Турбінобудування

  1. Рік заснування, історія створення.

Кафедра турбінобудування (ТБ) була створена в 1930 році у складі Харківського механіко-машинобудівного інституту (ХММІ) за ініціативи видатного вченого Володимира Матвійовича Маковського (1870-1941). Він став не лише її першим завідувачем, а й засновником вітчизняної школи газотурбінобудування. Кафедрою турбінобудування було налагоджено творчу співпрацю з найбільшим Європі Харківським турбіногенераторним заводом (ХТГЗ).

Маковський В. М. був випускником Харківського технологічного інституту (1894) і одним із перших у світі, хто захистив дисертацію на тему турбін внутрішнього згоряння. Його роботи в галузі термодинаміки, парових і газових турбін отримали міжнародне визнання.

  1. Всі завідувачі кафедри

Володимир Матвійович Маковський (1930-1941). Працював професором теплової механіки та ректором Гірського інституту (Дніпропетровськ, 1926-1928 рр.). Організатор одного з перших в Україні робітфаків (1921 р.). Заслужений професор (1924), д-р техн. наук із сукупності виконаних та опублікованих праць (1935).

Володимир Матвійович Маковський

В. М. Маковський засновник у ХММІ вітчизняної школи газотурбінобудування та кафедри турбінобудування (1930 р.), яку він очолював до 1941 р.

Автор 5 монографій, 2 підручників з повітродувних машин, термодинаміки, парових та газових турбін. Підготував понад 15 кандидатів технічних наук. У монографії «Досвід дослідження турбін внутрішнього згоряння» (1920 р.) всупереч поширеним на той час уявленням обґрунтував перспективність циклу газових турбін із постійним тиском згоряння. Завоював широке визнання своїми новаторськими роботами в галузі нафтової, металургійної та гірничодобувної промисловості. Під його керівництвом:

  • розробка ентропійної діаграми для водяної пари (необхідної для теплових розрахунків турбін);
  • створення першої в СРСР газової турбіни для роботи на газі підземної газифікації вугілля, в якій вперше реалізовано водну систему охолодження ротора та проточної частини. Ця турбіна отримала назву «Газова турбіна Маковського» і стала прототипом для подальших розробок у галузі високотемпературних турбін;
  • теоретичне обґрунтування циклу газових турбін із постійним тиском згоряння, що суперечило поширеним на той час уявленням.

Газова турбіна Маковського перед відправкою до Горлівки 1940 р

Яків Ісидорович Шнеє (1941–1976). Очолив кафедру під час війни (Красноуфимськ), де розробляли турбіни для флоту. Брав участь у створенні «Газової турбіни Маковського». Ініціював створення у ХПІ перших в Україні галузевої та проблемної науково-дослідних лабораторій турбінобудування. Під його керівництвом створювалось:

  • перша в СРСР парової турбіни потужністю 50 тис. кВт (1935 р.);
  • проекти унікальних агрегатів, зокрема парової турбіни потужністю 100тис. кВт, першої передвключеної парової турбіни на підвищені початкові параметри пари потужністю 25 тис. кВт.

Автор понад 100 наукових статей та 7 монографій, зокрема двотомника «Газові турбіни». Широке визнання отримали його роботи в галузі проектування останніх ступенів парових турбін великої одиничної потужності.

Започаткував проблемну лабораторію турбінобудування (1976 р.). Підготував 35 кандидатів наук, з яких 7 стали докторами.

Яків Ісидорович Шнеє

Василь Максимович Капінос (1976-1989). Д.т.н., декан енергомашинобудівного факультету (1969-1972), проректор ХПІ з навчально-методичної роботи (1972-1977), завідувач кафедри турбінобудування (1976-1989). Створив методи електротеплової аналогії для розрахунку температурних полів. Його докторська дисертація на тему «Дослідження процесів теплообміну у парових та газових турбінах» була першою у вітчизняній теплофізиці фундаментальним комплексним дослідженням проблем теплообміну в парових та газових турбінах на основі як теоретичних, що є розвитком теорії теплового та гідродинамічного прикордонного шару, так і експериментальних підходів, що спираються на фізичне та електротеплове моделювання.

