработки ЛПС

Как уже упоминалось, в мировом паротурбостроении, в том числе и в России, наращивание единичных мощностей паровых турбин ТЭС и АЭС неизменно сопровождается разработкой ЦНД повышенной пропускной способности и ЛПС предельной длины. В России в свое время были разработаны стальные рабочие лопатки длиной 960 мм, позволившие в 1960 г. создать ЦНД для крупной серии турбин сверхкритического давления мощностного ряда 300, 500, 800 МВт и других, за счет использования этих лопаток. Отработка проточной части отсека ЦНД с лопатками 960 мм подкреплялась комплексом испытаний на модельных стендах ЛМЗ, ЦКТИ, ЛПИ, а также на полноразмерном четырехступенчатом натурном стенде ЛМЗ.

Создание сверхкрупной турбины ТЭС мощностью 1200 МВт и быстроходной турбины АЭС на 1000 МВт потребовало увеличения пропускной способности ЦНД. Применение высокопрочных титановых сплавов для рабочих лопаток последних ступеней позволяет наращивать единичную мощность паровых турбин за счет увеличения длины пера рабочих лопаток и повышения пропускной способности ЦНД. Заблаговременно были развернуты работы по созданию рабочих лопаток из титанового сплава длиной 1200 мм, имеющих по ряду показателей преимущества перед лопатками из стали. Промышленные испытания титановых рабочих лопаток длиной 665…1200 мм проводились на турбинах ЛМЗ с 1958 г.

В то время как ведущие турбостроительные фирмы при создании паровых турбин АЭС для увеличения площади выхлопа ЦНД вынужденно переходили к половинной частоте вращения, на ЛМЗ был создал уникальный для своего времени ЦНД с титановой рабочей лопаткой последней ступени длиной 1200 мм.

Следует заметить, что создание титановых лопаток длиной 1200 мм для быстроходных ПТУ сопровождалось комплексом расчетно-конструкторских, экспериментальных, металловедческих и технологических работ. Отдельно, в том числе на переменных режимах на натурном стенде, в других экспериментах исследовались экономичность, газодинамические характеристики, системы влагоудаления и охлаждения, вибрационное состояние лопаток, эрозионная стойкость титановых лопаток. Прямая проверка эксплуатационной надежности рабочих лопаток из титана, в том числе и их эрозионной стойкости, проходила в действующих турбинах К-300-240 на Киришской ГРЭС и Каширской ГРЭС.

В одном из потоков ЦНД этих турбин вместо стальных лопаток длиной 960 мм были установлены титановые лопатки такой же длины с последующими периодическими обследованиями состояния лопаток. Первые испытания полноразмерного отсека ступеней ЦНД с титановыми лопатками 1200 мм при расчетном расходе пара через ЧНД были начаты на уникальном натурном стенде ЛМЗ в 1978 г. Через четыре года, в 1982 г., на Костромской ТЭС была введена в эксплуатацию крупнейшая в Европе паровая турбина мощностью 1200 МВт с титановыми лопатками последней ступени длиной 1200 мм. В дальнейшем, для условий ухудшенного вакуума (применительно к «несостоявшейся» Крымской АЭС) была разработана последняя ступень этого ЦНД со стальной рабочей лопаткой длиной 1000 мм. Четырехступенчатый отсек ЦНД с титановыми ЛПС 1200 мм и четырехступенчатый отсек со стальными лопатками 1000 мм были тщательно исследованы на натурном стенде в установке ЭТПН-2.

Глубокие проектно-конструкторские разработки, экспериментальные исследования, промышленные испытания послужили надежной основой для создания и ввода в эксплуатацию паровых турбин мощностью 1000…1200 МВт в быстроходном исполнении (3000 об/мин) для АЭС.

Современный уровень развития ЛПС на основе патентной информации

Для определения актуальных тенденций развития в области разработки и создания рабочих лопаток последних ступеней были проанализированы опубликованные патенты и заявки в мире за период 2019—2024 гг. Патентная информация является важным источником сведений о технических решениях, поскольку 70…80% информации, содержащейся в патентной документации, практически больше нигде не публикуется. Патентная документация имеет опережающий характер, который выражается в том, что информация о новых технических решениях становится доступной широкому кругу пользователей на несколько лет раньше (от 3 до 5 лет) до появления на рынке продукции с использованием этих технических решений. Это позволяет предвидеть ситуацию на рынке с некоторым опережением во времени, достаточным для выработки необходимых управленческих решений.

