SwRI entwickelt sicherere und effektivere Wasserstoffinjektoren für Gasturbinen

Jun 11, 2023

Das Southwest Research Institute (SwRI) entwickelt innovative Wasserstoffverbrennungssysteme für Gasturbinen zur Stromerzeugung. Die Konstruktionen verhindern Flammenrückschläge, ein häufiges Problem bei wasserstoffbetriebenen Verbrennungssystemen, bei denen die Flamme von der Brennkammer in die Düse gelangt, was zu Schäden an der Ausrüstung führen kann.

Wasserstoffkraftstoff hat zahlreiche Vorteile, unter anderem die Tatsache, dass er während des Verbrennungsprozesses keine Kohlenstoffemissionen erzeugt. Eine besondere Herausforderung besteht jedoch darin, dass es sehr reaktiv ist, was den Umgang mit ihm schwieriger macht als Erdgas oder die flüssigen Brennstoffe, mit denen Gasturbinen normalerweise betrieben werden.

Das Southwest Research Institute erforscht die Nutzung von Wasserstoff als Brennstoff für Gasturbinen zur Stromerzeugung. Zu den Entwürfen gehört eine Düse, die Luft (dunkelblau im Bild) und Kraftstoff (gelb im Bild) schnell mischt. Die Konstruktionen können einen Flammenrückschlag verhindern, ein häufiges Problem bei der wasserstoffbetriebenen Stromerzeugung, bei dem die Flamme von der Brennkammer in die Düse gelangt, was gefährlich sein und die Ausrüstung beschädigen kann.

Mit reinem Wasserstoff als Brennstoff sind herkömmliche emissionsarme Konstruktionen sehr anfällig für ein schädliches Phänomen, das als Flashback bekannt ist. Dies geschieht, wenn die Flamme in der Brennkammer in die Düse zurückschlägt, was zu Schäden an der Anlage führen kann.

Um Abhilfe zu schaffen, erforscht SwRI neue Möglichkeiten, Luft und Wasserstoff in der Düse zu mischen und gleichzeitig einen Flammenrückschlag zu vermeiden. Die Entwürfe, die auch auf sehr niedrige Stickoxidemissionen (NOx) abzielen, wurden im Rahmen eines Projekts entwickelt, das die Entwicklung eines zu 100 % wasserstoffbetriebenen Verbrennungssystems für eine Industriegasturbine unterstützt.

Einer der Gründe, warum Wasserstoff ein so attraktiver alternativer Kraftstoff ist, liegt darin, dass er zwar keine Kohlendioxidemissionen, dafür aber NOx erzeugt. Werden Luft und Wasserstoff jedoch in der Düse effizient vermischt, sind die NOx-Emissionen deutlich geringer.

Die Düsen vermischen Luft mit Wasserstoffbrennstoff über kleine, senkrechte Kanäle. Durch diese Konstruktion können sich Luft und Wasserstoff schnell vermischen, bevor sie mit Strömungsgeschwindigkeiten, die einen Flammenrückschlag verhindern, aus der Düse in die Brennkammer gedrückt werden.

Wenn die richtige Menge Luft und Wasserstoff sehr gut vermischt werden, ist die Menge an NOx-Emissionen sehr gering. Außerdem werden Luft und Wasserstoff so schnell aus der Düse gedrückt, dass die Flamme in der Brennkammer nicht in der Lage ist, sich nach hinten auszubreiten.

Der Entwurf und die Analyse der Düsen wurden mithilfe der umfassenden Erfahrung der Mitarbeiter der Abteilungen Maschinenbau und Antriebstechnik am SwRI durchgeführt. Die Mitglieder des interdisziplinären Teams stützten sich bei der Erstellung, Analyse und Optimierung der Düsenkonstruktionen auf numerische Strömungsmechanik und maschinelle Lernwerkzeuge.

Um dieses Problem zu lösen, nutzten wir die Computer- und Analysetools des Instituts, um diese Technologie zu entwerfen und zu modellieren. Die tatsächlichen Simulationen, die wir durchgeführt haben, sind äußerst rechenintensiv und erfordern tagelang ganze Abschnitte unseres Hochleistungsrechenclusters, um diese Rechenprobleme zu lösen. Dadurch konnten unsere Ingenieure einige einzigartige Ideen aufgreifen und auf diese Herausforderung anwenden.

Gepostet am 05. Mai 2023 in Motoren, Wasserstoff, Markthintergrund | Permalink | Kommentare (0)