Локализация лопатки SGT-800

Для крупных энергогенерирующих компаний и предприятий нефтегазового сектора вопрос поддержания и обеспечения жизненного цикла импортного газотурбинного оборудования, включая такие высокотехнологичные детали как рабочие лопатки турбин, по-прежнему не теряет свою актуальность и остается стратегически важным. Долгое время капитальные части горячего тракта газовых турбин зарубежного производства практически полностью выпускались за границей. Полноценные технологии их производства передавались в Россию лишь в исключительных случаях, что усложняло эксплуатацию и обслуживание такого оборудования.

Сегодня отсутствие отечественного производства критически важных компонентов горячего тракта турбин является одной из главных проблем сервисного обслуживания ГТУ. Решение этой задачи позволяет значительно повысить технологическую независимость страны.

Однако, спустя три года после ухода западных компаний с рынка российские предприятия получили первые результаты кропотливой работы по разработке и локализации технологий производства наиболее востребованных компонентов турбин. Так, одним из ярких и прорывных примеров импортозамещения в энергетике стал проект по локализации одних из ключевых компонентов горячего тракта турбины Siemens SGT-800, реализуемый ООО «Московская Энергетическая Компания», в качестве разработчика и агрегатора технологии, при поддержке Минпромторга России и с участием компаний «Сингула групп», «Турбосервис» и «РОТЕК Компоненты и материалы». В рамках реализации проекта разработана технология полного цикла изготовления рабочих и сопловых лопаток, топливных форсунок, надроторных вставок и ряда расходных материалов, необходимых для проведения сервисных работ.

В конце 2024 года были успешно завершены испытания пилотного образца рабочей лопатки первой ступени турбины SGT-800 с заготовкой монокристаллической структуры. За счет особенностей лигатуры сплава и однородности структуры лопатки отличаются повышенными характеристиками жаропрочности и, как результат, увеличенным эксплуатационным ресурсом. К апрелю 2025 года налажен серийный выпуск комплектов, включающий расширенный контроль качества и комплексные испытания, в том числе в составе работающих энергетических установок.

Этапы локализации

При создании технологии локализации «монокристалла» использовались международные методологии PDP и PPQ, применяемые в турбиностроении. На сегодняшний день можно отметить следующие ключевые достижения проекта:

• Проведены комплексные испытания с последующей верификацией характеристик разрабатываемого изделия, что позволило разработать полный комплект технической документации.
• Освоены технологии литья крупногабаритных заготовок лопаток методом высокоскоростной направленной кристаллизации до получения годной монокристаллической структуры, ранее не использовавшиеся в РФ.
• Разработан и сертифицирован отечественный аналог жаропрочного никелевого сплава CMSX-4 совместно с ведущими российскими научными институтами.
• Оптимизированы режимы горячего изостатического прессования (ГИП) и вакуумной термической обработки, обеспечивающие микроструктурную однородность и долговечность деталей.
• Аттестованы технологии прецизионной механической обработки, высокоскоростного эрозионного сверления охлаждающих отверстий и нанесения комплекса защитных покрытий.

На заключительных этапах проекта компания «Турбосервис», являющаяся лидером в сфере обслуживания газовых турбин в России, выполнила перфорацию охлаждающих отверстий и нанесение жаростойкого и теплозащитного покрытий по собственной сертифицированной технологии. Также были проведены контрольные испытания пропускной способности системы охлаждения лопаток, металлографические исследования, адгезионные испытания покрытий, результаты которых продемонстрировали полное соответствие техническим характеристикам оригинального образца производства компании Siemens.

Особенности монокристаллической структуры

Одной из трудоемких задач реализации проекта стала оригинальность структуры сплава – рабочие лопатки турбины монокристальной структуры на сегодняшний день являются наиболее технологически емкими в производстве.

Создание технологии производства монокристальных лопаток позволило совершенствовать композиции жаропрочных никелевых сплавов (ЖНС), в частности создать класс сплавов, не содержащих в своем составе элементов упрочнителей границ зерен (так называемые безуглеродистые ЖНС). Это в свою очередь позволило реализовать системы легирования и режимы вакуумной термической обработки. Следует отметить, что монокристаллические лопатки турбины являются примером практически единственного применения монокристаллов в качестве конструкционного материала.

Важнейшим направлением развития монокристаллических сплавов на никелевой основе является повышение жаропрочности - способность конструкционных материалов работать под напряжением в условиях повышенных температур без заметной остаточной деформации и разрушения. Достигнутые улучшения жаропрочных свойств обеспечиваются в первую очередь на основе совершенствования комплекса легирующих элементов, введением в сплавы таких тугоплавких элементов, как Та, Re и Ru, которые обеспечивают заметное увеличение прочности межатомных связей, существенно повышают сопротивление ползучести и возникновению усталостных трещин, а также значительное улучшение структурной стабильности.

