Ученые Самарского университета им. Королёва разработали первое в России горелочное устройство для ГТУ, работающее на чистом водороде

Ученые конструкторского бюро "Водород СМ" Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королёва при активном участии специалистов АО "Силовые машины" в рамках совместной работы создали и испытали универсальную горелку для газотурбинных установок (ГТУ), способную работать на самом различном газообразном топливе - от обычного метана и метано-водородных смесей до чистого водорода. Это первое в России горелочное устройство для ГТУ, работающее на 100-процентном водородном топливе. В перспективе данная разработка должна помочь в развитии "зеленой" энергетики и декарбонизации энергетической отрасли.

"Данное универсальное горелочное устройство разработано для перспективных газотурбинных установок будущего. Универсальность заключается в том, что с такой горелкой можно будет использовать на установке почти любое газообразное топливо — это и метан, метано-водородные смеси и даже 100-процентный водород, что отвечает экологической повестке "зеленой" энергетики. В дальнейшем планируется продолжить работы по расширению возможности данного горелочного устройства для сжигания синтез-газа. Кстати, это первое в России подобное горелочное устройство, способное работать на чистом водороде. За рубежом работы по переводу ГТУ на водород сейчас ведутся активно в Японии и ряде других стран, там созданы рабочие образцы, тоже идут испытания", - рассказал Сергей Матвеев, начальник конструкторского бюро "Водород СМ", старший научный сотрудник Научно-образовательного центра газодинамических исследований (НОЦ ГДИ) Самарского университета им. Королёва.

По словам Сергея Матвеева, универсальная горелка в перспективе подойдет не только для будущих установок, которые будут разрабатываться с учетом именно ее характеристик и конструкции. С помощью таких горелок можно модифицировать уже имеющиеся ГТУ.

"Мы видим перспективу, что данные горелки можно устанавливать в ГТУ, уже имеющиеся на рынке, то есть, производить модификацию существующих установок, а не обязательно разрабатывать принципиально новые устройства. Необходимо будет только изменять фронтовую часть камеры сгорания и систему подвода топлива - в случае использования водорода, а не переделывать всю установку, заменяя турбину, компрессор и так далее. Все необходимые технические характеристики подбираются с помощью режимных параметров", - подчеркнул начальник конструкторского бюро.

Создать новую горелку помогли космические технологии. Принцип организации процесса горения напоминает работу двигателя ракеты.

"Это горелочное устройство отличается от аналогов самим принципом организации процесса горения, то есть, здесь горение построено на сжигании топливно-воздушной смеси в микрофакелах. Технологически это похоже на жидкостный реактивный двигатель из космической ракеты, то есть, принцип взят оттуда и оптимизирован для ГТУ. Конструкцию устройства планируется запатентовать", - отметил Сергей Матвеев.

Как пояснил ученый, для подачи топлива в горелке используется множество маленьких сопел, и так как диаметр у них очень маленький, скорость истечения топлива получается очень большой. Далее топливо попадает в специальную перфорированную пластину и смешивается с воздухом, в результате достигается равномерное горение, что соответствует требованиям к современным газотурбинным установкам.

Еще одна особенность самарской горелки - она получилась тихой, благодаря чему может увеличиться надежность всей установки. При работе ГТУ заметный шум идет именно от самого процесса горения, от колебания фронта пламени в камере сгорания. Эти колебания передаются на конструктивные элементы установки и порой даже могут приводить к их разрушению. Поэтому акустические характеристики камеры сгорания — это один из важных вопросов в плане надежности оборудования, чем меньше уровень акустических колебаний, колебаний давления, тем надежнее ГТУ. Ну и понятно, что чем установка работает тише, тем меньше потенциального вреда здоровью работающих на ней людей.

И еще про здоровье - предварительные результаты первых испытаний горелки на различном топливе показали, что содержание опасных окислов азота NOx в продуктах сгорания значительно ниже, чем у горелок, используемых в настоящее время в составе ГТУ.

Дальнейшие исследования фундаментальных процессов горения метано-водородных смесей и водорода планируется проводить в рамках проекта, победившего в этом году в конкурсе президентской программы Российского научного фонда (РНФ) на получение гранта по направлению "Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых": "Механизмы снижения вредных выбросов в энергетических установках за счет использования водорода и метановодородных видов топлива" 2022-2025 г. (грант № 22-779-10205).

Справочно

* Президентская программа исследовательских проектов была разработана РНФ в 2017 году по поручению Президента России Владимира Путина. Ее основные задачи – поддержать долгосрочные проекты ведущих ученых и создать карьерные траектории для перспективных молодых исследователей. За время реализации программы Фондом поддержано более 5 тысяч проектов.

** АО "Силовые машины" – глобальная энергомашиностроительная компания, лидер отрасли. Входит в состав "Севергрупп". Компания обладает богатейшим опытом и компетенцией в области проектирования, изготовления и комплектной поставки оборудования для атомных, тепловых и гидроэлектростанций. Ключевая компетенция и конкурентное преимущество компании – осуществление комплексных проектов в сфере электроэнергетики.

*** КБ "Водород СМ" создано в 2020 году на базе Научно-образовательного центра газодинамических исследований (НОЦ ГДИ) Самарского университета им. Королёва совместно с АО "Силовые машины". Основным направлением работы КБ является 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. Добавление водорода обеспечивает более полное сгорание топлива, благодаря чему увеличивается мощность установки и снижается выброс оксида углерода и несгоревших углеродов, кроме того, уменьшается общий выброс СО2 и расход топлива. Так, использование метано-водородной смеси с объемной долей водорода 40-50% может увеличить мощность газотурбинной установки примерно на 10%.

**** Горелка (горелочное устройство) является важной частью камеры сгорания - основного элемента газотурбинной установки. В горелочное устройство подаются топливо и окислитель (воздух), после чего происходит процесс воспламенения топливовоздушной смеси. Надежность и долговечность элементов камеры сгорания определяют ресурс и основные характеристики всей установки.