Автор 256 наукових статей, двох монографій, 16 авторських свідоцтв на винаходи. Підготував 6 докторів та 27 кандидатів наук.

Василь Максимович Капінос

Аркадій Федорович Слітенко (1989-2003). випускник кафедри турбінобудування 1960 р., кандидат технічних наук (1969), доктор технічних наук (1987), професор (1989). Докторська дисертація «Аналіз процесів теплообміну та розробка методів удосконалення систем охолодження в газотурбінних установках» присвячена розробці розрахункових методів визначення граничних умов теплообміну в проточній частині газових турбін. Завідував кафедрою турбінобудування з 1989 по 2003 роки.

Під його керівництвом створена унікальна програма розрахунку систем охолодження газових турбін Coolsys, яка дозволяє розрахувати всі гідравлічні характеристики складних систем охолодження газових турбін, коефіцієнти тепловіддачі та підігрів повітря в охолоджувальних каналах. На її основі розроблено метод та комп’ютерну програму оптимізації систем охолодження газових турбін.

Академік Академії наук вищої школи та Інженерної академії України. Нагороджений орденом Ярослава Мудрого в галузі науки та техніки від Президії Академії наук вищої школи України (1997). З 1990 р. – член Ради НАНУ «Наукові основи теплових машин», з 1994 р. – голова наукового відділення АН вищої школи України «Енергетика та енергозбереження».

Автор понад 180 наукових статей, 3 монографії, 10 авторських свідоцтв. Підготував 3 кандидати технічних наук.

Аркадій Федорович Слітенко

Анатолій Володимирович Бойко (2004-2019). Д-р техн. наук, професор. Лауреат Державної премії України (1992) за розробку турбін потужністю 200-1000 МВт. Докторська дисертація на тему «Оптимальне проектування, розробка та дослідження проточної частини осьових турбін» присвячена розробці теорії оптимального проектування, створенню методів та алгоритмів оптимізації турбомашин. За його керівництвом створено новий науковий напрямок у галузі будівництва турбін – оптимальне проектування проточної частини осьових турбін, яке отримало свій розвиток на кафедрі турбінобудування.

З 1972 по 1985 р. працював проректором ХПІ, а з 1985 по 1999 роки. ‑ в Організації Об’єднаних Націй на посаді директора відділу промисловості та технологій Європейської Економічної Комісії ООН, з вересня 2004 р. ‑ завідувач кафедри ТБ НТУ «ХПІ». Неодноразово на міжнародних конференціях на запрошення наукових установ та університетів зарубіжних країн робив доповіді, у тому числі і в Кембриджі.

З 1992 року кафедра ТБ НТУ «ХПІ» значно розширила географію наукового співробітництва та виконує низку наукових розробок для теплоелектростанцій України. Було налагоджено госпдоговірні наукові зв’язки з країнами Далекого зарубіжжя: Республіка Корея (компанія «Samsung Aerospase» Корейський інститут машинобудування та Матеріалів); Італією (фірма “Nuovo Pignone”); Польщею (Варшавський технічний університет). Фірмою «Enothera Limeted» (Великобританія) при кафедрі створено Науково-Технічний Центр «Турбо-Оптимум», метою якого є розробка сучасних методів розрахунку, оптимізації та проектування турбомашин широкого спектру використання.

Автор 7 монографій, 130 наукових праць. Підготував 10 кандидатів наук.

Анатолій Володимирович Бойко

Олександр Павлович Усатий (з 2019 р.). Лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки за розробку турбін нової генерації (2019). Ця робота проводилася у співпраці з ВАТ «Турбоатом» та передбачала створення високоефективних парових турбін потужністю понад 300 МВт, які відповідають сучасним вимогам енергоефективності та екологічності.

