Ученые Самарского университета им. Королёва разнообразят "меню" газотурбинных двигателей НК

Проект ученых Инжинирингового центра Самарского университета им. Королёва позволит создавать в России универсальные и экологичные газотурбинные энергоустановки, работающие на различных видах топлива, в том числе на метано-водородных смесях и водороде. Подобные установки могут использоваться как автономные источники электроэнергии для крупных поселков или небольших предприятий, например, в отдаленных районах Арктики или Сибири, где отсутствуют централизованные электросети. Проект, реализуемый в интересах ПАО "ОДК-Кузнецов", победил в конкурсе Инновационного фонда Самарской области и получил финансовую поддержку в размере 12 млн рублей. 

"В рамках проекта мы разработаем конструктивные решения по созданию экологичной малоэмиссионной камеры сгорания и универсального горелочного устройства,  позволяющего использовать в газотурбинных двигателях различные виды топлива - наряду с обычным метаном рассматривается применение керосина, дизельного топлива, водорода и метано-водородных смесей. Нам нужно добиться максимальной унификации горелочного устройства, чтобы оно подходило к газотурбинным двигателям различной мощности, не требуя изменений в их конструкции или предусматривая лишь незначительные изменения. Это позволит с минимальными затратами модифицировать линейки газотурбинных двигателей, массово используемых в энергоустановках и на газоперекачивающих станциях и работающих на природном газе. Благодаря новой камере сгорания и унифицированной горелке модифицированные двигатели станут более универсальными в плане использования различного топлива, а также более экологичными - за счет существенного снижения  выбросов вредных веществ и возможного использования в качестве топлива водорода или метано-водородных смесей", - рассказал директор Инжинирингового центра Самарского университета им. Королёва Иван Зубрилин.

По его словам, у участников проекта, в реализации которого задействованы сотрудники различных научных центров и лабораторий университета, уже есть несколько вариантов конструктивных решений, данные варианты будут тщательно проанализированы с помощью методов многокритериальной оптимизации. Будут разработаны цифровые модели камеры сгорания и проведены экспериментальные исследования, как в лабораториях университета, так и на производственных мощностях "ОДК-Кузнецов". По итогам проекта планируется создание опытного образца универсального горелочного устройства. В качестве базового двигателя для первичной модификации выбран НК-14СТ. Этот двигатель, серийно выпускаемый в Самаре с 1995 года и используемый, в основном, в составе газоперекачивающих агрегатов, отличают высокая степень надежности, простота в обслуживании, высокий КПД. Кроме того, двигатель способен работать в любых климатических условиях. 

"Энергоустановки на основе такого двигателя мощностью 8-10 МВт могут обеспечивать электроэнергией порядка тысячи домохозяйств, то есть, например, какой-нибудь поселок или небольшое предприятие в отдаленном районе. Далее мы планируем проводить эксперименты с двигателем НК-36СТ, это двигатель уже другого класса, мощностью 26 МВт. Перед нами стоит задача показать в ходе исследований, что наша разработка может быть использована в двигателях самого различного класса мощности", - отметил Иван Зубрилин.

По его словам, для изготовления малоэмиссионой камеры сгорания и универсальной горелки планируется использовать аддитивные технологии, то есть, жаропрочные конструкции для двигателя будут изготавливаться на 3D-принтере. В ходе работы, как считают ученые, придется также несколько модифицировать в своих целях ряд отечественных программ инженерного анализа - их сделают более подходящими для данного проекта, изменив программный код - с разработчиками софта достигнуто соответствующее соглашение. Завершить реализацию проекта планируется к июню 2023 года.

Александр Улитичев, главный конструктор по двигателям НК-12СТ, НК-14СТ и НК-14СТ-10 ПАО "ОДК-Кузнецов":

- Данный проект имеет большое значение для ПАО "ОДК-Кузнецов" - во-первых, он поможет повысить привлекательность газотурбинных установок серии НК-14СТ и других серий за счет снижения вредных выбросов. Во-вторых, проект позволит расширить валидационный базис для моделей горения, что в конечном итоге позволяет снизить стоимость и уменьшить цикл разработки малоэмиссионной камеры сгорания. В-третьих, проект сформирует большой задел по работам с водородным топливом. Ну и конечно же, совместный проект двух инженерных коллективов - ПАО "ОДК-Кузнецов" и Самарского университета им. Королёва - будет способствовать развитию созданной в этом году в университете  Передовой инженерной аэрокосмической школы (ПИАШ) "Интегрированные технологии в создании авиационной и космической техники", и развитию лаборатории цифровых двойников. ПАО "ОДК-Кузнецов" является одним из индустриальных партнеров университета по проекту ПИАШ.

Справочно

* Задача по развитию водородной энергетики закреплена в ключевом отраслевом документе стратегического планирования – актуализированной Энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2035 года. Распоряжением Правительства Российской Федерации от 12 октября 2020 г. № 2634-р был утвержден план мероприятий ("дорожная карта") по развитию водородной энергетики в России до 2024 года, направленный на увеличение производства и расширение сферы применения водорода в качестве экологически чистого энергоносителя. 

Актуальными являются задачи повышения экологичности существующих газотурбинных установок, работающих на метане, а также исследование возможности замещения метана водородом или метано-водородными смесями. 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 3-5%  и уменьшить в 3-4 раза расход топлива.

**  Инжиниринговый центр Самарского университета им. Королёва создан в 2021 году по итогам открытого конкурса Министерства науки и высшего образования РФ на предоставление грантов в форме субсидий из федерального бюджета для создания и развития инжиниринговых центров в России. Самарский университет вошел в число 11 вузов-победителей первой очереди конкурса. Победа стала возможной благодаря слаженной работе с участниками консорциума НОЦ мирового уровня "Инженерия будущего" и личной поддержке проекта Инжинирингового центра со стороны губернатора Самарской области Дмитрия Игоревича Азарова.

В числе приоритетных направлений деятельности Инжинирингового центра – разработка цифровых интеллектуальных технологий для машиностроения, создание "цифровых двойников" перспективных газотурбинных двигателей и установок, а также развитие аддитивных технологий и промышленной робототехники, подготовка и переподготовка специалистов высокого уровня для двигателестроительных предприятий России.

Инжиниринговый центр развивается в тесном взаимодействии со стратегическим партнером – ПАО "ОДК-Кузнецов". Реализуемые здесь проекты станут одним из ключевых элементов исследовательской программы развития НОЦ "Инженерия будущего" в части технологических и образовательных проектов платформы "Двигателестроение".

*** ПАО "ОДК-Кузнецов" входит в состав Объединенной двигателестроительной корпорации. Является ведущим предприятием в России по разработке, производству, техническому сопровождению в эксплуатации и ремонту газотурбинных авиационных, жидкостных ракетных двигателей, газотурбинных установок для наземного использования в газовой отрасли, энергетике. Созданные на предприятии газотурбинные двигатели НК-12СТ, НК-14СТ и НК-36СТ используются в составе газоперекачивающих агрегатов ПАО “Газпром”, нефтегазовой перерабатывающей промышленности России, газовых компаний Республик Туркменистан, Узбекистан и Казахстан.