ОПАНУВАННЯ ЗГОРЯННЯ НОВИХ ВИДІВ ПАЛИВА

Чому досвід компанії Piezocryst у галузі прямого вимірювання встановлює нові стандарти

Технології Piezocryst забезпечують високоточний контроль процесів згоряння в двигунах на водневому паливі, надаючи стабільні та достовірні дані тиску навіть за екстремальних умов. Це дозволяє підвищити надійність роботи турбін, рівень безпеки та ефективність превентивного технічного обслуговування.

НОВІ СТАНДАРТИ ЕФЕКТИВНОСТІ ТА НАДІЙНОСТІ

Декарбонізація виробництва енергії та авіації вимагає переходу на нові види палива, засновані на відновлюваних ресурсах. Саме тому причини науково-дослідні відділи по всьому світу працюють над адаптацією свого обладнання для спалювання SAF (сталого авіаційного палива), аміаку, водню та їх сумішей.

Перевірені на практиці датчики Piezocryst, побудовані на основі монокристалічного фосфату галію (GaPO₄), забезпечують виняткову ефективність у водневому середовищі завдяки таким перевагам:

 • Виняткова термічна стабільність до 1300 °F (~700 °C);

• Довготривала стабільність калібрування без необхідності охолодження

• Покращена точність і чистота сигналу завдяки передовому дизайну кристалів і технології виробництва;

• Підтверджена стійкість до впливу водню в результаті жорстких ресурсних випробувань;

• Мініатюрні конструкції, що зберігають чутливість і водночас зменшують обмеження при встановленні.

У цій технічній документації розглядаються технічні основи переваг Piezocryst та демонструється, чому наша технологія має унікальні можливості для вирішення завдань майбутніх газових турбін з нульовим рівнем викидів.

ПЕРСПЕКТИВИ ВОДНЮ – І ЙОГО ВИКЛИКИ

Водень перебуває в центрі  енергетичної трансформації, відкриваючи перспективи експлуатації газових турбін з майже нульовими викидами вуглецю. Однак, з швидкістю поширення полум’я, яка на порядок вища, ніж у природного газу, і ще вищою температурою полум’я, спалювання водню створює безпрецедентні виклики для вимірювання.

Існуючі вимірювальні системи, які еволюційно розвивалися через каскади компенсуючих рішень для подолання обмежень традиційних датчиків, часто не витримують таких умов. У результаті втрачаються критично важливі дані тиску, знижується рівень безпеки та погіршується ефективність роботи турбіни.

Для інженерів, які займаються майбутнім газотурбінної технології, точність, стабільність і довгострокова надійність є незаперечними вимогами. Piezocryst забезпечує результат там, де інші рішення не справляються.

РОЗРИВ У ВИМІРЮВАННЯХ: ДЕ ТРАДИЦІЙНІ ДАТЧИКИ НЕ ВІДПОВІДАЮТЬ ВИМОГАМ

Хоча класичні п’єзоелектричні датчики тиску добре зарекомендували себе у поєднанні з відвідними трубками, «нескінченними» трубними конфігураціями та іншими компенсуючими рішеннями, унікальні вимоги згоряння водню потребують принципово нового рівня продуктивності та стійкості:

• Високі температури призводять до втрати чутливості або повного виходу з ладу традиційних матеріалів

• Швидкі теплові градієнти створюють артефакти вимірювання в піроелектричних матеріалах

• Середовища з високим рівнем вібрації призводять до механічного зносу та спотворення сигналу

• Підвищена швидкість полум’я вимагає розширення діапазону вимірювання та швидшої реакції

• Тривале вплив водню може призвести до втрати чутливості або крихкості стандартних чутливих елементів та матеріалів корпусу

• Конфігурації з нескінченними трубками та дистанційне зондування схильні до ослаблення сигналу або механічних проблем та проблем з конденсацією

• Потужні фільтри високих частот, що використовуються для подолання обмеженого внутрішнього опору та теплового впливу, відсікають цінну інформацію.

В результаті дані, що використовуються для розробки, моніторингу стану та систем прогнозного технічного обслуговування, стають ненадійними і обмежуються вужчим, ніж необхідно, діапазоном частот, що підриває оптимізацію продуктивності та зусилля з захисту активів.