Під його керівництвом кафедра активно інтегрує сучасні цифрові технології в освітній процес і наукові дослідження, зберігаючи при цьому зв’язок з промисловістю. Одним із ключових напрямків його діяльності є розвиток цифрових методів оптимізації турбін. Він розробив унікальний програмний комплекс TOP (TurboOptProject), який дозволяє розв’язувати багатопараметричні та багатокритерійні задачі оптимального проєктування проточної частини турбомашин з урахуванням різних режимів експлуатації. Цей інструмент використовується не лише в Україні, а й у міжнародних проектах. Автор більше 100 наукових праць, 3 монографій з питань оптимізації турбін, теплових розрахунків та цифрового моделювання.

 3. Наукові школи

Школа газотурбінобудування (засновник ‑ В. М. Маковський). Ця школа бере початок з 1930-х років, коли Маковський В. М. вперше в СРСР обґрунтував теоретичні основи роботи газових турбін. Основні напрямки досліджень:

  • теорія циклів газових турбін із постійним тиском згоряння;
  • розробка систем охолодження проточних частин;
  • експериментальні дослідження високотемпературних турбін.

Найважливішим досягненням стало створення в 1940 році першої в світі промислової газової турбіни потужністю 1000 тис. кВт з водяним охолодженням, яка працювала при температурі 800°C. Ця розробка на десятиліття випередила світові аналоги.

Школа теплофізики турбін (розвинута В. М. Капіносом). Василь Максимович Капінос у 1950-1970-х роках заклав основи нового наукового напряму:

  • теорія теплообміну в парових і газових турбінах;
  • методи електротеплової аналогії для визначення температурних полів;
  • дослідження прикордонного шару в турбомашинах.

Його роботи стали основою для створення систем охолодження сучасних потужних турбін. Розроблений ним метод моделювання на електролітичних ваннах дозволив значно підвищити точність теплових розрахунків.

Школа аеродинаміки турбомашин (Г. А. Соколовський, А. В. Гаркуша). Цей напрямок сформувався в 1960-1980-х роках і охоплює:

  • теорію тривимірних течій у проточних частинах;
  • розробку нових профілів лопаток. Створення лопаток довжиною 1030 мм для швидкохідних турбін (3000 об/хв.) і 1450 мм для тихохідних (1500 об/хв.) спільно з рекомендаціями щодо оптимізації обводів проточної частини ЦНД стало важливим етапом у розвитку вітчизняного турбінобудування;
  • оптимізацію меридіональних обводів циліндрів низького тиску.

Особливу увагу приділялось дослідженням трансзвукових течій і створенню широкорежимних ступенів для турбін великої потужності. Саме тут були розроблені знамениті лопатки довжиною 1030 мм і 1450 мм, які використовуються в турбінах потужністю до 1000 МВт.

Школа оптимального проектування (А. В. Бойко). Анатолій Володимирович Бойко у 1970-х роках започаткував абсолютно новий науковий напрям. Наукові роботи включають теоретичні, розрахункові та експериментальні дослідження профілів, ступенів та відсіків ступенів для циліндрів високого, середнього та низького тиску, які покривають майже весь спектр ступенів сучасних потужних турбін:

  • теорія багатокритеріальної оптимізації турбомашин;
  • методика вибору оптимальної кількості ступенів;
  • алгоритми розподілу параметрів у проточній частині.

Його підхід дозволив створювати турбіни з принципово новими характеристиками економічності та надійності. Розроблена ним система автоматизованого проектування «САПР ПТУ» донині використовується на виробництвах.

Сучасні цифрові технології (О. П. Усатий). У XXI столітті кафедра турбінобудування розвиває новітні напрямки:

  • цифрові двійники турбін;
  • інтелектуальні системи моніторингу стану обладнання;
  • оптимізація роботи турбін з використанням штучного інтелекту;
  • розробка і використання програмного комплексу TOP.

 4. Видатні випускники.

Кафедра турбінобудування виховала цілу плеяду талановитих інженерів, науковців та керівників, які зробили значний внесок у розвиток енергетики та машинобудування. Багато з них стали академіками, лауреатами державних премій, головними конструкторами великих турбінних заводів.

Юрій Федорович Косяк ‑ доктор технічних наук, професор, який багато років обіймав посаду головного конструктора ВАТ «Турбоатом». Він очолював розробку потужних парових турбін для енергоблоків атомних електростанцій, зробивши значний внесок у розвиток вітчизняної енергетики.

