Question:
Quelqu'un at-il brûlé de l'hydrogène dans une turbine?
Skyhawg
2020-01-21 23:38:09 UTC
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Je me demande simplement si fournir de l'hydrogène comprimé à une turbine serait un meilleur carburant car il a trois fois l'indice d'octane du kérosène. Cela semble mieux partout.

Connexes: [Existe-t-il des programmes pour construire un avion à hydrogène?] (// aviation.stackexchange.com/q/18809)
«Ça semble juste mieux partout. Je pense que les réservoirs pressurisés pour contenir suffisamment d'hydrogène seraient vraiment un facteur de ne pas l'utiliser.
De nombreux moteurs d'avion ont des variantes commerciales, et parfois ils seront configurés pour fonctionner selon ce qui leur convient. GE fabrique une version du CF-34 qui fonctionne au gaz naturel et est largement utilisée comme pompe de pipeline.
L'indice d'octane est-il même un facteur dans les turbines? Je ne pense pas, car c'est une mesure de la rapidité avec laquelle un carburant détonne ("cognement") lorsqu'il est comprimé dans un moteur à piston. Étant donné que de nombreuses turbines de production d'électricité fonctionnent au gaz naturel, le seul obstacle à l'utilisation de l'hydrogène semble être le coût.
@jamesqf n'est pas non plus un facteur avec l'hydrogène, car l'hydrogène ne contient aucun octane et donc son "indice d'octane" est de 0 par définition (l'indice d'octane étant dérivé du pourcentage d'octane dans le carburant historiquement, bien que les formules aient changé un peu au fil du temps pour tenir compte de différents additifs).
@jwenting Ce n'est pas vrai, l'indice d'octane peut également être défini pour l'hydrogène puisque les [méthodes de mesure] modernes (https://en.wikipedia.org/wiki/Octane_rating#Measurement_methods) sont indépendantes de la teneur réelle en octane. Selon Wikipedia, l'hydrogène a un RON> 130.
@Bianfable donc la définition de «l'indice d'octane» a changé au fil du temps de sa signification originale d'être le pourcentage d'octane dans le carburant, comme je l'ai postulé. Selon la définition originale, l'hydrogène (ou le méthane aussi par exemple) aurait un indice d'octane de 0 car il contient 0% d'octane. C'est de cela que vient le nom de l'indice d'octane.
@jamesqf Étant donné que la source d'hydrogène est du gaz naturel, il serait en quelque sorte inutile d'utiliser de l'hydrogène au lieu du gaz naturel, oui.
@jwenting Je ne suis pas au courant que l'indice d'octane _ever_ signifiait la proportion d'octane dans le carburant (je suppose qu'il pourrait y avoir eu des variations dans différents pays?). Avez-vous des références au contraire? Le nom vient simplement du fait que (une espèce particulière de) octane est la référence des conditions dans lesquelles le carburant s'enflamme automatiquement.
OK les gars, j'ai édité ma réponse. -NN
@jwenting à aucun moment l'indice d'octane n'a fait référence au pourcentage d'octane dans le carburant lui-même. Les tout premiers tests standardisés pour celui-ci, utilisaient ce nombre pour désigner le pourcentage d'octane dans un mélange * de référence * d'iso-octane et de n-heptane qui commençait à cogner au même taux de compression que le carburant testé. La quantité réelle d'octane dans le carburant testé n'était pas pertinente. Voir ici pour l'historique des tests d'octane: https://tandfonline.com/doi/abs/10.1080/17581206.2016.1223940?src=recsys&journalCode=yhet20
@Luaan: Le gaz naturel n'est pas la seule source possible d'hydrogène, bien qu'il puisse être (ou pas - je ne sais pas vraiment) la source de la plupart de l'hydrogène commercial. Vous pouvez, comme vous l'avez peut-être appris en chimie au lycée, le produire par électrolyse de l'eau, ou par de nombreuses autres réactions.
L'indice d'octane @jwenting: ne signifie pas que le carburant contient de l'octane, il mesure simplement la capacité à résister aux chocs par rapport à l'octane pur, dont l'indice est arbitrairement fixé à 100. Ainsi, par exemple, l'éthanol, qui ne contient pas du tout d'octane, a un indice d'octane de ~ 113, le gaz naturel est d'environ 130, etc.
Le "cognement" se produit-il réellement dans une turbine comme dans un moteur à piston?
Je supposais qu'un débit constant de carburant dans une chambre de mélange était juste une combustion régulière, est-ce que "cogner" se produit réellement dans une turbine comme dans un moteur à piston. Je pensais que c'était une combustion constante dans une seule chambre par rapport à plusieurs cylindres et donc pas de coup mais avec une cote de «puissance» 3 fois plus élevée que celle des combustibles fossiles ...
Oh oui! Les moteurs principaux de la navette spatiale étaient précédés d'une turbine à «cycle de remplissage» fonctionnant aux carburants LH et LOX du moteur principal.
@Skyhawg Je pense que vous pourriez être intéressé par [cette vidéo sur l'histoire et l'avenir des avions à hydrogène] (https://www.youtube.com/watch?v=imhla4eovcg). Je pense que cela répond à votre question et fournit un contexte supplémentaire.
Vous pourriez également être intéressé par le [Pulse Detonation Engine] (https://en.wikipedia.org/wiki/Pulse_detonation_engine) qui utilise l'hydrogène et l'oxygène comme carburant.
Cinq réponses:
Peter Kämpf
2020-01-22 02:09:29 UTC
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Oui, en effet, le projet de construire un avion à réaction à hydrogène a jeté les bases de l ' utilisation de l'hydrogène dans les fusées Centaur et les étages supérieurs du Saturne 5. Alors que l'hydrogène n'était utilisé que à titre expérimental dans les bancs d'essai, l'Union soviétique a construit un dérivé d'un avion de ligne régulier, le Tupolev 155, pour tester l'hydrogène et gaz naturel en vol.

