Горелка для турбин стала одним из 100 лучших изобретений года

Ранний прототип новой горелки. Данный экземпляр с внутренним диаметром 5 сантиметров горит, выделяя мощность 15 киловатт. Сделано устройство из пластмассы, что показывает уникальную особенность изобретения — приподнятое пламя (фото с сайта lbl.gov).

Роберт Чэн (Robert Cheng) и его коллеги из национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory) завоевали престижную награду R&D 100 Awards 2007 от журнала R & D Magazine. Их горелка для турбин, позволяющая в пять с лишним раз снизить выбросы NOx, стала одним из 100 лучших изобретений года.

Секрет новой технологии сгорания зовётся LSI (low-swirl injector), что можно перевести как "Инжектор с медленным завихрением". В газотурбинном двигателе LSI занимается подачей топлива в поток воздуха, смешением компонентов, и фактически этот узел поставляет пламя в камеру сгорания, откуда продукты горения попадают уже собственно на лопатки турбины.

Изобретение Чэна — это особая форма инжектора/смесителя, в которой смеси придаётся вращение вокруг продольной оси, но сравнительно медленное, в противовес сильному завихрению в традиционных системах. В результате уже вне среза горелки формируется очень устойчивое пламя, отличающееся более низкой, чем обычно, температурой горения.

Такой процесс ультрачистого горения в медленном "водовороте" Чэн назвал UCLSC (ultra-clean low-swirl combustion).

Роберт Чэн демонстрирует горелку своей системы. Он держит руку на корпусе, показывая, что стабильное пламя располагается полностью вне устройства, которое остаётся холодным (фото с сайта lbl.gov).

Поскольку процесс образования окислов азота (вредных соединений, являющихся частью смога, а также парниковыми газами) сильно зависит от температуры, обычная газовая турбина с новым инжектором выделяет намного меньше этих соединений.

Тесты показали, что горелка для газовой турбины, оснащённая устройством LSI, выделяет NOx в концентрации 2 части на миллион, что более чем в пять раз ниже, чем у горелки традиционной конструкции, сообщает лаборатория. А вообще "большие промышленные установки, использующие природный газ, выбрасывают оксиды азота в количестве 100 частей на миллион", — утверждает Чэн, что способствует появлению вредного озона вблизи поверхности земли.

Любопытно, что изобретатель называет новинку "противоинтуитивной идеей", отмечая, что она "бросает вызов традиционным подходам в конструировании таких узлов; эксперты лишь начинают применять принципы термодинамики, газовой динамики и химии горения для объяснения того, как работает этот феномен".

Тут, правда, возникает вопрос о КПД двигателя, сильно зависящем от температуры перед первым колесом турбины. Вероятно, для электростанций небольшое падение КПД (если оно будет) можно простить в обмен на "экологию", а вот, скажем, разработчики авиадвигателей не факт что приветствуют изобретение, поскольку обычно стремятся максимально повысить температуру в камере сгорания движка. Для самолётов каждый грамм горючего важен: лопатки лучших современных турбореактивных движков закономерно работают около точки своего плавления.

Инжектор LSI устроен на удивление просто, но за выбранными формами — годы исследований и тестов: 1 — завихритель потока; 2 — центральные каналы (фото с сайта lbl.gov).

Но вернёмся на землю. Важно, что для адаптации турбин на новый лад не нужно менять сильно их конструкцию, переделки минимальны, как и замена деталей. Чэн и его коллеги оборудовали новыми горелками турбину Taurus 70 от компании Solar Turbines. Её специалисты, к слову, принимали участие в проекте.

Taurus 70 производит 7 мегаватт электроэнергии, а опытный "образец Чэна" делает это теперь ещё и чище. Чем, собственно, команда исследователей и заслужила R&D 100 Awards.

Да, главная сфера применения новинки, по мнению её разработчиков, – это именно стационарные газотурбинные двигатели, применяемые в качестве привода генераторов местных электростанций среднего размера.

LSI может сжигать широкое разнообразие топлив — от традиционных углеводородов до синтез-газа (смесь водорода и монооксида углерода) и чистого водорода.

Устройство газотурбинного двигателя Taurus 70: 1 — компрессор, 2 — инжектор, 3 — камера сгорания, 4 — турбина (иллюстрация с сайта lbl.gov).

Исследователи рассчитывают, что турбины с новым инжектором будут применены для выработки энергии по новой программе американского министерства энергетики (Department of Energy), предусматривающей газификацию угля с выделением из смеси водорода и захоронением получающегося в процессе газификации углекислого газа.

Данный проект называется FutureGen. Его цель — создание первой в мире электростанции на угле с почти нулевым выхлопом.

В качестве привода генераторов там должны использоваться 200-мегаваттные газовые турбины, быть может, как раз с инжекторами LSI (они рассматриваются как один из вариантов), а в качестве топлива — водород или синтез-газ с высокой долей водорода.

Вообще же, национальная лаборатория Лоуренса в Беркли готова предоставить лицензию на данное изобретение любому изготовителю газотурбинных двигателей. И более того – новинка может применяться для разогрева водяных котлов и во многих других сходных областях.

Основные компоненты LSI. Внизу: найденный принцип легко адаптируется под устройства разных размеров (фото с сайта lbl.gov).

Что до электростанций, заметим, в последнее время в мире наблюдается рост проектов в области безуглеродных технологий, призванных замедлить пресловутое глобальное потепление. Тут и конверсия метана в водород и углекислый газ, после которой водород перекачивают в электростанцию, а CO2 захоранивают, и многие схожие проекты.

Поскольку выбросы оксидов азота для загрязнения атмосферы и того же парникового эффекта — тоже важны, технология LSI/UCLSC появилась очень вовремя. Можно сказать на гребне "зелёной волны".

Ну и следует непременно отметить, что свой стендовый движок с новым инжектором американские учёные успешно испытали на чистом водороде, в результате чего выброс вредных соединений оказался почти равным нулю.

Поразительный эффект от такой несложной (на первый взгляд) штуковины, как LSI.