Antriebskonzepterstellung für Wasserstoffflugzeuge und Simulation einer Einspritzdüse für Wasserstoffturbinen

Abstract

Wasserstoff ist als Energieträger und -speicher mit einer großen Wahrscheinlichkeit Bestandteil der Bewältigung der im 21ten Jahrhundert vorherrschenden Energiekrise. Er wird nicht die universale Lösung für alle Probleme sein, jedoch kann er uns dabei helfen ein Energiewesen zu schaffen, das die Umwelt nur möglichst gering beeinflusst. Aufgrund seiner guten Verbrennungseigenschaften ist er auch eine attraktive Lösung für den Transportsektor. Sowohl Landfahrzeuge, Marinefahrzeuge aber auch Luftfahrzeuge können Wasserstoff als Treibstoff nutzen. Dadurch sind Antriebe mit nahezu keinen Emissionen möglich.Die Untersuchung einer PC-21 von Pilatus auf den Betrieb mit Wasserstoff und alternativen Speichermöglichkeiten, sowie die Simulation einer Einspritzdüse in eine Wasserstoffturbine sind Bestandteil dieser Arbeit. Es wird anhand von Informationen der Firma Pilatus ein alternatives Antriebskonzept mittels Wasserstoffturbine vorgeschlagen. Weiters kommt es zu einer Überprüfung und einer virtuellen Nachstellung (Simulation) der in [1] genannten Versuche und Ergebnisse.Die Methodik der Arbeit umfasst sowohl eine Literaturrecherche bezüglich der Integration eines alternativen Antriebkonzeptes für die PC-21 als auch eine Simulation mit Aufzeichnung der relevanten Daten der Untersuchung einer Einspritzdüse für eine Wasserstoffturbine.Das alternative Antriebskonzept schlägt eine kombinierte Speicherung mittels Flüssigwasserstoffspeicherung und Materialspeicherung mit dem Trägermedium Magnesium vor. Dadurch lässt sich der mitgeführte Wasserstoff in einem Kleinflugzeug maximieren. Weiters wurde aufgezeigt, dass die Umstellung des Treibstoffes auf Wasserstoff zu Flugdauerverlusten von mehr als 50% führen kann. Jedoch sind diese Aussagen sehr abhängig von dem Betriebspunkt, in dem die Turbine verwendet wird.In der Simulation wurde ein Betriebspunkt aus [1] gewählt und das Betriebsverhalten um diesen Punkt untersucht. Es wurden sechs Simulationen durchgeführt wovon auf drei näher eingegangen wird. Anhand der Ergebnisse wird gezeigt, dass durch höhere Eintrittstemperaturen auch die Strömungsgeschwindigkeiten und folglich auch die Druckverluste ansteigen. Bei der Simulation wurden auch Betriebsverhalten untersucht, welche in [1] wegen hoher Verbrennungstemperatur vermieden worden sind.

Hydrogen, as an energy carrier and storage medium, is very likely to be part of the solution to the energy crisis prevailing in the 21st century. It will not be the universal answer to all problems, but it can help us create an energy entity that has minimal impact on the environment. Due to its good combustion characteristics, it is also an attractive solution for the transportation sector. Land vehicles, marine vehicles but also aircraft can use hydrogen as a fuel. This makes transportation with nearly no emissions possible.The investigation of a Pilatus PC-21 for operation with hydrogen and alternative storage possibilities, as well as the simulation of an injection nozzle into a hydrogen turbine are part of this work. Based on information from Pilatus an alternative propulsion concept using a hydrogen turbine is proposed. Furthermore, the tests and results mentioned in [1] are verified and virtually simulated.The methodology of the work includes both literature research concerning the integration of an alternative propulsion concept for the PC-21 and a simulation with recording of the relevant data of the investigation of an injection nozzle for a hydrogen turbine.The alternative propulsion concept proposes combined storage using liquid hydrogen storage and material storage with magnesium as the carrier medium. This allows the hydrogen carried in a small aircraft to be maximized. Furthermore, it was shown that switching the fuel to hydrogen can lead to flight time losses of more than 50%. However, these statements are very dependent on the operating point at which the turbine is used.In the simulation, an operating point from [1] was chosen and the operating behavior around this point was investigated. Six simulations were performed, three of which will be discussed in more detail. It was confirmed that higher inlet temperatures also increase flow velocities and consequently pressure losses. The simulation also investigated operating behaviors that were avoided in [1] due to high combustion temperatures.