Учёные из ETH Zurich создают реактивные двигатели для водородной эпохи

В прошлом году ЕС объявил о проекте поддержки университетов и промышленных предприятий в разработке среднемагистрального самолета с водородным двигателем. Помимо прочего, на новое топливо предстоит перевести реактивные двигатели. Сегодняшние двигатели оптимизированы для сжигания керосина.

В реактивных двигателях взаимодействие между пламенем и звуком сгорания может вызвать вибрацию. Эти вибрации создают большую нагрузку на двигатели, поэтому инженеры стараются сделать все возможное, чтобы их избежать. Исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) заложили важную основу для разработки устойчивых водородных авиационных двигателей: они исследовали акустическое поведение форсунок впрыска водорода в лаборатории в условиях, аналогичных тем, которые существуют на крейсерской высоте.

«Водород сгорает быстрее, чем керосин. По этой причине он производит меньшее и более компактное пламя», — объясняет Николя Нуаре, профессор кафедры машиностроения и технологического проектирования ETH Zurich. Это необходимо учитывать при проектировании водородных двигателей. Эксперименты команды Нуаре теперь дают важную основу для этого. Результаты работы опубликованы в журнале Combustion and Flame.

Одной из проблем являются вибрации, которые инженеры пытаются минимизировать. В типичных реактивных двигателях около 20 топливных форсунок расположены вокруг кольцевой камеры сгорания двигателя. Турбулентное сгорание топлива там генерирует звуковые волны. Эти волны отражаются от стенок камеры и оказывают обратное воздействие на пламя. Эта связь между звуковой волной и пламенем может привести к возникновению вибраций, которые могут оказывать большую нагрузку на камеру сгорания двигателя.

«Эти вибрации могут утомлять материал, что в худшем случае может привести к трещинам и повреждениям», — говорит Абель Фор-Болье, бывший научный сотрудник в группе Нуаре. «Вот почему при разработке новых двигателей принимаются меры, чтобы эти вибрации не возникали в условиях эксплуатации».

Когда инженеры разрабатывали современные керосиновые двигатели, им нужно было взять эти вибрации под контроль. Они добились этого, оптимизировав форму пламени, а также геометрию и акустику камеры сгорания. Однако тип топлива оказывает большое влияние на взаимодействие звука и пламени. Это означает, что инженеры и исследователи теперь должны убедиться, что они не возникнут в новом водородном двигателе.

Сложная испытательная и измерительная установка в ETH Zurich позволяет Нуарею измерять акустику пламени водорода и прогнозировать потенциальные вибрации. В рамках проекта ЕС HYDEA, в котором он участвует совместно с GE Aerospace, он испытывает форсунки впрыска водорода, производимые компанией.

«Наша установка позволяет нам воспроизводить условия температуры и давления двигателя на крейсерской высоте», — объясняет Нуарэй. Исследователи ETH также могут воссоздать акустику различных камер сгорания, что позволяет проводить широкий спектр измерений. «Наше исследование является первым в своем роде по измерению акустического поведения пламени водорода в реальных условиях полета».

В своих экспериментах исследователи использовали одно сопло, а затем смоделировали акустическое поведение набора сопел, как это будет организовано в будущем водородном двигателе. Исследование помогает инженерам GE Aerospace оптимизировать инжекторные сопла и проложить путь для высокопроизводительного реактивного водородного двигателя. Через несколько лет двигатель должен быть готов к начальным испытаниям на земле, а в будущем он сможет привести в движение первый самолет на водородном топливе.

Профессор ETH Нуарэй не считает разработку двигателей или разработку водородных баков для самолетов самой большой проблемой при переходе авиации в водородную эру. «Человечество полетело на Луну; инженеры, несомненно, смогут разработать водородные самолеты», — говорит он.

Но одних самолетов недостаточно. Еще одна серьезная задача, говорит Нуар, заключается в создании всей инфраструктуры для водородной авиации, включая производство климатически нейтрального водорода в достаточных количествах и его транспортировку в аэропорты. Достижение этого в разумные сроки требует согласованных усилий уже сейчас.

Большинство наземных транспортных средств можно электрифицировать с помощью батарей; однако батареи слишком тяжелы для высокопроизводительных самолетов. Хранение энергии, необходимой для полета 200 пассажиров на тысячи километров с водородом в криогенных баках, весит, по меньшей мере, в тридцать раз меньше, чем хранение в батареях.

«В ближайшие десятилетия только небольшие самолеты с очень низкой грузоподъемностью будут работать на аккумуляторах», — говорит профессор ETH Нуарэй. «Для пассажирских и грузовых самолетов синтетическое топливо является единственной альтернативой сегодняшнему керосину, а водород является наиболее экономичным для устойчивого производства».

В зависимости от размера и дальности полета самолета есть два потенциальных водородных решения. Для небольших региональных самолетов с низкой крейсерской скоростью и малой дальностью полета водород может быть преобразован в электричество в топливном элементе на борту. Топливный элемент приводит в движение пропеллеры при помощи электродвигателя.

Однако для дальнемагистральных коммерческих самолетов топливные элементы не подходят из-за их размера и веса. В будущем эти самолеты будут приводиться в движение реактивными двигателями, работающими на водороде. Несколько промышленных консорциумов в настоящее время работают над разработкой таких двигателей.

Источник