Высоко технологичная ГТУ MS5002E номинальной        мощностью    32 МВт имеет высокий КПД 36%, улучшенные экологические показатели,    низкий уровень вредных выбросов (NOx ≤ 50 мг/м3), большой ресурс работы и высокий уровень   ремонтопригодности. Данная ГТУ может применяться в составе газоперекачивающих агрегатов на компрессорных станциях магистральных газопроводов, в составе парогазовых установок ТЭС и ТЭЦ и в судостроении (в качестве главной энергетической установки судов и кораблей). Однако наибольшее применение MS5002E нашла в составе газоперекачивающего агрегата ГПА-32 «Ладога» производства АО «РЭПХ».

На пути к импортонезависимости при производстве ГТУ, начиная с 2010 года, удалось достигнуть серьёзных результатов, в том числе освоить производство наиболее технологичных и наукоёмких узлов и деталей:

• Ротора газогенератора (включая лопатки компрессора и турбины);
• Элементов камеры сгорания (включая торцевую крышку с топливными форсунками);
• Подшипников (с применением российских марок материалов);
• Системы автоматического управления.

Таких результатов удалось достигнуть благодаря слаженной работе специалистов АО «РЭП Холдинг» в тесной кооперации с более чем 20-ю отечественными промышленными предприятиями (среди них ООО «Пумори-Энергия», АО «РОТЕК», ОАО «Уралтурбо», ООО «ПТК Электросталь», АО «КМПО», ООО «ОМЗ–Спецсталь», ОАО «НПО ЦКТИ» и др.).

Более глубокая локализация производства стала возможной благодаря достигнутым договоренностям с компанией GE о передаче полного комплекта документации, включая горячую часть турбины. Соответствующее соглашение с GE Oil & Gas было подписано в конце 2014 года. Получение полного комплекта технической документации дало возможность предложить рынку конкурентоспособный и полностью локализованный продукт без иностранного участия.

Значительный объем работы, связанный с локализацией ГТУ, был выполнен по ротору осевого компрессора. Осевой компрессор ГТД состоит из 11 ступеней, имеет поворотный входной направляющий аппарат и поворотные направляющие аппараты 1 и 2 ступеней. Основные детали ротора (входная часть вала, 6 дисков, 5 промежуточных дисков и выходная часть вала) соединяются при помощи стяжных шпилек в периферийной части.

Параметры компрессора на номинальном режиме работы:

• Частота вращения n = 7455 об/мин;
• Степень повышения давления πк =17;
• Расход воздуха на входе G ≈ 100 кг/сек.

Эскиз ротора показан на Рисунке 2.

На данный момент ротор осевого компрессора изготовлен с наибольшей степенью локализации. Предприятие «ОМЗ–Спецсталь» в кратчайшие сроки освоило плавку и ковку заготовок дисков ротора из иностранного материала, а механическая обработка бóльшей части рабочих лопаток и дисков,       а также финишная сборка и балансировка ротора была выполнена на «Невском заводе» (производственной площадке АО «РЭПХ»). C целью снижения стоимости изделия и максимального использования в ГТУ российских марок материалов вместо оригинального материала X22CrMoV12.1 рабочих лопаток 6, 8, 9, 10, 11 ступеней была предложена отечественная сталь 13Х11Н2В2МФ-Ш (ЭИ-961Ш). Принятию данного ответственного решения предшествовала обширная исследовательская работа по изучению и сравнению усталостных свойств материалов.

На первом этапе, на собственном стенде АО «РЭПХ», исследовалось сопротивление многоцикловой усталости на стандартных образцах из обоих материалов. Стенд для усталостных испытаний и образец материала показаны на Рисунке 3.

Проведённые усталостные испытания показали, что предел выносливости образцов из российского материала на 11% выше, чем у образцов из импортного материала.

Это заключение позволило с большей уверенностью перейти ко второму этапу испытаний в сотрудничестве с ОАО «НПО ЦКТИ». На данном этапе сравнивались усталостные свойства изготовленных на «Невском заводе» лопаток 6, 8 и 11 ступеней, как из оригинального материала, так и из российского аналога. Испытания лопаток проводились на первой изгибной форме колебаний на базе 2·10⁷ циклов.

При выборе областей на пере лопатки для размещения тензодатчиков использовалось расчётное распределение относительных динамических напряжений, полученное в пакете конечно-элементных программ ANSYS (Рисунок 4).

Следует отметить, что анализ собственных частот МКЭ можно проводить с высокой точностью на моделях с низкой степенью дискретизации, однако для определения относительных вибронапряжений рекомендуется повысить дискретизацию модели, особенно в области галтелей.

Фотографии лопатки, оснащённой тензодатчиками, показаны на Рисунке 5.

Ниже на Рисунке 6 приведен пример тарировочных кривых для лопатки 6-й ступени, показывающих зависимость значений электрических напряжений, получаемых на выходе из тензоусилителей от размаха колебаний периферийного сечения лопатки.

Для пересчёта измеренных значений электрических напряжений в механические, возникающие на поверхности лопатки, использовалась тарировочная балка с наклеенными тензодатчиками, аналогичными тем, что были установлены впоследствии на лопатках. Балка имеет тарированные значения напряжений в месте наклейки тензодатчиков в зависимости от амплитуды колебаний. Таким образом, возбуждая в балке колебания с различными амплитудами, снимался выходной сигнал с тензодатчиков. По результатам тарировки строилась зависимость величины сигнала снимаемого с усилителей тензодатчиков (мВ) от напряжений в балке (кГ/мм2), по которой определялся коэффициент пересчёта электрических напряжений в механические.

Усталостные испытания останавливались при снижении резонансной частоты на 1% от начального значения частоты колебаний по первой изгибной форме. Трещины в лопатках выявлялись с помощью метода цветной дефектоскопии. Количество лопаток в каждом испытываемом комплекте составляло 15 штук.

Дополнительно была проведена работа по верификации расчётного распределения динамических напряжений с экспериментальным. По результатам анализа можно сказать, что зона зарождения и развития усталостных трещин хорошо коррелируется с зоной максимальных вибронапряжений, полученных расчётным методом.

Из результатов испытаний лопаток видно, что лопатки из отечественного материала ЭИ-961Ш имеют пределы выносливости выше, чем при использовании оригинального материала, на величину от 14 до 33%.

В ближайшее время запланировано начало проведения длинноцикловых натурных испытаний локализованного ротора газогенератора в составе ГПА-32 «Ладога» на одной из действующих станций магистрального газопровода «Ямбург-Тула 1» – КС «Вавожская». Монтаж локализованных узлов и деталей синхронизирован с программой технического обслуживания и ремонта ПАО «Газпром» — текущая наработка ГТУ составляет 24 000 часов.

В результате выполнения большого комплекса расчётных, экспериментальных и технологических работ, выполненных АО «РЭП Холдинг» в тесной кооперации со специалистами ОАО «НПО ЦКТИ», решена важная научно-техническая и экономическая задача по локализации изготовления в РФ ротора компрессора газогенератора ГТУ MS5002E для ГПА-32 «Ладога».