Защита от перегрева

Наиболее эффективным средством защиты рабочих поверхностей лопаток, подверженных воздействию высокотемпературных топливо-воздушных смесей, стало использование жаростойкого и теплозащитного покрытий, что позволяет значительно (более чем на 50°С) снизить рабочую температуру стенок пера лопатки, и снизить воздействие высокотемпературной газовой коррозии, и, следовательно, повысить ресурс изделия. Для формирования слоя жаростойкого покрытия, применялись порошки MCrAlY. Помимо этого, компания «Турбосервис» выполнила нанесение покрытия методами высокоскоростного газопламенного напыления (HVOF) и плазменного напыления в среде с низким давлением LPPS (VPS).

Используемые компанией теплозащитные покрытия представляют собой комбинацию из внешнего керамического и внутреннего-промежуточного жаростойкого слоев. В качестве материала керамического слоя применялся диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия (системы ZrO2+YSZ). Жаростойкий внутренний слой обеспечил когезию жаростойкого подслоя с керамикой, и как следствие длительное препятствие сколам керамического слоя. Используемый способ нанесения – атмосферное плазменное напыление (APS).

Таким образом, в рамках локализации производства лопатки SGT-800 были разработаны технологии точного литья заготовок с монокристаллической структурой, проведены механическая обработка базовых и установочных поверхностей с высокой точностью, высокоскоростное сверление отверстий пленочного охлаждения, сборка деталей с использованием вакуумной пайки, нанесение жаростойких и теплозащитных покрытий, контроль качества.

Монокристаллическая рабочая лопатка SGT-800, полностью произведенная в России, успешно прошла все стадии изготовления и финальной обработки. Запуск серийного производства позволит российскому рынку сервисного обслуживания газотурбинных установок снизить зависимость от зарубежных поставщиков.

Проект, реализованный при поддержке Минпромторга России, демонстрирует потенциал отечественных предприятий и научных организаций создавать высокотехнологичные решения для промышленности, обеспечивающие повышение энергетической безопасности страны.

Генеральный директор ООО «Московская Энергетическая компания» Дмитрий Янченко:

«Была проделана колоссальная работа по локализации важнейших компонентов горячего тракта турбины SGT-800. Я считаю, что это не просто техническое достижение, а стратегическая необходимость нашей страны для обеспечения надежности энергетики и нивелирования зависимости от иностранных производителей. Наша компания выступила интегратором технологии, объединив компетенции ведущих российских предприятий и научных организаций. В процессе разработки технологии мы внедрили современные методы проектирования, производства и контроля качества, что позволило создать конкурентоспособный продукт, соответствующий международному уровню. Благодарен руководителям Министерства промышленности и торговли РФ за оказанную поддержку, а также наших технологических партнеров. Успешное завершение первого этапа проекта и подготовка к запуску серийного производства подтверждают, что российская промышленность не только развивается в условиях санкционных ограничений и барьеров для трансфера передовых технологий, но и сама способна создавать такие решения и преодолевать сложнейшие технологические вызовы».

Генеральный директор ООО «Сингула Групп» Евгений Русецкий:

«Разработка конструкторской, технической и технологической документации, экспериментальная работа с безуглеродистыми жаропрочными никелевыми сплавами, сотни этапов испытаний и исследований увенчались успехом и должны привести к выпуску полноценного серийного образца. Проект локализации производства компонентов горячего тракта для турбин SGT-800 — это не просто технологический прорыв, а наглядный пример того, как российские предприятия могут успешно решать сложнейшие инженерно-конструкторские задачи. Он показывает, что при взаимодействии промышленности, науки и государства мы можем создавать высокотехнологичные решения, полностью соответствующие мировым стандартам. Это важный шаг на пути к достижению технологического суверенитета России. Считаю, что после выпуска данной лопатки на рынок и удовлетворении спроса на популярные компоненты SGT-800, настанет черед освоения локального выпуска деталей и для других типов импортных газовых турбин, что существенно снизит зависимость рынка обслуживания ГТУ от западных производителей».

Генеральный директор ООО «ТурбоCервис Рус» Олег Шевченко:

«Лопатка турбины SGT-800 – одна из «первых ласточек» в направлении локализации производства деталей современных газовых турбин зарубежного производства. Наши специалисты провели полный цикл работ по финальной обработке пилотных лопаток, благодаря чему удалось достичь высокой точности геометрии и надежности покрытия, что крайне важно для надежной эксплуатации газотурбинных установок. Реализованный проект позволяет не только продолжить процесс замены импортных комплектующих, но и выстроить эффективную и независимую от западных производителей систему сервисного обслуживания газовых турбин, обеспечивая их бесперебойную эксплуатацию на долгие годы».

Генеральный директор ООО «РОТЕК Компоненты и материалы» Александр Иващенко:

«Реалии сегодняшнего рынка турбиностроения, также как и авиационной отрасли, создают оптимальные условия для перехода генерирующих компаний на локальные компоненты газовых турбин, которые, как показывает, практика, ни в чем не уступают по качеству изделиям оригинальных производителей, а в ряде случаев даже превосходят их по показателям надежности и долговечности. Сегодня российские компании располагают мощной производственной базой и современным оборудованием. Это позволяет нам изготавливать сложные детали, которые ранее приходилось импортировать. Причем результаты научно-инженерной деятельности и наличие оригинальных идей являются стимулом для новых амбициозных задач по локализации компонентов, что еще больше приближает нас к будущему технологическому суверенитету страны».