EDIT: NACA a également fait des tests en vol. Veuillez consulter la réponse de @ jayhendren pour plus de détails.

Alors oui, le Tu-155 a effectivement volé à plusieurs reprises avec un turboréacteur à hydrogène. Alors que les moteurs gauche et central sont restés NK-8, le moteur droit a été remplacé par un NK-88 adapté au GNL et à l'hydrogène. D'autres projets comme celui d'un avion de ligne supersonique à hydrogène ont malheureusement pris fin avec l'Union soviétique elle-même.

Tu-155 Cutaway view

Tu-155 Vue en coupe (image source)

L'hydrogène est également le principal propulseur des statoréacteurs hypersoniques, mais ce ne sont pas des turbines.

L'hydrogène a un grand rapport de mélange avec l'air où il brûlera. De plus, étant gazeux, il se mélange beaucoup plus rapidement avec l'air, de sorte que la chambre de combustion peut être petite. Lorsqu'un J-57 converti a été testé à l'hydrogène en 1957,

Les ingénieurs de test ont été agréablement surpris par la facilité de fonctionnement du moteur. Ils l'ont fait fonctionner à pleine puissance et ont ralenti si loin que le ventilateur d'air tournait si lentement que les pales individuelles pouvaient être comptées. Dans cette dernière condition, la manette des gaz pourrait être ouverte et le moteur accélérerait rapidement et en douceur à pleine puissance. Ils ont constaté que la distribution de température était bonne et qu'il n'y avait pas de problème majeur.

Mais Niels a raison - sa faible densité rend l'hydrogène problématique. Comme Alexis W. Lemmon, Jr., l'a rapporté en mai 1945 dans son rapport sur d'éventuels carburants à réaction (extrait de history.nasa.gov):

"Bien que le système hydrogène liquide-oxygène liquide ait de loin les performances d'impulsion spécifiques les plus élevées de tous les systèmes considérés dans ce rapport, la faible densité moyenne des composants du carburant élimine presque complètement ce système de toutes les applications, sauf très mineures."

