Медленный вихрь обеспечивает ультрачистое сгорание
Колечко, лопаточки, дырочки. По виду похоже на ненужные, но некогда популярные вставки-крыльчатки под карбюратор, якобы улучшающие экономичность ДВС чуть ли не на половину, а выбросы вредных веществ — в разы. Но в этом случае речь заходит не об экономичности.
А также не о ДВС по большому счету. Но «экологии» от нового «дуршлага» — целый вагон.
Роберт Чэн (Robert Cheng) и его коллеги из национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory) завоевали респектабельную приз RD 100 Awards 2007 от издания R D Magazine. Их горелка для турбин, разрешающая в пять с лишним раз снизить выбросы NOx, стала одним из 100 лучших изобретений года.
Секрет новой разработке сгорания зовётся LSI (low-swirl injector), что возможно перевести как «Инжектор с медленным завихрением». В газотурбинном двигателе LSI занимается подачей горючего в поток воздуха, смешением компонентов, и практически данный узел поставляет пламя в камеру сгорания, откуда продукты горения попадают уже фактически на лопатки турбины.
Роберт Чэн демонстрирует горелку собственной совокупности. Он держит руку на корпусе, показывая, что стабильное пламя находится всецело вне устройства, которое остаётся холодным (фото с сайта lbl.gov).
Изобретение Чэна — это особенная форма инжектора/смесителя, в которой смеси придаётся вращение около продольной оси, но относительно медленное, в противовес сильному завихрению в классических совокупностях. В следствии уже вне среза горелки формируется весьма устойчивое пламя, отличающееся более низкой, чем в большинстве случаев, температурой горения.
Таковой процесс ультрачистого горения в медленном «водовороте» Чэн назвал UCLSC (ultra-clean low-swirl combustion).
Потому, что интенсивность образования окислов азота (вредных соединений, являющихся частью смога, и парниковыми газами) во многом зависит от температуры, простая газовая турбина с новым инжектором выделяет значительно меньше этих соединений.
Тесты продемонстрировали, 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 классической конструкции, информирует лаборатория. А по большому счету «громадные промышленные установки, применяющие газ, выбрасывают оксиды азота числом 100 частей на миллион», — утверждает Чэн, что содействует появлению вредного озона вблизи поверхности почвы.
Инжектор LSI устроен на удивление легко, но за выбранными формами — годы тестов и исследований: 1 — завихритель потока; 2 — центральные каналы (фото с сайта lbl.gov).
Любопытно, что изобретатель именует новинку «противоинтуитивной идеей», отмечая, что она «бросает вызов классическим подходам в конструировании таких узлов; специалисты только начинают использовать правила термодинамики, химии горения и газовой динамики для объяснения того, как трудится данный феномен».
Тут, действительно, появляется вопрос о КПД двигателя, очень сильно зависящем от температуры перед первым колесом турбины. Возможно, для электростанций маленькое падение КПД (если оно будет) возможно забыть обиду в обмен на «экологию», а вот, скажем, разработчики авиадвигателей не факт что приветствуют изобретение, потому, что в большинстве случаев стремятся максимально повысить температуру в камере сгорания движка.
Для самолётов любой грамм горючего серьёзен: лопатки лучших современных турбореактивных движков закономерно трудятся около точки собственного плавления.
Но возвратимся на землю. Принципиально важно, что для адаптации турбин на новый лад не требуется поменять очень сильно их конструкцию, переделки минимальны, как и замена подробностей.
Чэн и его сотрудники оборудовали новыми горелками турбину Taurus 70 от компании Solar Turbines. Её эксперты, к слову, учавствовали в проекте.
Устройство газотурбинного двигателя Taurus 70: 1 — компрессор, 2 — инжектор, 3 — камера сгорания, 4 — турбина (иллюстрация с сайта lbl.gov).
Taurus 70 создаёт 7 милионов ватт электричества, а умелый «пример Чэна» делает это сейчас ещё и чище. Чем, фактически, команда исследователей и заслужила RD 100 Awards.
Да, основная сфера применения новинки, согласно точки зрения её разработчиков, – это как раз стационарные газотурбинные двигатели, используемые в качестве привода генераторов местных электростанций среднего размера.
Главные компоненты LSI. Внизу: отысканный принцип легко адаптируется под устройства различных размеров (фото с сайта lbl.gov).
LSI может сжигать широкое разнообразие горючих — от классических 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 ходе газификации углекислого газа.
Этот проект именуется FutureGen. Его цель — создание первой в мире электростанции на угле с практически нулевым выбросом.
В качестве привода генераторов в том месте должны употребляться 200-мегаваттные газовые турбины, возможно, именно с инжекторами LSI (они рассматриваются как один из вариантов), а в качестве горючего — водород либо синтез-газ с высокой долей водорода.
Maxon MPAKT — горелка-нагреватель для сушильных печей — одно из первых серийных устройств, в котором применена разработка сгорания UCLSC (фото с сайта lbl.gov).
По большому счету же, национальная лаборатория Лоуренса в Беркли готова дать лицензию на данное изобретение любому изготовителю газотурбинных двигателей. И более того – новинка может использоваться для разогрева водяных котлов и во многих вторых сходных областях.
Что до электростанций, увидим, сейчас в мире отмечается рост проектов в области безуглеродных разработок, призванных замедлить пресловутое глобальное потепление. конверсия и Тут метана в углекислый газ и водород, по окончании которой водород перекачивают в электростанцию, а CO2 захоранивают, и многие схожие проекты.
Потому, что выбросы оксидов азота для загрязнения воздуха и того же парникового результата — также ответственны, разработка LSI/UCLSC показалась весьма своевременно. Возможно сообщить на гребне «зелёной волны».
Ну и направляться обязательно подчернуть, что собственный стендовый движок с новым инжектором американские учёные удачно испытали на чистом водороде, в следствии чего выброс вредных соединений был практически равным нулю.
Поразительный эффект от таковой несложной (на первый взгляд) штуковины, как LSI.
