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.
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).
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).
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".
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).
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.
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.
Устройство газотурбинного двигателя Taurus 70: 1 — компрессор, 2 — инжектор, 3 — камера сгорания, 4 — турбина (иллюстрация с сайта lbl.gov).
Да, главная сфера применения новинки, по мнению её разработчиков, – это именно стационарные газотурбинные двигатели, применяемые в качестве привода генераторов местных электростанций среднего размера.
Основные компоненты LSI. Внизу: найденный принцип легко адаптируется под устройства разных размеров (фото с сайта lbl.gov).
LSI может сжигать широкое разнообразие топлив — от традиционных углеводородов до синтез-газа (смесь водорода и монооксида углерода) и чистого водорода.
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.
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.
Maxon MPAKT — горелка-нагреватель для сушильных печей — одно из первых серийных устройств, в котором применена технология сгорания UCLSC (фото с сайта lbl.gov).
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.
