Enhancing Gas Turbine Simulation for Hydrogen-Powered Aircraft

The expansion of global civil aviation and its significant carbon footprint necessitate innovative solutions aligned with environmental goals. Hydrogen, in conjunction with popular jet engine, emerges as an excellent candidate for achieving carbon-neutral flights, leveraging proven technology and potential performance improvements. Within the context of the European EFACA (Environmentally Friendly Aviation for All Classes of Aircraft) project, this research comprehensively analyzes a liquid hydrogen power system using a proprietary computer code from Politecnico di Milano. Software enhancements were implemented to model air intake and separated/mixed-exhaust nozzles, enabling the evaluation of aircraft engine performance. Subsequently, the design and simulation of novel plant solutions were conducted to exploit the cooling potential of liquid hydrogen, resulting in a 4% improvement in thrust-specific energy consumption during the transition from conventional jet fuel. The findings suggest potential future developments, emphasizing the need for further exploration of the benefits of these systems while simultaneously facing challenges related to storage, combustion, and hydrogen production, which currently constrain their techno-economic feasibility. This research contributes to ongoing efforts for environmentally friendly aviation solutions, aligning with the Net Zero Emissions by 2050 Scenario.

L’espansione dell’aviazione civile globale e l’importante impatto ambientale legato alle emissioni di carbonio richiedono soluzioni innovative in linea con gli obiettivi ambientali. L’idrogeno, in sinergia con i già diffusi motori a getto, si presenta come un eccellente candidato per realizzare voli a zero emissioni di carbonio, sfruttando una tecnologia consolidata e potenziali miglioramenti delle prestazioni. Nel contesto del progetto europeo EFACA (Environmentally Friendly Aviation for All Classes of Aircraft), questa ricerca analizza in modo approfondito un sistema di alimentazione a idrogeno liquido utilizzando un codice informatico proprietario del Politecnico di Milano. Sono stati apportati miglioramenti al software per modellare l’aspirazione dell’aria e gli ugelli a flusso separato e misto, consentendo la valutazione delle prestazioni del motore aereo. Successivamente, è stata condotta la progettazione e la simulazione di nuove soluzioni impiantistiche per sfruttare il potenziale di raffreddamento dell’idrogeno liquido, ottenendo un miglioramento del 4% nel consumo di energia specifico alla spinta durante la transizione dal carburante convenzionale jetfuel. I risultati indicano possibili sviluppi futuri, mettendo in luce la necessità di approfondire ulteriormente i benefici di tali sistemi e, contemporaneamente, di affrontare le sfide legate a stoccaggio, combustione e produzione dell’idrogeno, che attualmente limitano la loro fattibilità tecnico-economica. Questa ricerca contribuisce agli attuali sforzi nella ricerca di soluzioni di aviazione eco-sostenibili, allineandosi con l’obiettivo di raggiungere la neutralità carbonica entro il 2050.