Віктор Васильович Кутніков працював головним інженером ВАТ «Турбоатом» і керував серійним виробництвом турбін потужністю від 200 до 1000 МВт, забезпечуючи стабільне постачання високотехнологічного обладнання для енергетичної галузі.

Микола Олександрович Вірченко, головний інженер «Турбоатому», брав активну участь у створенні турбін для атомних електростанцій, сприяючи впровадженню новітніх технологій у виробництво.

Віктор Іванович Аксьонов обіймав посаду технічного директора «Турбоатому» та спеціалізувався на експлуатації й модернізації турбоустановок, забезпечуючи їхню ефективну та безпечну роботу.

Микола Опанасович Бабаджанян був заступником головного конструктора СКБ «Турбоатом» і займався розробкою останніх ступенів парових турбін, що є критично важливими для підвищення їхньої ефективності.

Леонід Андрійович Зарубін, заступник головного конструктора «Турбоатому», був провідним фахівцем з газодинаміки проточних частин, що дозволило вдосконалити аеродинамічні характеристики турбін.

Сергій Федорович Часник обіймав посаду заступника міністра Мінважмашу СРСР і керував галузевими програмами з турбінобудування, координуючи розвиток цієї стратегічної галузі на державному рівні.

Віктор Васильович Обревко, голова Харківської міської ради у 1990-1994 роках, був ініціатором розвитку промислової інфраструктури Харкова, що сприяло зміцненню позицій міста як індустріального центру.

Анатолій Леонідович Шубенко ‑ член-кореспондент НАН України, завідувач відділу оптимізації турбомашин Інституту проблем машинобудування ім. Підгірного, який зробив вагомий внесок у підвищення ефективності турбомашин.

Анатолій Андрійович Тарелін, член-кореспондент НАН України, є визнаним фахівцем з гідродинаміки та теплообміну в турбінах, що дозволило значно покращити їхню теплотехнічну ефективність.

Віктор Іванович Гнєсін очолював відділ аерогідромеханіки ІПМаш НАН України та є автором теорії нестаціонарних течій у турбомашинах, що стало основою для нових підходів у їхньому проектуванні.

Віктор Андрійович Маляренко ‑ академік Інженерної академії України та науковий керівник Центру енергозберігаючих технологій ХНАМГ, який активно впроваджував інновації у сфері енергозбереження.

Борис Самуїлович Ревзін працював заступником головного конструктора Київського турбомоторного заводу та був провідним спеціалістом з авіаційних і промислових газових турбін, що забезпечило розвиток цих напрямів у машинобудуванні.

Віктор Петрович Суботович ‑ лауреат Державної премії України 2009 року, який розробив турбіни нової генерації потужністю 325 МВт, що стали важливим кроком у модернізації енергетичного обладнання.

Олександр Павлович Усатий ‑ нинішній завідувач кафедри турбінобудування, Лауреат Державної премії України 2019 року, який впровадив цифрові методи проектування турбін, значно підвищивши точність і ефективність інженерних рішень.

 5. Найбільш здобутки за 140 років.

Наукові досягнення. Створення першої вітчизняної газової турбіни (1930-ті рр.) під керівництвом проф. В.М. Маковського та розробка теорії термодинамічних циклів ГТУ, що стала основою докторської дисертації Я.І. Шнеє.

  • Вперше у світі реалізовано водне охолодження ротора газової турбіни.
  • Розробка нових профілів лопаток, включаючи надзвукові та дозвукові.
  • Оптимальне проектування проточної частини осьових турбін (А.В. Бойко).
  • Створення системи автоматизованого проектування САПР ПТУ.
  • Розробка унікального програмного комплексу TOP (TurboOptProject) для розв’язувати багатопараметричних та багатокритерійних задач оптимального проєктування проточної частини багатоступеневих турбомашин з урахуванням різних режимів експлуатації.
  • Розробка унікальної програми Coolsys для розрахунку систем охолодження ГТУ (А.Ф. Слитенко).

