Самарский университет и "Силовые машины" разработают первую в России газотурбинную установку на метано-водородном топливе

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева и АО "Силовые машины" создали совместное конструкторское бюро (КБ) "Водород СМ", которое займется разработкой технологий для первой отечественной газотурбинной установки на метано-водородном топливе. КБ создано на базе Научно-образовательного центра газодинамических исследований (НОЦ ГДИ) Самарского университета им. Королёва. Штатная численность КБ составит 15 человек. Научно-технический совет КБ возглавил генеральный конструктор АО "Силовые машины" Александр Ивановский, начальником КБ стал старший научный сотрудник НОЦ ГДИ, кандидат технических наук Сергей Матвеев.

"Основным направлением работы нашего конструкторского бюро станет разработка камер сгорания энергетических газотурбинных установок, работающих на альтернативном топливе с высоким содержанием водорода. Это новое направление в энергетике России, подобных отечественных установок пока не существует. Первым нашим проектом станет разработка камеры сгорания для перспективной газотурбинной установки ГТЭ-65.В мощностью 65 МВт. В качестве топлива в этой установке будет использоваться метано-водородная смесь, что позволит увеличить мощность турбины и снизить количество вредных выбросов в атмосферу", - рассказал начальник КБ "Водород СМ" Сергей Матвеев.

Как показали предварительные исследования, использование метано-водородной смеси с долей водорода 40-50% увеличит мощность газотурбинной установки примерно на 10%. Такие энергоустановки можно будет в перспективе использовать на крупных промышленных предприятиях, для тепло и электроснабжения малых городов или жилых районов мегаполисов.

Добавление водорода будет обеспечивать более полное сгорание топлива, благодаря чему снизится выброс оксида углерода и несгоревших углеродов, кроме того, уменьшится общий выброс СО2 и расход топлива. В ходе разработки и проектирования камеры сгорания самарским ученым предстоит оптимизировать конструкцию камеры сгорания, определить наиболее эффективный состав топливной смеси, решить проблему акустических пульсаций, возникающих при горении метано-водородного топлива, а также разработать мероприятия по максимальному снижению выбросов оксидов азота NOx.

Для моделирования процессов горения в ходе научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ будет задействован высокопроизводительный вычислительный кластер Самарского университета. Экспериментальную модельную камеру сгорания изготовят на 3D-принтере в лаборатории аддитивных технологий вуза. К экспериментам по горению метано-водородных смесей планируется приступить уже в феврале 2021 года. В целом работы по созданию инновационной камеры сгорания займут несколько лет. Разработку технического проекта камеры сгорания газотурбинной установки предполагается завершить в 2023 году, после чего на промышленном предприятии будет изготовлен опытный образец.

Владимир Богатырев, ректор Самарского университета им. Королёва:

Развитие новых форм сотрудничества с традиционными партнерами, ориентированных на создание передовых высокотехнологичных продуктов - один из приоритетов стратегии развития Самарского университета им. Королёва.

В этом году на базе нашего университета открылись два конструкторских бюро, созданных в партнерстве с ведущими технологическими компаниями страны - "Силовыми машинами" и "ОДК". В наше партнерство с "Силовыми машинами" мы вкладываем уникальную экспериментальную базу и опыт фундаментальных исследований и прикладных разработок в области создания эффективных топливных смесей и инновационных камер сгорания газотурбинных двигателей.

Такое взаимодействие является эффективным инструментом в обеспечении технологического лидерства страны и успешно развивает кооперацию ведущих научных центров с реальным сектором экономики, увеличивая масштабы исследований по флагманским наукоемким направлениям.

Справочно:

«Силовые машины» — глобальная энергомашиностроительная компания, входящая в пятерку мировых лидеров отрасли по объему установленного оборудования. Компания обладает богатейшим опытом и компетенцией в области проектирования, изготовления и комплектной поставки оборудования для тепловых, атомных и гидроэлектростанций. Ключевая компетенция и конкурентное преимущество компании — осуществление комплексных проектов под ключ в сфере электроэнергетики. «Силовые машины» входят в состав ООО «Севергрупп».

В 2018 году «Силовые машины» приступили к разработке отечественной линейки энергетических газовых турбин двух типоразмеров – ГТЭ-65 и ГТЭ-170. Первая турбина ГТЭ-170 запущена в производство, также завершена ревизия ГТЭ-65, которая ранее была изготовлена, но ее испытания не были закончены. Производство ГТЭ-65 и ГТЭ-170 развернуто на ЛМЗ ("Ленинградский металлический завод"). При участии ведущих научно-исследовательских предприятий страны реализуется план НИОКР, проводится перевооружение производства. В 2019 г. «Силовые машины» одержали победу в конкурсе Минпромторга России на субсидирование НИОКР по данному проекту.

***

Исследования в области применения водородного топлива ведутся в Самаре (Куйбышеве) еще с 60-х годов прошлого века. В двигателестроительном конструкторском бюро под руководством академика Николая Дмитриевича Кузнецова был создан уникальный двигатель НК-88, работающий на жидком водороде.

Водород существенно превосходит авиационный керосин по теплотворной способности, при этом он абсолютно экологичен. В основной состав инженеров, работавших над этим двигателем, вошли выпускники Куйбышевского авиационного института (сейчас Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П.Королева).

Двигатель НК-88 был установлен на экспериментальном самолете Ту-155, впервые поднявшемся в воздух 15 апреля 1988 года. Первый в мире самолет, использовавший водородное топливо, успешно прошел комплекс испытаний, совершив несколько международных перелетов по Европе, в том числе в немецкий Ганновер на конференцию по проблемам использования криогенного топлива в авиации.

Позднее был разработан проект самолета Ту-156 на двигателях НК-89, работавших на сжиженном природном газе, но из-за возникших сложностей в финансировании программа использования криогенного топлива в авиации была прекращена. В настоящее время двигатель НК-88 является экспонатом Центра истории авиационных двигателей Самарского университета.

В начале 2000-х годов сотрудниками кафедры теплотехники и тепловых двигателей и Научно-образовательного центра газодинамических исследований (НОЦ ГДИ) Самарского университета были начаты исследования по повышению энергоэффективности криогенных систем и установок за счет использования низкопотенциальной энергии криопродукта. С 2020 года на базе НОЦ ГДИ активно развивается лаборатория криогенной техники. Основная цель лаборатории - расчет, проектирование и создание высокоэффективных энергетических установок и двигателей, работающих на криогенных топливах, в том числе СПГ. Научно-прикладные исследования лаборатории проводятся при финансовой поддержке Минобрнауки России (проект № FSSS-2020-0019), рассчитанной на 4 года.