Merci .... Je pensais que le gaz comprimé était similaire à la solution des constructeurs automobiles .... Deux réservoirs de 60 litres chacun ... Est un poids total de 55 kg
Le Tu-155 n'avait qu'un seul moteur (n ° 3) fonctionnant au LH / GNL, il ne s'agissait donc que d'un (a) turboréacteur à hydrogène.
Airbus et Boeing prévoyaient également des avions de ligne expérimentaux propulsés à l'hydrogène, mais AFAIK n'a même jamais construit de prototype, car ce serait totalement impraticable car les réservoirs d'hydrogène auraient occupé toute la cabine passagers et la soute.
@Zeus: Je ne savais pas ce fait, mais il s'avère que vous avez raison. Corrigée.
@Skyhawg La faible densité prend déjà en compte la compression. Le GPL n'est pas du gaz comprimé - il est liquéfié (c'est même dans le nom - gaz de pétrole liquéfié). Il en va de même pour les réservoirs oxygène-hydrogène des fusées. Les liquides ne peuvent pas être beaucoup comprimés. La densité de l'hydrogène liquide n'est que de 70 g / L - un kilogramme d'hydrogène liquide nécessite un réservoir de 14 litres. Et en plus de cela, il est beaucoup plus facile de liquéfier le gaz naturel et de le conserver ainsi.
@Luann Ils parlent de gaz naturel liquéfié (GNL), pas de gaz de pétrole liquéfié (GPL). Le premier est liquéfié cryogéniquement tandis que le second, constitué principalement de propane et d'autres hydrocarbures à chaîne courte, se liquéfie sans traitement cryogénique. Chaque fois que vous avez affaire à des liquides cryogéniques, les réservoirs, les conduites, les raccords, etc. deviennent plus compliqués.
Je ne pensais pas au GNL ni au GPL, juste au H sous forme gazeuse comprimée. L'hydrogène est l'hydrogène, le numéro un du tableau périodique, la molécule la plus abondante de l'univers.
@Skyhawg Lorsque les gens utilisent l'hydrogène comme carburant, ils n'utilisent pas la forme gazeuse parce que c'est loin d'être assez dense pour être faisable. Ils utilisent de l'hydrogène liquide qui est beaucoup plus dense que l'hydrogène gazeux comprimé et qui ne peut pas être davantage comprimé (en termes de volume, vous pouvez bien sûr augmenter la pression du fluide, mais tout ce que vous obtiendrez est une valeur psi / kpa plus élevée sans diminution significative de le volume)
"Alors que l'hydrogène n'a été utilisé qu'à titre expérimental dans les bancs d'essai, l'Union soviétique a construit un dérivé d'un avion de ligne régulier ..." ce n'est pas tout à fait exact. NACA a effectué des essais en vol d'un turboréacteur à hydrogène en 1956, bien avant le programme soviétique. Voir ma réponse pour plus de détails.
@slebetman Je crois que vous avez raison, après avoir lu et appris davantage, une pile à combustible PEM utilise des molécules gazeuses pour se convertir en électricité. Cela semble plus viable que brûler. L'utilisation de la turbine n'est donc pas aussi bonne que l'hélice électrique. Soupir.
@jayhendren: Merci pour l'information! Je n'ai pas lu assez attentivement les pages history.nasa.gov.
Si vous placez le réservoir d'hydrogène dans le fuselage (comme suggéré par la coupe), les réservoirs des ailes deviennent un espace mort.
niels nielsen
2020-01-21 23:56:06 UTC
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Pour les carburants destinés à être utilisés dans les avions, le paramètre clé de performance est la densité énergétique du carburant: combien de travail potentiel est stocké dans combien de litres de matière. Une densité d'énergie élevée signifie que les réservoirs de carburant seront petits et que l'énergie libérée lors de la combustion d'un litre sera grande. Le problème avec l'utilisation de l'hydrogène comme carburant d'avion est que sa densité énergétique est bien inférieure à celle du kérosène ou du diesel (car un litre d'hydrogène à la pression atmosphérique contient beaucoup moins d'énergie potentielle chimique qu'un litre de kérosène), et le réduit à réduire son volume nécessite une réfrigération cryogénique qui augmente considérablement le coût et le poids, et l'avantage de l'indice d'octane de H2 n'est pas compensé par ces inconvénients.

