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Authors
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Abstract(s)
In this work is presented an overview of the use of hydrogen in aviation, the
modifications needed to adapt an existing gas turbine to use hydrogen, and a CFD
simulation of an existing gas turbine burning this fuel. The CFD simulation was done in
a CFM56-3 combustor model burning hydrogen and Jet A (as a reference standard). It
was intended to evaluate the viability of conversion of existing gas turbines to hydrogen,
from a combustion point of view, by analyzing the emissions while burning this fuel
through ICAO's LTO cycle. The software ANSYS Fluent 2020R2 was used to perform the
numerical study and the viscous and radiation models used were the RSM and P-1,
respectively. Only the NOx emissions were assessed as pollutant once the hydrogen
combustion products are reduced to water vapor and NOx. These emissions were
evaluated through a detailed mechanism and the NOx model available on ANSYS Fluent
2020R2 to get a better agreement with the ICAO’s values. For this assessment, several
sensibility studies were also made for hydrogen burn to analyze the influence of some
parameters in the pollutant emissions, for example, the analysis of the airflow with or
without swirl effect in the primary zone and different inlet temperature and pressure for
fuel. In the end, it was concluded that theoretically the CFM56-3 combustor can be
converted to operate with hydrogen fuel with minor changes (related with the injection
system). However, the quantity of NOx produced for each power setting when burning
hydrogen is expected to be almost twice the values obtained for Jet A. Regarding the
sensibility tests, only the changes in the swirl effect and the fuel temperature produced
relevant changes in the results.
Neste trabalho é apresentada uma visão geral do uso do hidrogénio no setor aeronáutico, das modificações necessárias para adaptar uma turbina de gás existente para o uso de hidrogénio e uma simulação em CFD da queima deste combustível numa turbina de gás existente. O estudo em CFD foi feito num modelo de combustor de um CFM56-3 enquanto queimava hidrogénio e Jet A (como padrão de referência). Com isto pretendiase avaliar a viabilidade de conversão de turbinas de gás existentes para hidrogénio, do ponto de vista da combustão, através da análise das emissões durante a queima deste combustível através do ciclo LTO da ICAO. O software ANSYS Fluent 2020R2 foi utilizado para realizar o estudo numérico e os modelos viscosos e de radiação utilizados foram o RSM e o P-1, respetivamente. Somente as emissões de NOx foram avaliadas como poluentes, uma vez que os produtos de combustão do hidrogénio são reduzidos a vapor de água e NOx. Estas emissões foram avaliadas através de um mecanismo detalhado e do modelo de NOx disponível no ANSYS Fluent 2020R2, de modo a obter uma melhor concordância com os valores da ICAO. Para esta avaliação, também foram efetuados vários estudos de sensibilidade para analisar a influência de alguns parâmetros nas emissões de poluentes durante a queima de hidrogénio, como por exemplo, a análise do escoamento de ar com e sem efeito de swirl na zona primária e diferentes temperaturas e pressões de injeção do combustível. No final, concluiu-se que teoricamente o combustor do CFM56-3 pode ser convertido para operar com hidrogénio com pequenas alterações (relacionadas com sistema de injeção). No entanto, é expectável que a quantidade de NOx produzida para cada percentagem de acelerador ao queimar hidrogénio seja quase o dobro dos valores obtidos para o Jet A. Em relação aos testes de sensibilidade, apenas as alterações no efeito de swirl e na temperatura do combustível produziram mudanças relevantes nos resultados.
Neste trabalho é apresentada uma visão geral do uso do hidrogénio no setor aeronáutico, das modificações necessárias para adaptar uma turbina de gás existente para o uso de hidrogénio e uma simulação em CFD da queima deste combustível numa turbina de gás existente. O estudo em CFD foi feito num modelo de combustor de um CFM56-3 enquanto queimava hidrogénio e Jet A (como padrão de referência). Com isto pretendiase avaliar a viabilidade de conversão de turbinas de gás existentes para hidrogénio, do ponto de vista da combustão, através da análise das emissões durante a queima deste combustível através do ciclo LTO da ICAO. O software ANSYS Fluent 2020R2 foi utilizado para realizar o estudo numérico e os modelos viscosos e de radiação utilizados foram o RSM e o P-1, respetivamente. Somente as emissões de NOx foram avaliadas como poluentes, uma vez que os produtos de combustão do hidrogénio são reduzidos a vapor de água e NOx. Estas emissões foram avaliadas através de um mecanismo detalhado e do modelo de NOx disponível no ANSYS Fluent 2020R2, de modo a obter uma melhor concordância com os valores da ICAO. Para esta avaliação, também foram efetuados vários estudos de sensibilidade para analisar a influência de alguns parâmetros nas emissões de poluentes durante a queima de hidrogénio, como por exemplo, a análise do escoamento de ar com e sem efeito de swirl na zona primária e diferentes temperaturas e pressões de injeção do combustível. No final, concluiu-se que teoricamente o combustor do CFM56-3 pode ser convertido para operar com hidrogénio com pequenas alterações (relacionadas com sistema de injeção). No entanto, é expectável que a quantidade de NOx produzida para cada percentagem de acelerador ao queimar hidrogénio seja quase o dobro dos valores obtidos para o Jet A. Em relação aos testes de sensibilidade, apenas as alterações no efeito de swirl e na temperatura do combustível produziram mudanças relevantes nos resultados.
Description
Keywords
Camara de Combustão Cfm56-3 Combustível de Aviação Emissões de Poluentes Hidrogénio