Также важным качеством патентной информации является ее ценность, высокие затраты на охрану изобретений (территории, тематики): чем больше ресурсов компания вкладывает в патентование технологии/продукта, тем более ценным для компании является изобретение. В совокупности с открытостью, структурированностью и универсальностью представления патентных документов патентная информация является наиболее важным и всеобъемлющим активом при анализе современных технологий.

Патентный поиск и статистический анализ патентной информации с целью выявления уровня техники и тенденций развития исследуемой области техники был проведен с использованием возможностей специализированной информационно-поисковой аналитической системы. В качестве единицы проведения анализа выбрано патентное семейство (patent family) — это все патентные публикации, относящиеся к одному изобретению. По итогам патентного поиска за период патентования 5 лет был отобран и проанализирован массив из 604 патентных документов, опубликованных мировыми патентными ведомствами, и выявлены компании-лидеры в исследуемой области техники, обладающие наибольшим числом заявок и выданных патентов.

На рис. 2 представлена диаграмма, характеризующая уровень изобретательской активности ключевых игроков на рынке (топ-30). Бесспорное лидерство принадлежит китайским компаниям — Harbine Turbine, TPRI (Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd), Dongfang Electric и др. Крупнейшие многопрофильные высокотехнологичные корпорации, такие как японские компании Mitsubishi Heavy Industries и Toshiba, уступили свои позиции в патентовании рабочих лопаток последних ступеней. Численное превосходство патентных документов Китая в значительной степени обусловлено общей политикой государства в сфере патентования. Руководство Китайской Народной Республики после вступления во Всемирную торговую организацию (ВТО) с начала 2000-х годов стало уделять особое внимание разработке стратегии государственного развития в сфере интеллектуальной собственности. Основные задачи при этом — занять лидирующие позиции в мире по числу ежегодных заявок на патенты на изобретения, а также увеличить количество заявок на патенты за рубежом.

Необходимо отметить, что такие признанные компании в области турбиностроения, как GE (Alstom), Siemens не вошли в данный список. И, видимо, в ближайшие несколько лет не стоит ожидать от этих компаний выхода на рынок с новыми разработками ЛПС турбин.

В топ-30 не вошли российские компании, тем не менее, следует отметить АО «Силовые машины», являющееся безусловным лидером по патентованию в данном направлении, а также НИУ «МЭИ», занимающим со значительным отрывом второе место в России.

За период 2023—2024 гг. АО «Силовые машины» оформило правовую охрану своих объектов интеллектуальной собственности и получило следующие Патенты РФ:

• №2790505 «Последняя ступень турбины» [5];
• № 2813717 «Рабочая лопатка высоконагруженной ступени паровой турбины» [6];
• № 2815341 «Рабочая лопатка паровой турбины» [7];
• № 2820539 «Устройство для сборки рабочих лопаток на диске ротора осевой турбомашины» [8];
• № 230929 «Бандажная полка рабочей лопатки паровой турбины» [9].

Вместе с тем, из открытых публикаций и патентов следует, что в настоящее время достигнута длина 1500 мм для ЛПС быстроходных турбин. Для тихоходных турбин испытана лопатка длиной 1880 мм и ведутся разработки лопаток длиной 2000 мм. Данные по компаниям-разработчикам и значениям длины лопаток показаны на рис. 3. Если десять лет назад лидерами были японские и европейские компании, то в настоящее время существующий уровень разработок ЛПС европейскими компаниями будет достигнут китайскими фирмами. Harbine Turbine и Dongfang Electric уже патентуют разработки ЛПС аналогичного уровня с ЛПС европейских компаний.

Несмотря на то что в настоящее время японские компании остаются лидерами в области разработки лопаток предельной длины, тенденция патентования может свидетельствовать о том, что в ближайшие годы китайские компании будут предлагать свои аналогичные разработки.

Заключение

Таким образом, можно полагать, что временный отказ от поэтапного развития традиционной энергетики, когда многие АЭС и ТЭС выводились из эксплуатации без всесторонней оценки экономических рисков и надежности работы энергосистем, дополнительно сказался на технологическом лидерстве ведущих традиционных европейских производителей турбин. Патентная аналитика показала, что за последние пять лет у европейских производителей турбин практически отсутствуют патенты и заявки по одному из ключевых направлений — рабочие лопатки ПТУ.