ВИКЛИК ПІЕЗОЕЛЕКТРИЧНИХ ТЕХНОЛОГІЙ

Хоча п’єзоелектричні датчики часто є єдиним прийнятним рішенням для екстремальних умов, не всі п’єзоелектричні матеріали однаково ефективні в умовах згоряння водню:

• Кварц втрачає п’єзоелектричні властивості при високих температурах через фазовий перехід α-β

• П’єзокераміка страждає від ефекту «попкорну» (спонтанна деполяризація) і піроелектричних перешкод

• Турмалін виявляє сильні піроелектричні реакції, які заважають вимірюванню тиску

Ці обмеження створюють серйозні труднощі для точного вимірювання тиску у водневих системах, особливо під час перехідних процесів, таких як запуск і зміна навантаження.

На рисунку 1 показані різні режими роботи п’єзоелектричних елементів залежно від напрямку прикладеної сили (червона стрілка) та напрямків поляризації (позначені знаком «+» на відповідних гранях кристала). Залежно від застосування, використання поперечного або поздовжнього режиму дозволяє оптимізувати конструкцію датчиків тиску.

РІШЕННЯ PIEZOCRYST: ПРЯМЕ ВИМІРЮВАННЯ, ВИНЯТКОВА СТАБІЛЬНІСТЬ

З самого початку враховуючи потреби клієнтів у прямому вимірюванні, компанія Piezocryst розробила довговічні датчики для безперервного використання на футеровці камери згоряння в суворих умовах. Понад 20 років досвіду роботи в цій галузі зараз є дуже актуальними для систем спалювання водню.

Технологія прямого вимірювання Piezocryst фіксує високоточні сигнали тиску навіть у найсуворіших умовах, надаючи інженерам-термоакустикам точні дані, необхідні для проектування та експлуатації турбін нового покоління.

Переваги GaPO₄

В основі нашого рішення лежить фосфат галію (GaPO₄) — монокристалічний п’єзоелектричний матеріал, спеціально обраний для високотемпературних застосувань:

• обмеження кварцу: кварц втрачає п’єзоелектричні властивості за високих температур через фазовий перехід α–β;
• температурна стабільність: практично сталий п’єзоелектричний коефіцієнт (4,5 пКл/Н — удвічі вищий, ніж у кварцу) до 1800 °F (1000 °C);
• відсутність піроелектричного ефекту: жодних хибних сигналів під час температурних змін;
• відсутність фазових переходів: на відміну від кварцу, GaPO₄ зберігає стабільні характеристики без двійникування кристалу до 1800 °F (~1000 °C);
• стійкість до водню: підтверджена сумісність матеріалу з водневими середовищами.

Останні ресурсні випробування в екстремальних водневих умовах показали, що конструкція датчиків Piezocryst і кристалічна технологія на основі фосфату галію зберігають стабільну чутливість до тиску та опір ізоляції після кількох сотень годин впливу температури 932 °F (500 °C) у середовищі 100% водню.

Не зафіксовано жодної деградації характеристик, герметичності або функціональної цілісності конструкції.

Рисунок 2. Залежність п’єзоелектричної константи d11 кварцу та GaPO4 від температури. У той час як кварц втрачає свої п’єзоелектричні властивості вже при низьких температурах, GaPO4 практично не виявляє відхилень від кімнатної температури до 800 °C, що робить його ідеальним для застосування у високотемпературних умовах.

Підтверджена стійкість до водню в екстремальних умовах

У партнерстві з одним із замовників компанія Piezocryst піддала датчики CP515 безперервному випробуванню протягом 100 годин у середовищі 100% водню за температури 932 °F (500 °C) та тиску 3 бар.

Це жорстке ресурсне випробування, детально описане в інженерному звіті FM7487 (доступному за запитом через наших експертів), підтвердило такі результати:

• Чутливість до тиску: залишалася стабільною в діапазоні 6,48–6,55 пКл/psi (вище паспортного значення 6,21 пКл/psi) протягом усього 100-годинного тесту;
• Опір ізоляції: утримувався на рівні понад 1E+11 Ом, що значно перевищує мінімальну вимогу 1E+9 Ом, без жодних ознак діелектричного пробою;
• Механічна цілісність: руйнівний контроль (див. рис. 4) не виявив деградації зварних з’єднань, пошкоджень функціональних шарів або втрати герметичності після 100 годин роботи при 932 °F (500 °C) у середовищі H₂.

«Жодної деградації будь-якої функціональної частини внаслідок впливу водню не відбулося».
— д-р Александр Шріккер, керівник напряму розробки продуктів

Отримані результати ще раз підтверджують довготривалу надійність і сумісність із водневими середовищами конструкції датчиків Piezocryst на основі нікелевих сплавів і кристалів фосфату галію — забезпечуючи готову платформу для найвимогливіших застосувань у системах згоряння водню.