En ce qui concerne spécifiquement la combustion de l'hydrogène dans les turbines à cycle de Brayton, cela est possible mais économiquement peu pratique car le coût de fabrication d'un litre d'hydrogène est bien supérieur au coût de raffinage d'un litre de kérosène à partir de pétrole brut.

L'énergie / la masse de H2 est * excellente * (n'inclut pas la masse des réservoirs). Le problème avec le gaz H2 est l'énergie / volume. (litres et non kilogrammes). Votre réponse définit la densité d'énergie comme énergie / kilogramme et parle ensuite de volume>. <. https://en.wikipedia.org/wiki/Energy_density définit ce terme comme énergie / volume, donc oui, la densité d'énergie dans ce sens est le problème. L'énergie / masse est plus correctement appelée [* énergie spécifique *] (https://en.wikipedia.org/wiki/Specific_energy).
@PeterCordes oui, c'est pourquoi Airbus et Boeing ont abandonné leurs projets d'avions de ligne à hydrogène.
@jwenting: Je ne commente que la terminologie / le libellé, pas le point principal de la réponse. (Que ce n'est pas pratique pour des raisons de * volume * et / ou de masse de réservoirs / équipement de cryo). Je serais heureux de voter pour cette réponse une fois qu'elle est formulée correctement pour dire ce que cela signifie: P
Vous avez raison - la densité d'énergie est la clé. Cependant, l'hydrogène a une GRANDE densité d'énergie; comme l'indique la question. Le problème est que le réservoir d'hydrogène est lourd; ce qui signifie que la densité d'énergie effective est inférieure
Je tiens à souligner que Wikipédia le définit de la même manière que moi: "La densité énergétique est la quantité d'énergie stockée dans un système ou une région d'espace donné par unité de volume. Familièrement, elle peut également être utilisée pour l'énergie par unité de masse, bien que le terme précis pour cela est énergie spécifique. " Sur cette base, l'hydrogène n'a PAS une GRANDE densité d'énergie.
Alors, au lieu de «brûler» ... L'option de la pile à combustible de la conversion à l'électricité est une meilleure solution pour l'énergie / densité et semble également résoudre les problèmes d'émissions?
@Skyhawg non, car une pile à combustible est également juste un poids supplémentaire et ne résout pas le manque inhérent de densité d'énergie. Sans oublier que je soupçonne que le poids d'une pile à combustible qui pourrait produire autant d'énergie qu'une turbine pèserait probablement plus que l'avion entier.
Je suis confus alors .... Une pile à combustible de 100KW @ 53KG et deux réservoirs qui contiennent 60 litres comprimés @ 700bar chacun @ 55kg au total = 108KG. 158 CV max. Six heures de puissance. Il semble qu'un VTOL personnel pour une ou deux personnes soit faisable.
xxavier
2020-01-22 02:45:03 UTC
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Le premier prototype de Von Ohain de son turboréacteur HeS 3, le HeS 1, a brûlé de l'hydrogène lors des premiers essais. Ce n'est qu'après quelques modifications qu'il a pu le faire fonctionner avec un carburant liquide.

https://en.wikipedia.org/wiki/Heinkel_HeS_1

Aganju
2020-01-23 10:04:23 UTC
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Ce n'est pas tout à fait sur le sujet («Aviation»), mais répond à la question d'une manière ou d'une autre:

