연구원들은 수소 시대에 적합한 제트 엔진을 만든다

수소 연료 비행기는 미래에 전 세계적으로 날개를 달릴 예정입니다. 이를 가능하게 하기 위해 엔지니어는 이를 구동할 제트 엔진을 개발해야 합니다. ETH 취리히의 연구자들이 실시한 실험은 이제 이러한 엔진을 강력하고 내구성 있게 만드는 데 필요한 기반을 제공하고 있습니다.

유럽은 지속 가능하게 생산된 수소로 구동되는 기후 중립 비행을 준비하고 있습니다. 작년에 EU는 산업과 대학이 수소로 구동되는 중거리 항공기를 개발하도록 지원하는 프로젝트를 시작했습니다. 무엇보다도 제트 엔진은 새로운 연료로 작동하도록 조정해야 합니다. 오늘날의 엔진은 등유를 연소하도록 최적화되어 있습니다.

"수소는 등유보다 훨씬 빨리 타서 더 컴팩트한 불꽃이 생깁니다." ETH 취리히의 기계 및 공정 공학과 교수인 니콜라 누아레이가 설명합니다. 이는 수소 엔진을 설계할 때 고려해야 합니다. 누아레이 팀의 실험은 이제 이를 위한 중요한 기반을 제공합니다. 이 팀은 방금 Combustion and Flame 저널에 결과를 발표했습니다.

한 가지 문제는 진동인데, 엔지니어들은 이를 최소화하려고 노력합니다. 일반적인 제트 엔진에서는 약 20개의 연료 분사 노즐이 엔진의 환형 연소실 주위에 배치됩니다. 그곳에서 연료의 난류 연소가 음파를 생성합니다. 이 파동은 연소실 벽에서 반사되어 화염에 피드백 작용을 합니다. 음파와 화염 사이의 이러한 결합은 엔진 연소실에 무거운 하중을 유도하는 진동을 일으킬 수 있습니다. Noiray 그룹의 전 박사후 연구원인 Abel Faure-Beaulieu는 "이러한 진동은 재료를 피로하게 만들 수 있으며, 최악의 경우 균열과 손상으로 이어질 수 있습니다."라고 말합니다. "이것이 새로운 엔진을 개발할 때 작동 조건에서 이러한 진동이 발생하지 않도록 주의하는 이유입니다."

순항 고도에서의 조건 시뮬레이션

엔지니어들이 오늘날의 등유 엔진을 개발할 때, 그들은 이러한 진동을 제어해야 했습니다. 그들은 화염의 모양과 연소실의 기하학 및 음향을 최적화하여 이를 달성했습니다. 그러나 연료의 종류는 소리와 화염의 상호작용에 큰 영향을 미칩니다. 즉, 엔지니어와 연구자는 이제 새로운 수소 엔진에서 이러한 진동이 발생하지 않도록 해야 합니다. ETH 취리히의 정교한 테스트 및 측정 시설을 통해 Noiray는 수소 화염의 음향을 측정하고 잠재적인 진동을 예측할 수 있습니다. 그는 GE Aerospace와 함께 참여하는 EU 프로젝트 HYDEA의 일환으로 회사에서 생산한 수소 분사 노즐을 테스트합니다.

"저희 시설은 순항 고도에서 엔진의 온도 및 압력 조건을 재현할 수 있게 해줍니다." Noiray가 설명합니다. ETH 연구원들은 또한 다양한 연소실의 음향을 재현하여 광범위한 측정을 가능하게 할 수 있습니다. "저희 연구는 실제 비행 조건에서 수소 화염의 음향 거동을 측정한 최초의 연구입니다."

연구자들은 실험에서 단일 노즐을 사용한 다음 미래의 수소 엔진에 배치될 노즐 모음의 음향 거동을 모델링했습니다. 이 연구는 GE Aerospace의 엔지니어가 분사 노즐을 최적화하고 고성능 수소 엔진의 길을 닦는 데 도움이 됩니다. 몇 년 안에 엔진은 지상에서 초기 테스트를 할 준비가 될 것이고, 미래에는 최초의 수소 연료 항공기를 추진할 수 있을 것입니다.

ETH 교수 Noiray는 항공기용 엔진 개발이나 수소 탱크 개발을 수소 시대로의 항공 전환에서 가장 큰 과제로 여기지 않는다. 그는 "인류는 달에 날아갔고, 엔지니어들은 의심할 여지 없이 수소 비행기를 개발할 수 있을 것"이라고 말한다. 하지만 비행기만으로는 충분하지 않다. Noiray는 또 다른 주요 과제는 충분한 양의 기후 중립 수소를 생산하고 공항으로 운송하는 것을 포함하여 수소 항공을 위한 전체 인프라를 구축하는 것이라고 말한다. 이를 합리적인 기간 내에 달성하려면 지금 당장 협력이 필요하다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/11/241108113727.htm