Передова конструкція кристалів

Компанія Piezocryst застосовує як поздовжні, так і поперечні кристалічні конфігурації для оптимізації характеристик під конкретні задачі:

• поздовжній режим (дискові елементи): максимальна стійкість до екстремальних тисків і вібрацій;
• поперечний режим (стрижневі елементи): підвищена чутливість завдяки оптимізованій геометрії;
• тривала стабільність калібрування: датчики Piezocryst зберігають точність значно довше, ніж традиційні конструкції;
• адаптовані до водню: підтверджена стійкість до водневої крихкості та екстремальних термічних циклів під час згоряння;
• готовність до моніторингу стану: висока довготривала стабільність даних забезпечує коректну роботу систем прогнозного технічного обслуговування та AI-моделей на основі надійних і відтворюваних вимірювань.

ПОГЛИБЛЕНІ ВИПРОБУВАННЯ ТА ВАЛІДАЦІЯ

Лазерна віброметрія

Застосовуючи високоточну лазерну віброметрію, ми можемо візуалізувати та аналізувати:

• режими коливань мембрани на різних частотах;
• резонанси кабельних збірок, які можуть впливати на роботу датчика;
• механічні взаємодії між окремими компонентами.

Це дозволяє оптимізувати конструкцію та мінімізувати резонансні ефекти, які можуть погіршувати якість вимірювань.

Випробування термічної перехресної чутливості

Завдяки жорстким протоколам термічних випробувань ми кількісно оцінюємо та знижуємо температурні впливи:

• систематичний вплив променистого тепла дає змогу визначити профілі термічної реакції;
• порівняльні випробування з іншими технологіями підтверджують вищу ефективність рішення;
• отримані результати слугують основою для розробки рішень із термічного захисту.

Рисунок 3. Сигнал, спричинений впливом променистого тепла, для різних датчиків тиску на основі монокристалічного фосфату галію (GaPO₄) та п’єзокераміки (зелений). Датчик на основі GaPO₄ (синій) демонструє суттєво нижчу реакцію на теплові градієнти (меншу термічну перехресну чутливість), яку можна додатково знизити шляхом застосування теплозахисного екрана (червона крива).

МІНІАТЮРИЗАЦІЯ ТА БАГАТОФУНКЦІОНАЛЬНІСТЬ

Компактні конструкції для обмеженого простору

Наші мініатюризовані датчики (діаметр до 5 мм з різьбами M5 або 10–32 UNF) забезпечують:

• Найвищу температурну стійкість на ринку;
• Інтеграцію в наявні штуцери та конструктивні елементи;
• Більшу гнучкість монтажу в умовах обмеженого простору;
• Менш інвазивні вимірювання, які не впливають на динаміку системи;
• Зменшену масу для чутливих до ваги застосувань.

Рисунок 4. Мініатюрний високотемпературний датчик тиску (серія Piezocryst CP5x1) з діаметром приблизно 5 мм (різьба M5 або 10–32 UNF).

БАГАТОФУНКЦІОНАЛЬНІСТЬ

Окремі датчики Piezocryst забезпечують одночасне вимірювання різних фізичних величин або надають додаткові функції:

• коливання тиску для моніторингу процесу згоряння;
• прискорення для аналізу вібрацій і контролю технічного стану системи;
• температура;
• запалювання;
• оптичний доступ;
• виявлення полум’я.

Така багатофункціональність зменшує складність системи, вимоги до монтажу та обсяги технічного обслуговування, водночас забезпечуючи більш повні та інформативні дані з однієї точки встановлення.

Досвід вирішення неможливого

У Piezocryst наша технологія не виникла на основі стандартних каталожних рішень. Вона еволюціонувала протягом десятиліть співпраці з клієнтами для подолання найскладніших викликів у галузі вимірювань у різних галузях промисловості — від аерокосмічної до енергетичної.

Кожен датчик Piezocryst втілює:

• Інженерні рішення для довгострокової надійності з метою виявлення найменших коливань тиску

• Стійкість до теплових градієнтів, які спричиняють дрейф інших датчиків

• Інноваційну модель, орієнтовану на клієнта, що гарантує готовність наших продуктів до наступного покоління процесів згоряння

ГОТОВІ ДО ВОДНЮ.
ГОТОВІ ДО МАЙБУТНЬОГО.

Водень висуває до датчиків підвищені вимоги — і Piezocryst їм відповідає.
Там, де традиційні вимірювання тиску дають збій, технологія прямого вимірювання Piezocryst працює впевнено, забезпечуючи високоточні дані, надійність і стабільність, необхідні для розширення меж продуктивності турбін, сталого розвитку та безпеки.

Подбайте про своє майбутнє з Piezocryst.

Вимірюйте з упевненістю. Працюйте з впевненістю.