Исследования Pratt & Whitney в области архитектуры турбинного двигателя с водородным, паровым впрыском и промежуточным охлаждением (HySIITE) демонстрируют не только жизнеспособность технологии, но и повышение энергоэффективности на 35% и снижение выбросов оксидов азота (NOx) на 99,3%, заявили руководители компании. Эти результаты дают надежду на возможность вывода жидководородной энергии на рынок коммерческой авиации с помощью этой технологии, добавили руководители. Об этом сообщает «AIN».
«Хотя эта новая технология водородного двигателя, возможно, не будет готова к коммерческому использованию до 2050 года, доказательство ее осуществимости имеет решающее значение, учитывая инвестиции в инфраструктуру, которые потребуются для перехода на жидкий водород», — заявил Нил Тервиллигер, технический сотрудник отдела передовых концепций компании Pratt & Whitney.
«Нам нужно ясно видеть риски водорода, проблемы водорода», — сказал он на брифинге для журналистов. «Существуют реальные сроки для инфраструктуры, технологий, безопасности и сертификации. Мы не можем сделать этот двигатель прямо сейчас, и даже если бы он был в аэропортах сегодня, водорода там нет».
Все это требует стимулов для осуществления этих инвестиций, и технология должна доказать свою потенциальную ценность, утверждал Тервиллигер. Кроме того, эта ценность важна из-за штрафа за вес, связанного с перевозкой жидкого водорода.
Хотя исследования водорода еще не завершены и технические проблемы остаются, производитель двигателей недавно завершил проект, длившийся почти два с половиной года и поддержанный Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства энергетики США (ARPA-e), в рамках которого изучалось использование водорода в двигателе с циклом Брайтона (термодинамическим) с впрыском пара для снижения выбросов NOx.
В презентации для саммита Towards Sustainable Aviation Summit 2025, который проходит на этой неделе в Тулузе, руководители Pratt & Whitney заявили, что стендовые испытания, проведенные в исследовательском центре RTX Technology в Ист-Хартфорде, штат Коннектикут, либо оправдали, либо превзошли ожидания от программы. Односопловой правый тест камеры сгорания с водородным топливом снизил выбросы NOx на 99,3%, что, по словам главного ученого Pratt & Whitney Майкла Уинтера, по сути, исключает их.
Также в соответствии с проектными требованиями конденсатор продемонстрировал способность улавливать один галлон воды каждые три секунды, а испаритель функционировал в тракте отработавших газов.
В конечном итоге проект показал, что двигатель на водороде с рекуперацией воды и впрыском пара может утроить чистую экономию энергии по сравнению с более традиционным экологически чистым авиационным топливом, производимым с использованием технологии преобразования энергии в жидкость, утверждает компания.
Водородный проект является частью многогранного подхода Pratt & Whitney к более устойчивому будущему воздушного транспорта. Компания работала над повышением эффективности за счет таких достижений, как турбовентиляторный двигатель с редуктором GTF, устойчивое авиационное топливо и обширная работа над гибридно-электрическими силовыми установками, объяснил Уинтер, но добавил: «Водород остается весьма значительной возможностью, и мы действительно воодушевлены водородом».
Однако водороду сопутствуют проблемы, например, тот факт, что он занимает в четыре раза больше объема, поэтому его необходимо хранить как криогенную жидкость при температуре -253 °C. Кроме того, водород производит оксиды азота, которые способствуют глобальному потеплению, а также выделяет больше водяного пара, который может способствовать образованию инверсионных следов, признал он.
Технология HySIITE разработана для решения этих проблем, объяснил Уинтер. «Мы взяли все эти проблемы и объединили их в возможность».
HySITTE использует холод водорода, конденсирует избыток воды и впрыскивает его в термодинамику двигателя. «Сделав это, мы продемонстрировали, что можем затем контролировать оксиды азота, по сути, сводя их почти к нулю».
По его словам, проект Министерства энергетики США, реализуемый в течение последних нескольких лет, изучал «наиболее рискованные» элементы технологии.
Тервиллигер подчеркнул, что проект Министерства энергетики был направлен не только на то, чтобы проверить, смогут ли они сжигать водород. «Двигатели довольно агностичны; они будут сжигать большинство видов топлива — вставьте специальную топливную форсунку, и она заработает». Но проект был разработан для изучения того, как использовать преимущества водорода и как спроектировать двигатель по-другому, если бы топливом был водород.
