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

The aviation industry is committed to decarbonization. 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 foreseeable 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 aimsto develop a novel enginearchitecture 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 kerosene-fueled legacy engines. The end goal of this proposed project is to have a proof-of-concept combustor demonstrator that pre-heats low-temperature H2, needs little or no additional cooling air, and can combustor H2 cleanly and efficiently by taking advantages of new additive manufacturing capabilities both in high-temperature superalloys and ceramic.

L’industrie de l’aviation s’est engagée à décarboner ses actifs. Parmi les options envisagées, l’hydrogène (H2) semble très prometteur pour les avions de ligne de longue portée. Dans le portefeuille des technologies de l’hydrogène, les piles à combustible à H2 pourraient ne pas répondre aux exigences de densité de puissance pour les applications longue distance dans un avenir prévisible, ce qui laisse les turbines à gaz alimentées au H2 comme seule voie technique viable. Le H2 en tant que carburant aéronautique est fondamentalement différent des carburants à base de kérosène et offre de nouvelles possibilités intéressantes : il est stable aux températures élevées des composants du circuit des gaz chauds du moteur (chemises de chambre de combustion et aubes de turbine). De plus, l’hydrogène doit être stocké sous forme de liquide cryogénique ou de gaz cryocompressé. Le processus endothermique de vaporisation ou de préchauffage de l’hydrogène à partir de son état de stockage peut parfaitement répondre aux exigences de refroidissement des moteurs aéronautiques. Afin de tirer pleinement parti de ce nouveau carburant, cette collaboration s’attaquera à développer une architecture de moteur novatrice dans laquelle l’hydrogène est aussi utilisé comme liquide de refroidissement, ce qui élimine le poids supplémentaire et les besoins énergétiques des vaporisateurs ou des échangeurs de chaleur multiples nécessaires au préconditionnement du carburant. Parallèlement, la nécessité de détourner l’air de refoulement du compresseur pour le refroidissement peut être considérablement réduite, voire totalement éliminée, ce qui se traduit par une amélioration de 10 % à 15 % du rendement du moteur par rapport aux moteurs traditionnels alimentés au kérosène. L’objectif final de ce projet est d’obtenir un démonstrateur de chambre de combustion qui préchauffe l’hydrogène à basse température, qui ne nécessite que peu ou pas d’air de refroidissement supplémentaire et qui peut brûler l’hydrogène de manière propre et efficace en tirant parti des nouvelles capacités de fabrication additive dans la céramique et dans les superalliages à 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 ».