A proposal of a hydrogen injection system in to a miniature turbojet engine

• Autorzy: Prokopowicz Wojciech , Frąckowiak Andrzej

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0016.3240

Warianty tytułu

PL

Propozycja układu wtrysku wodoru w miniaturowym silniku turboodrzutowym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The solution proposed in this article, based on direct injection of hydrogen into the combustion chamber, offers many benefits, including a better volumetric efficiency, complete combustion (avoidance of premature ignition and backfire) and significant benefits in terms of power density when compared to engines, in which hydrogen is injected into the air inlet duct. The article discusses advantages and disadvantages of systems responsible for injecting hydrogen into the combustion chamber based on the operational phases of the GTM 400 engine developed by the JET-POL Company. The use of an electronic controller combined with an injector placed in an appropriate place inside the combustion chamber allow for the mentioned engine to be modified this way to optimize its power, performance and emissions. The article discusses matters related to challenges faced by materials used to make components of hydrogen injectors as well as research on the topic in question with the use of diesel engines. The article considers the impact of a low mass density and hydrogen energy, high speed of sound and low thickness on the injection system and components of a miniature turbojet engine. Physical attributes shaped by hydrogen fuel directly affect the size of components, selection of materials and tribology of turbojet engines. The authors suggest that the solutions used in the research on the GTM 400 engine can be used in the future to build hydrogen systems (hydrogen injection, storage and distribution) for fullscale passenger aircraft jet engines.

PL

Opracowanie odpowiednich systemów wtryskowych do miniaturowych silników odrzutowych dedykowanych do paliwa wodorowego może zaowocować opracowaniem urządzeń wykorzystywanych w układach generacji energii elektrycznej w infrastrukturze krytycznej. Zaproponowane w artykule rozwiązanie bazujące na bezpośrednim wtrysku wodoru do komory spalania zapewnia wiele korzyści, w tym lepszą sprawność objętościową, pełne spalanie (unikanie przedwczesnego zapłonu i wstecznego zapłonu) oraz znaczne korzyści w zakresie gęstości mocy w porównaniu z silnikami z wtryskiem wodoru do kanału powietrza dolotowego. W artykule omówiono wady i zalety systemów dostarczania wodoru do komory spalania w zależności od faz pracy miniaturowego silnika GTM 400 firmy JET-POL. Zastosowanie elektronicznego sterownika w powiązaniu z wtryskiwaczem ulokowanym w odpowiedniej lokalizacji komory spalania pozwala na taką modyfikację wspomnianego silnika, aby zoptymalizować jego moc, wydajność i emisyjność. W artykule poruszono zagadnienia związane z wyzwaniami dla materiałów stosowanych na podzespoły do budowy wtryskiwaczy wodoru, a także prowadzone w tym zakresie badania na bazie silników diesla. Podjęta w treści dyskusja dotyczy wpływu niskiej gęstości masy i energii wodoru, wysokiej prędkości dźwięku i niskiej lepkości na system wtrysku i podzespoły miniaturowego silnika odrzutowego. Atrybuty fizyczne determinowane przez paliwo wodorowe bezpośrednio wpływają na rozmiar komponentów, dobór materiałów i trybologię silników odrzutowych. Autorzy sugerują, że rozwiązania zastosowane w toku badań nad silnikiem GTM 400 mogą posłużyć w przyszłości do budowy systemów wodorowych (systemy wtrysku, magazynowania i dystrybucji wodoru) dedykowanych pełnowymiarowym silnikom samolotów pasażerskich.

Słowa kluczowe

EN

hydrogen; miniature engine; turbojet engine; hydrogen injection; injection system

PL

wodór; silnik miniaturowy; silnik odrzutowy; system wtrysku; wtrysk wodoru

• Wydawca: Wydawnictwo Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych
• Czasopismo: Journal of KONBiN
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 53, iss. 1
• Strony: 79--93
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Prokopowicz Wojciech

• Inspectorate of Armed Forces Support (Inspektorat Wsparcia Sił Zbrojnych)

• https://orcid.org/0000-0002-8424-5181

autor

Frąckowiak Andrzej

• Poznan Univercity of Technology (Politechnika Poznańska)

• https://orcid.org/0000-0003-3416-4735

Bibliografia

• 1. Chmielewski M., Gieras M.: Small gas turbine GTM-120 bench testing with emission measurements, Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 22, No. 1, 2015.
• 2. Dodge L., Naegeli D.: Hydrogen-air mixing evaluation in reciprocating engines Southwest Research Institute San Antonio, Texas, National Renewable Energy Laboratory, 1994.
• 3. Fehrm B.: Gas Turbine Propulsion, Leeham News 2022, (accessed: 2022.05.06).
• 4. HyICE Optimization of the Hydrogen Internal Combustion Engine, Summary of an Integrated Project in the 6th Framework Programme of the European Commission, February 2007, https://ec.europa.eu (accessed: 2023.01.22).
• 5. Łukowski D.: Analiza możliwości adaptacji w Siłach Zbrojnych metod optymalizacji zużycia energii cywilnej infrastruktury lotniczej z zastosowaniem modelu regresyjnego, Nauka dla Obronności i Środowiska, Poznań 2021.
• 6. National Research Council of The National Acadamies, “Review of the Research Program of the FreedomCAR and Fuel Partnership – First Report”, The National Academies Press, 2005.
• 7. Palmer W., Hydrogen Takes Flight: Airbus And CFM International To Partner On Hydrogen-Fueled Demonstration, 2022, (accessed: 2023.01.16).
• 8. Prokopowicz W.: New approach to detection of cracks in composite materials using hybrid non–destructive testing method, Journal of Mechanical and Transport Engineering, Poznan 2016.
• 9. Suchocki T., Lampart P., Klonowicz P.: Numerical investigation of a GTM-140 turbojet engine, Open Engineering, November 2015.
• 10. Tang X., Kabat D. M., Natkin R. J., Stockhausen W. F., Heffel J.: Ford P2000 Hydrogen Engine Dynamometer Development, SAE 2002-01-0242, 2002.
• 11. Welch A., Mumford D., Munshi S.: Challenges in Developing Hydrogen Direct Injection Technology for Internal Combustion Engines, Westport Innovations Inc., SAE International technical papers.
• 12. Wimmer A., Wallner T.: Graz University of Technology; Jurgen Ringler, Falk Gerbig, “H2 Direct Injection – A Highly Promising Concept”, SAE 2005-01-0108, 2005.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).