Simulación de Rendimiento Dinámico 0-D de un Motor Turboshaft Alimentado por Hidrógeno
Autores: Magnani, Mattia; Silvagni, Giacomo; Ravaglioli, Vittorio; Ponti, Fabrizio
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2024
Acceso abierto
Artículo científico
2024
Simulación de Rendimiento Dinámico 0-D de un Motor Turboshaft Alimentado por Hidrógeno
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Aeroespacial
Palabras clave
Contaminación
Hidrógeno
Motores de turbina
Evaluación del rendimiento
Consumo de combustible
Eficiencia térmica
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 16
Citaciones: Sin citaciones
En las últimas décadas, el problema de la contaminación resultante de las actividades humanas ha impulsado la investigación hacia soluciones de carbono cero o neto cero para el transporte. El objetivo principal de este documento es realizar una evaluación preliminar del rendimiento del uso de hidrógeno en motores de turbina convencionales para aplicaciones aeronáuticas. Se diseñó y validó un modelo dinámico 0-D del motor turboshaft Allison 250 C-18 utilizando combustible de aviación convencional (queroseno Jet A-1). Se llevó a cabo una campaña experimental dedicada que abarcó todo el rango operativo del motor para obtener los datos termodinámicos de los principales componentes del motor: el compresor, los conductos laterales, la cámara de combustión, las turbinas de alta y baja presión, y la boquilla de escape. Se utilizó un modelo teórico de combustión química basado en la base de datos NASA-CEA para tener en cuenta el proceso de conversión de energía en el quemador y obtener retroalimentación cuantitativa del modelo en términos de consumo de combustible. Una vez caracterizados el motor y la turbomaquinaria del motor, el trabajo se centró en diseñar un modelo dinámico 0-D del motor basado en las características del motor y los datos experimentales utilizando el entorno MATLAB/Simulink, que es capaz de replicar el comportamiento real del motor. Luego, el modelo dinámico 0-D fue validado por los datos adquiridos y se utilizó para predecir el rendimiento del motor con un perfil de acelerador diferente (cercano a los perfiles de solicitud realistas durante el vuelo). Finalmente, el modelo dinámico 0-D del motor se utilizó para predecir el rendimiento del motor utilizando hidrógeno como entrada del modelo teórico de combustión. Se compararon los resultados de las simulaciones que ejecutaban queroseno convencional Jet A-1 e hidrógeno utilizando diferentes perfiles de acelerador, mostrando hasta un 64% de reducción en la tasa de flujo de masa de combustible y un aumento del 3% en la eficiencia térmica utilizando hidrógeno en condiciones similares a las de vuelo. Los resultados confirman el potencial del hidrógeno como un combustible alternativo adecuado para pequeños motores de turbina y aeronaves.
Descripción
En las últimas décadas, el problema de la contaminación resultante de las actividades humanas ha impulsado la investigación hacia soluciones de carbono cero o neto cero para el transporte. El objetivo principal de este documento es realizar una evaluación preliminar del rendimiento del uso de hidrógeno en motores de turbina convencionales para aplicaciones aeronáuticas. Se diseñó y validó un modelo dinámico 0-D del motor turboshaft Allison 250 C-18 utilizando combustible de aviación convencional (queroseno Jet A-1). Se llevó a cabo una campaña experimental dedicada que abarcó todo el rango operativo del motor para obtener los datos termodinámicos de los principales componentes del motor: el compresor, los conductos laterales, la cámara de combustión, las turbinas de alta y baja presión, y la boquilla de escape. Se utilizó un modelo teórico de combustión química basado en la base de datos NASA-CEA para tener en cuenta el proceso de conversión de energía en el quemador y obtener retroalimentación cuantitativa del modelo en términos de consumo de combustible. Una vez caracterizados el motor y la turbomaquinaria del motor, el trabajo se centró en diseñar un modelo dinámico 0-D del motor basado en las características del motor y los datos experimentales utilizando el entorno MATLAB/Simulink, que es capaz de replicar el comportamiento real del motor. Luego, el modelo dinámico 0-D fue validado por los datos adquiridos y se utilizó para predecir el rendimiento del motor con un perfil de acelerador diferente (cercano a los perfiles de solicitud realistas durante el vuelo). Finalmente, el modelo dinámico 0-D del motor se utilizó para predecir el rendimiento del motor utilizando hidrógeno como entrada del modelo teórico de combustión. Se compararon los resultados de las simulaciones que ejecutaban queroseno convencional Jet A-1 e hidrógeno utilizando diferentes perfiles de acelerador, mostrando hasta un 64% de reducción en la tasa de flujo de masa de combustible y un aumento del 3% en la eficiencia térmica utilizando hidrógeno en condiciones similares a las de vuelo. Los resultados confirman el potencial del hidrógeno como un combustible alternativo adecuado para pequeños motores de turbina y aeronaves.