«У нас был этот контракт на демонстрацию некоторых ключевых элементов риска, и мы успешно это сделали», — сказал Тервиллигер. «Мы не просто хотим сказать, что есть классный двигатель. Мы хотим показать, может ли двигатель быть настолько лучше, что включено в это число, что не связано со штрафом для самолета, и как люди должны думать о двигателе на водороде, когда они думают о том, имеет ли смысл переводить авиацию на водород».
Тервиллигер дал представление о технологии HySIITE: Криогенный водород легко принимает тепло, поскольку он очень холодный, поэтому Pratt & Whitney разработали двигатель, который будет впрыскивать тепло из разных источников в водород. Эти источники представляют собой тепло, которое в противном случае было бы потрачено впустую и от которого трудно избавиться. Кроме того, система предназначена для извлечения воды, полученной из водорода.
С точки зрения технологии HySIITE был разработан для установки в традиционную гондолу и является турбовентиляторным двигателем, по крайней мере спереди, объяснил Тервиллигер. Он начинается с типичного турбовентиляторного двигателя, создающего тягу, который питается от газогенератора и силовой турбины — «как обычно», сказал он. «Эта часть довольно традиционна».
Менее традиционная технология вступает в действие в выхлопе силовой турбины. «Именно то, что происходит в выхлопе силовой турбины, делает HySIITE уникальным». HySIITE включает испаритель, конденсатор и водоотделитель, который использует горячий выхлоп двигателя для создания пара, который возвращается обратно в термодинамический процесс, повышая эффективность и сокращая отходы.
Двигатели обычно имеют горячий выхлоп, который вытекает сзади и попадает в атмосферу. «Но там много полезной энергии при очень высокой температуре», — сказал он. Испаритель использует это тепло для кипячения воды, чтобы создать паровоздушную смесь из горящего водорода. Конденсатор конденсирует воду из пара, а водоотделитель удаляет жидкую воду из пара, который затем возвращается в испаритель. Система обеспечивает другие эффекты цикла, такие как промежуточное охлаждение, добавил он.
Тервиллигер отметил, что одной из ключевых проблем при сжигании водорода является NOx. У водорода высокая температура пламени. Но с HySIITE, сказал Тервиллигер, «эта высокая температура пламени на самом деле позволяет нам сжигать так много пара, воздуха и водорода». Пар сдерживает образование NOx.
«Это редкая ситуация в проектировании системы, когда некоторые слабые места в конечном итоге открывают новые возможности, и в итоге NOx исчезает», — сказал Тервиллигер. «Кроме того, поскольку мы улавливаем воду из выхлопных газов, у нас есть возможность уменьшить количество воды, фактически покидающей двигатель». Это снижает вероятность появления инверсионных следов.
«Затем вы все это складываете и получаете очень существенный выигрыш в эффективности по сравнению с текущим уровнем техники».
В рамках программы DOE ARPA-E исследователи продемонстрировали работу камеры сгорания, испарителя и конденсатора в моделируемых условиях.
Несмотря на опыт работы с камерами сгорания, Pratt & Whitney обычно не работает со сгоранием смеси из равных частей воздуха и воды. «Мы хотели доказать, что можем сжечь водород в присутствии такого количества воды, контролируя пламя, измеряя, сколько Nox мы фактически производим, и гарантируя его стабильность. И мы это сделали».
Что касается испарителя, «это теплообменник с маленькими трубками, и с одной стороны он должен иметь воду под высоким давлением и перегретый пар, а с другой — находиться в выхлопной трубе реактивного двигателя», — сказал Тервиллигер. «Так что, как вы можете себе представить, это довольно сложная среда. Мы хотели доказать, что он выдержит эту среду, что он сможет успешно испарять воду и не разваливаться».
Конденсатор, тем временем, представляет собой теплообменник, охлаждающий выхлоп. «Мы хотели показать, что величина потери давления, необходимая для охлаждения выхлопа, соответствует тому, что мы думаем, потому что если она намного больше, то производительность всей системы может развалиться», — сказал он.
Воодушевленная результатами, компания Pratt & Whitney продолжит искать возможности для развития технологий, продолжая активно участвовать в нескольких других программах.
Однако из HySIITE вытекает ключевой урок: «Водородные двигатели, даже без впрыска пара, могут быть эффективнее штатных двигателей. Но если вы готовы добавить впрыск пара, я думаю, что это уникальная возможность», — сказал Тервиллигер, поскольку повышение эффективности на 35% по сравнению с базовым уровнем (Pratt & Whitney использовала свой собственный GTF в качестве мерила) — это достаточно существенное изменение, чтобы привлечь требуемый интерес и потенциальные инвестиции.