Grant: Collaborative Science, Technology and Innovation Program – Ideation Fund

The aviation industry is committed to decarbonisation. Among the options, hydrogen (H2) holds great promise for long-haul airliners. Within the H2 portfolio, H2 fuel cells may not meet the power-density requirements for longhaul applications in the near future, which leaves H2-fueled gas turbines as the one viable technical pathway. H2 as an aviation fuel is fundamentally different from kerosene-based jet fuels and brings great new potentials: it is stable at the elevated temperatures of engine hot-gas path components (combustor liners and turbine blades). In addition, H2 needs to be stored either as a cryogenic liquid or as a cryocompressed gas. The endothermic process of vaporizing or pre-warming H2 from its storage states can be perfectly matched with demanding cooling requirements of aero-engines. To take full advantage of the new fuel, this collaboration plans to develop a novel engine architecture where H2 is also used as engine coolant that eliminates the extra weight and energy requirements of vaporizers and/or multiple heat exchangers for pre-conditioning the fuel. Meanwhile, the need for diverting compressor discharge air for cooling can be greatly reduced or fully eliminated, resulting in 10-15% engine efficiency improvements over kerosenefueled legacy engines. The end goal of this undertaking is to have a proof-ofconcept combustor demonstrator that pre-heats low-temperature H2, needs little or no additional cooling air, and can combust H2 cleanly and efficiently by taking advantages of new additive manufacturing capabilities in both high-temperature superalloys and ceramics.

L’industrie aéronautique s’engage dans la décarbonation et l’hydrogène (H2) apparaît comme une solution prometteuse pour les vols long‑courriers. Dans ce contexte, les piles à combustible H2 risquent de ne pas atteindre à court terme les densités de puissance nécessaires pour ces applications, laissant les turbines à gaz alimentées à l’hydrogène comme voie technique réaliste. L’utilisation de l’H2 diffère fondamentalement des carburéacteurs à base de kérosène et ouvre des opportunités nouvelles : l’hydrogène reste stable aux températures élevées rencontrées dans les composants des circuits de gaz chauds (chemises de chambre de combustion, aubes de turbine) et doit être stocké sous forme cryogénique liquide ou gazeuse comprimée. Le refroidissement endothermique requis pour vaporiser ou préchauffer l’hydrogène depuis son état de stockage s’accorde naturellement avec les besoins thermiques des moteurs aéronautiques. Pour exploiter pleinement ce potentiel, cette collaboration propose de concevoir une architecture de moteur innovante où l’hydrogène sert également de fluide frigorigène, supprimant ainsi le poids et la consommation énergétique liés aux vaporisateurs et aux nombreux échangeurs de chaleur de préconditionnement. De plus, le recours à l’air détourné du compresseur pour le refroidissement pourrait être fortement réduit, voire éliminé, ce qui permettrait d’améliorer le rendement moteur de l’ordre de 10-15 % par rapport aux turbomachines traditionnelles au kérosène. L’objectif final est de réaliser un démonstrateur de chambre de combustion capable de préchauffer l’hydrogène à basse température, de minimiser l’usage d’air de refroidissement supplémentaire et de brûler l’hydrogène proprement et efficacement, en tirant parti des possibilités offertes par la fabrication additive appliquée aux superalliages et aux céramiques haute température.

In the short term, anticipated outcomes will be strengthened collaborations across industry, academia, and government to support research excellence. In the medium term, anticipated outcomes will be the development of new and potentially disruptive technologies with collaborators. In the long term, find collaborative solutions to public policy challenges and create stronger innovation systems.

À court terme, les résultats prévus seront des collaborations renforcées entre l'industrie, le milieu universitaire et le gouvernement pour soutenir l'excellence en recherche. À moyen terme, les résultats attendus seront le développement de nouvelles technologies potentiellement perturbatrices avec des collaborateurs. À long terme, trouver des solutions collaboratives aux défis des politiques publiques et créer des systèmes d'innovation plus solides.

The Ideation Fund is intended to encourage, test and validate transformative research ideas generated by teams of NRC scientific personnel and external collaborators with complementary capabilities, acting as a demonstration phase for a continually-evolving suite of research and development (R&D) deliverables at the NRC. The fund supports exploratory research through two mechanisms: the New Beginnings Initiative and the Small Teams Initiative.

Le Fonds d’idéation vise à encourager, à mettre à l’essai et à valider les idées de recherche transformatrice des équipes scientifiques du CNRC et des collaborateurs externes dotés de capacités complémentaires. Il servira ainsi de plateforme de démonstration d’une série de produits livrables en matière de recherche-développement (R-D) en constante évolution au CNRC. Le Fonds appuie la recherche exploratoire au moyen de deux mécanismes : l’Initiative « Nouveaux débuts » et l’Initiative « Petites équipes ».