Вместе с тем, Китай, который никогда не отказывался от развития традиционной энергетики, является безусловным лидером в области изобретательской активности по данному направлению. Конечно, одновременно на количество выданных патентов оказывает влияние принятая в Китае политика в области патентования. Тем не менее, по уровню патентуемых технических решений китайские инженеры во многом приблизились к европейским разработкам. Текущая тенденция патентования позволяет ожидать в ближайшие годы захвата технологического лидерства китайскими компаниями. Данный фактор формирует определенные вызовы перед российской школой турбиностроения. АО «Силовые машины» постоянно ведет разработки, направленные на совершенствование проточных частей турбин, в том числе рабочих лопаток предельной длины, что подтверждается активным патентованием новых технических решений.

Основанием для подобных разработок является перспектива создания новых ПТУ с малым числом цилиндров, меньшей металлоемкостью и себестоимостью, приемлемой экономичностью при сокращении строительных и эксплуатационных затрат на АЭС и ТЭС.

Востребованность разработок новых конструкций ЦНД с рабочими лопатками большой длины обусловлена потребностями в конкурентоспособных паровых турбинах для ТЭС и АЭС в России, Индии, Иране, Бангладеш, Узбекистане, Венгрии и других странах.

Список использованных источников

1. Лазарев Г. Б. Основные тенденции развития в области smartgrid в 2023 г. / Г.Б. Лазарев, А. Н. Новаковский // Энергетика за рубежом. — 2024. — №4. — С. 2-16.

2. Жигуленко И. В. Энергетика индивидуального пользования: незанятая ниша / И. В. Жигуленко // Вести в электроэнергетике. — 2025. — №1. — С. 62-66.

3. Сколько атомных станций работает в мире и в России? [Электрон. ресурс] — URL: https://rosatommd.ru/mediacenter/informatoriy/ skolko-atomnyix-stanczij-rabotaet-v-mire-i-vrossii. html (дата обращения 16.06.2025).

4. Рябов Г. А. Новости мировой энергетики /Г. А. Рябов // Энергетика за рубежом. — 2024. — №4 — С. 36-43.

5. Патент №2790505 Российская Федерация, МПК F01D 25/32 (2006.01), F01D 9/04 (2006.01), F01D 5/14 (2006.01). Последняя ступень турбины: №2022115986: заявл. 10.06.2022: опубл. 10.06.2022 / Ивановский А. А., Долганов А. Г., Усачев К. М. [и др.]; заявитель: Акционерное общество «Силовые машины — ЗТЛ, ЛМЗ, Электросила, Энергомашэкспорт» (АО «Силовые машины»).

6. Патент №2813717 Российская Федерация, МПК F01D 5/14 (2006.01), F01D 5/16 (2006.01). Рабочая лопатка высоконагруженной ступени паровой турбины: №2023121865: заявл. 21.08.2023: опубл. 15.02.2024 / Ибраева А. С., Карпов А. Д., Тимофеев И. А. [и др.]; заявитель: Акционерное общество «Силовые машины — ЗТЛ, ЛМЗ, Электросила, Энергомашэкспорт» (АО «Силовые машины»).

7. Патент №2815341 Российская Федерация, МПК F01D 5/14 (2006.01), F01D 5/16 (2006.01). Рабочая лопатка паровой турбины: №2023114544: заявл. 31.05.2023: опубл. 13.03.2024 / Кругликова О. А., Долганов А. Г., Карпов А. Д. [и др.]; заявитель: Акционерное общество «Силовые машины — ЗТЛ, ЛМЗ, Электросила, Энергомашэкспорт» (АО «Силовые машины»).

8. Патент №2820539 Российская Федерация, МПК F01D 5/30 (2006.01), F01D 25/28 (2006.01). Устройство для сборки рабочих лопаток на диске ротора осевой турбомашины: №2023131698: заявл. 28.11.2023: опубл. 05.06.2024 / Ермакова О. В., Буторин А. А., Долганов А.Г. [и др.]; заявитель: Акционерное общество «Силовые машины — ЗТЛ, ЛМЗ, Электросила, Энергомашэкспорт» (АО «Силовые машины»).

9. Патент №230929 Российская Федерация, МПК F01D 5/22 (2006.01). Бандажная полка рабочей лопатки паровой турбины: №2024129259: заявл. 01.10.2024: опубл. 25.12.2024 / Махнов В. Ю., Ермакова О. В., Петрик Д. В. [и др.]; заявитель: Акционерное общество «Силовые машины — ЗТЛ, ЛМЗ, Электросила, Энергомашэкспорт» (АО «Силовые машины»).