Ученые Самарского университета разработали первую в России горелку для ГТУ, работающую 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 метано-водородных видов топлива" 2022-2025 г. (грант № 22-779-10205, https://rscf.ru/project/22-79-10205/).

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.