L'hydrogène est actuellement considéré comme le «carburant du futur» pour les turbines à gaz existantes et nouvelles dans les centrales électriques , aussi bien pour les petites que les grandes turbines à gaz. L'industrie s'efforce de permettre à toutes les lignes de turbine existantes de gérer cela, et les modifications sont mineures (enfin, mineures par rapport à la complexité d'une turbine à gaz moderne). De nombreux modèles sont déjà activés et éprouvés avec succès, et le marché s'attend à recevoir bientôt les premières demandes.
Dans l'ensemble, il est assez facile d'utiliser l'hydrogène - mais peut-être pas dans un avion.

Le principal La raison d'aller pour la combustion de l'hydrogène est qu'elle permet le stockage de l'hydrogène sous forme de batterie - lorsqu'il y a plus d'énergie disponible (de préférence solaire ou éolienne), elle est convertie en hydrogène, et lorsque l'énergie est nécessaire, elle se brûle dans les turbines à gaz existantes. Cela permettrait d'économiser des milliards d'investissements existants dans les centrales électriques en les convertissant en centrales à hydrogène zéro émission.

[Clause de non-responsabilité: j'ai une relation professionnelle avec une telle entreprise; cependant, ce ne sont pas des informations limitées]

La conversion solaire / éolienne / hydraulique en hydrogène stocké est magnifique :)
À des fins non aéronautiques, l'utilisation prévue concerne les piles à combustible et non les turbines. Les piles à combustible produisent de l'électricité, pas de la chaleur. Cela les libère de la limite d'efficacité de Carnot. Même dans les voitures à hydrogène, la pénalité de poids d'une pile à combustible et d'un moteur électrique est si faible que les gains d'efficacité en valent la peine. Dans l'aviation, les piles à combustible signifieraient toujours que vous pouvez avoir un réservoir d'hydrogène plus petit et plus léger, mais le poids reste problématique de toute façon.
Oui, mais à une méga macro-échelle, c'est parfait, et les turbines électriques au sol peuvent avoir d'énormes réservoirs d'hydrogène. Les moulins à vent produisent de l'électricité, l'excédent est utilisé pour séparer l'eau et l'hydrogène, l'hydrogène est stocké pour l'accalmie du vent. Le plus gros le meilleur. Le gaz naturel liquide sera beaucoup plus facile pour les aéronefs (en particulier ceux qui opèrent entre les terminaux) et est maintenant extrêmement bon marché.
jayhendren
2020-01-23 10:57:11 UTC
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NACA (le prédécesseur de la NASA), a brûlé de l'hydrogène dans un turboréacteur en vol.

Il existe une longue histoire d'expérimentation de la NACA et de la NASA avec l'hydrogène comme carburant dans l'histoire de la NASA site Web.

Dans les années 1950, la NACA a brûlé de l'hydrogène dans un turboréacteur sur un avion B-57 modifié dans le cadre du projet Bee:

Project Bee

Un rapport technique sur les performances en vol de la turbine à hydrogène a été publié et est disponible en téléchargement sur le site Web de la NASA.

Les expériences avec l'hydrogène comme source de carburant pour les moteurs à turbine ont été suffisamment fructueuses pour que l ' avion de reconnaissance à haute altitude Lockheed CL-400 soit conçu pour utiliser de l'hydrogène:

enter image description here

En fin de compte, cependant, le CL-400 a été annulé, bien qu'une partie de la recherche pour ce projet ait fait son chemin dans le désormais célèbre SR-71.

C'est une excellente trouvaille, cependant, à quoi sert le réservoir d'hélium?
[Pour pressuriser le réservoir d'hydrogène] (https://space.stackexchange.com/questions/9311/why-do-pressure-fed-systems-have-to-be-pressurized-with-helium-or-nitrogen). Les fusées alimentées par des carburants cryogéniques utilisent souvent la même technique.


Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 4.0 sous laquelle il est distribué.
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