Водород вместо природного газа: расчеты ученых помогут энергетическому машиностроению
Ученые Пермского национального исследовательского университета смоделировали трехмерную модель камеры сгорания, чтобы найти точные параметры, позволяющие использовать водород в качестве топлива.
Поиск эффективных и экологически чистых видов топлива – одна из основных задач современной энергетики. Водород является наиболее перспективным, так как при сгорании выделяет в два с половиной раза больше тепла, чем метан, а также не наносит практически никакого вреда окружающей среде. Проблема в том, что газотурбинные установки не могут его использовать без адаптации: процессы горения водорода и других видов топлива сильно отличаются. В большинстве случаев исследователи не учитывают ключевые факторы условий работы промышленных турбин, а это не дает возможность инженерам внести в конструкцию действующих агрегатов необходимые изменения.
Ученые Пермского Политеха отказались от упрощенных лабораторных моделей и создали высокоточную 3D-модель, которая позволила воспроизвести все процессы: от движения потоков воздуха до смешивания его с топливом и воспламенения. Алгоритму задали температуру, давление, расход топлива и воздуха, как у действующей газотурбинной установки. Меняя эти параметры, ученые смогли понять, при каких условиях горение водорода остается стабильным и не разрушает оборудование.
Результаты работы важны для российской энергетики, равно как для мировой науки, ищущей альтернативы природному газу. Для конечного же потребителя использование водорода в качестве топлива будет означать заметное улучшение экологической обстановки.
От расчёта к железу: где заканчивается модель и начинается инженерия
Чтобы проверить результаты работы ученых ПНИПУ, цифровую модель нужно воплотить в реальном оборудовании. Камеру сгорания необходимо проверить на устойчивость к вибрациям, тепловым нагрузкам и переходным режимам. Затем должна последовать адаптация под водород имеющихся горелок, систем подачи топлива и ряда других узлов.
Разработка Пермского Политеха может быть востребована как у российских, так и у зарубежных производителей газотурбинных установок. «Объединенная двигателестроительная корпорация» уже использует подобные модели в цифровых двойниках своих турбин.
Четыре года водородных проектов: от горелки до 3D-модели
Разработка ПНИПУ – это еще один этап широкой исследовательской работы российских ученых и инженеров по внедрению водородного топлива в энергетике.
В 2022 году ученые Самарского национального исследовательского университета создали и испытали первую в России водородную горелку для ГТУ. При этом она способна работать и на других видах топлива. Горелку можно внедрять как для новых разработок, так и для модернизации уже действующих турбин. А в 2025 году ОДК начала испытания газоперекачивающего двигателя с двухтопливной водородно-метановой горелкой мощностью 32 МВт.
Шаг вперед в проектировании и модернизации
Создание пермскими учеными 3D-модели для исследования параметров сгорания водорода в реальных условиях промышленных турбин – это большое достижение российской двигателестроительной отрасли и энергетики. Если результаты работы будут подтверждены в реальных условиях, то инженеры получат точный инструмент для конструирования или модернизации ГТУ без необходимости перебора всех режимов на действующих установках.
В целом же ИТ-инструменты уже стали нормой для энергетического машиностроения. Они позволяют быстро и безопасно просчитать необходимые параметры в цифровой среде, а уже затем воплощать их в металл.