Інженерні та виробничі здобутки.

Одним із найвизначніших досягнень стало проєктування та запуск у 1941 році першої вітчизняної газової турбіни потужністю 1000 кінських сил, яка працювала на шахті «Підземгаз» у Горлівці. Цей прорив став можливим завдяки тісній співпраці кафедри з Харківським турбогенераторним заводом та новаторським підходам до охолодження ротора, що дозволило досягти температури газу до показника 800 °С, який на той час не мав аналогів у світовій практиці.

У 1960 році кафедра долучилася до створення першої високотемпературної газової турбіни ГТУ-50-800 потужністю 50 тисяч кВт, що стало важливою віхою не лише для вітчизняної, а й світової енергетики. Цей проєкт об’єднав зусилля провідних науковців кафедри, які розробили теоретичні основи термодинамічних циклів та провели комплексні дослідження камер згоряння.

Основні розробки кафедри ТБ:

  • розробка останніх ступенів турбін із робочими лопатками довжиною 1030 мм для швидкохідних машин і 1450 мм та 1750 мм для тихохідних. Ці інженерні рішення забезпечили підвищену надійність, маневреність та економічність турбін потужністю від 220 до 1250 МВт, що використовуються як в Україні, так і за її межами;
  • вдосконалення підшипникових вузлів. У співпраці з ВАТ «Турбоатом» було створено нові конструкції опорних і завзятих підшипників ковзання, які відзначаються високими експлуатаційними характеристиками. Ці розробки стали результатом глибоких експериментальних досліджень і знайшли широке застосування у турбінах великої одиничної потужності.

Освітня та кадрова підготовка

Випускники кафедри 15 лауреатів Державної премії України, 3 академіки, члени-кореспонденти НАН України. Підготовлено понад 3500 інженерів, 30 докторів та 110 кандидатів технічних наук.

Створено 32 монографії, підручники, навчальні посібники, нові лекційні курси.

Міжнародна співпраця. Спільні проєкти з компаніями та університетами з Кореї, Італії, Польщі, Великобританії. Створення фірмою «Enothera Limeted» (Великобританія) при кафедрі Науково-Технічний Центр «Турбо-Оптимум», метою якого є розробка сучасних методів розрахунку, оптимізації та проектування турбомашин широкого спектру використання. Постановою Кабінету Міністрів України від 27 грудня 2006 року № 665-р науково-дослідний комплекс експериментальних установок з вивчення газодинамічних ТУ «ХПІ» МОН України внесено до Державного реєстру наукових об’єктів, які репрезентують Національне Надбання.

Свідоцтво про Державну реєстрацію

 Лабораторна та експериментальна база. Внесення науково-дослідного комплексу кафедри до Державного реєстру наукових об’єктів, що становлять національне надбання України.

Об’єкт включає унікальне експериментальне обладнання:

  • компресорне господарство, яке складається з трьох відцентрових нагнітачів (споживча потужність 3500, 800 і 700 кВт), п’яти повітродувок, трьох поршневих компресорів, електроенергетичного силового обладнання, систем масло- та водопостачання, повітрозбірників, холодильників, вологовідділювачів, ресиверів, камер подачі стисненого повітря протяжністю близько 5 км з трубопровідної арматури, градирні з басейном та інших пристроїв;
  • науково-експериментальну базу, до складу якої входять три унікальні експериментальні повітряні турбіни, дві великомасштабні експериментальні установки, тарувальне сопло, установка з вивчення режимів роботи тягодуттєвих машин, два стенди плоских решіток, два стенди з дослідження надзвукових течій, повітряна високошвидкісна аеродинамічна стенд для дослідження теплообміну в лопатки високотемпературних газових турбін; експериментальна установка з дослідження підшипників та інші експериментальні стенди та установки;
  • навчально-експериментальну лабораторію модульного типу, що складається з трьох стендів із дослідження теплообміну, та п’яти стендів із дослідження газодинамічних процесів.

Стенд плоских грат з дослідження течій у широкому діапазоні зміни параметрів

Експериментальна повітряна турбіна

Великомасштабна експериментальна установка