Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

Preliminary project of an aircraft propulsion powered by fuel cells

Krystian Krzysztof Pietrzak

Abstract

Presented work concerns a preliminary project describing an aircraft propulsion system based on utilization of fuel cells. Suggested propulsion system is intended to be installed onboard of an Airbus A320 aircraft. The purpose of this work is determine if the concerned system is possible to be implemented in near future. Determination will be based on available technologies as well as those which are expected to be accessible in following years. In the first part of this work theory of fuel cell was presented. Their advantages and drawbacks were confronted with battery-based propulsion systems and internal combustion engines. Four types of fuel cells were chosen: SOFC, MCFC, PAFC, PEMFC. Those fuel cells were analyzed to determine their strengths and weak spots when used on an aircraft. Two ideas were proposed of how the described system would work. One consists of two electrical motors propelling the fans. Those electrical motor are powered by fuel cells. The other idea differs from the first one by utilization of both the fuel cells and batteries which are intended to work together. Next part involves technical data description of the CFM56-5A engine which is originally installed on the Airbus A320 type aircraft. Based on this data, the performance of the engine in regard to the speed and attitude of the aircraft was calculated. The power which has to be delivered to the electrical motor to propel the fan was also calculated. Based on this values a permanent magnet synchronous motor was chosen. This selection was based on research concerning performance of electrical motors achievable in near future. The power grid requirements were then discussed and several solutions were proposed according to the available research. Rotational speed and torque control system of the electric motor was also described. Current, voltage and voltage frequency was calculated based on the flight data on a typical route and all the previous requirements concerning the electric motor and the power grid. SOFC was chosen to be the main source of the electric energy and three types of fuel were analyzed: jet fuel, natural gas and pure hydrogen. Fuel tanks parameters were presented as well. Including both the currently available technologies and near future solutions. Based on all previously gathered data concerning electrical motors, power grid, power inverters, fuel tanks and flight data, energy demand of both the motors was estimated. Final result consisted of comparison of two previously described propulsion ideas and three used fuel types. The total aircraft weight increase effected by implementation of the proposed propulsion system was calculated. In the summary the final results were discussed. Finally, future hopes for aircraft technology improvement, which would lead to massive scale introduction of such propulsion system, were presented.
Diploma type
Engineer's / Bachelor of Science
Diploma type
Engineer's thesis
Author
Krystian Krzysztof Pietrzak (FPAE) Krystian Krzysztof Pietrzak,, Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Title in Polish
Projekt wstępny napędu lotniczego zasilanego ogniwami paliwowymi
Supervisor
Jan Kindracki (FPAE/IHE) Jan Kindracki,, The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Certifying unit
Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Affiliation unit
The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)
Study subject / specialization
, Lotnictwo i Kosmonautyka (Aerospace Engineering)
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
29-03-2019
Issue date (year)
2019
Pages
43
Internal identifier
MEL; PD-5074
Reviewers
Jan Kindracki (FPAE/IHE) Jan Kindracki,, The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE) Wojciech Rudy (FPAE/IHE) Wojciech Rudy,, The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Keywords in Polish
Napęd hybrydowy, samolot elektryczny, ogniwa paliwowe, napęd niekonwencjonalny, silnik elektryczny, SOFC, silnik synchroniczny na magnesy trwałe
Keywords in English
Hybrid aircraft propulsion system, Electrical aircraft, Fuel cells, Alternative propulsion systems, Electrical motor, Solid Oxide Fuel Cell, Permanent Magnet Synchronous Motor
Abstract in Polish
Zaprezentowana praca dotyczy projektu wstępnego napędu lotniczego wykorzystującego ogniwa paliwowe. Zaproponowany napęd ma być użyty na pokładzie statku powietrznego typu Airbus A320. Celem pracy jest analiza możliwości realizacji tego projektu na podstawie istniejących technologii oraz przewidywanych na najbliższą przyszłość rozwiązań. W pierwszej części pracy przedstawiono teorię związaną z tematyką ogniw paliwowych. Opisano ich wady i zalety w porównaniu do napędów z wykorzystaniem akumulatorów i silników ze spalaniem wewnętrznym. Następnie scharakteryzowano różne rodzaje ogniw paliwowych i oceniono ich wady i zalety pod kątem wykorzystania w lotnictwie. W badaniu opisano ogniwa SOFC, MCFC, PAFC oraz PEMFC. Kolejnym krokiem było przedstawienie idei proponowanego napędu. Wyróżniono dwa możliwe rozwiązania. Pierwsze rozwiązanie to dwa silniki elektryczne napędzające wentylator zasilane ogniwami paliwowymi. Drugie rozwiązanie odróżnia się od pierwszego wykorzystaniem akumulatorów równolegle z ogniwami paliwowymi. Następnie opisano silnik turbowentylatorowy CFM56-5A, który jest wykorzystywany na samolocie typu Airbus A320. Na podstawie tych danych przedstawiono charakterystykę wysokościową i obliczono zapotrzebowanie na moc dla silnika elektrycznego, który ma zastąpić silnik CFM56-5A. Dzięki tej części pracy, dobrano silnik elektryczny na podstawie przewidywań na rozwój materiałów wykorzystywanych w silnikach synchronicznych z magnesami trwałymi. Następnie opisano wymagania stawiane liniom przesyłowym, które mają za zadanie transportować energię z ogniw paliwowych i akumulatorów do silników elektrycznych. Zaproponowano możliwe rozwiązania na podstawie prognozowanych na niedaleką przyszłość technologii. Wynikiem tej części jest również propozycja systemu kontroli prędkości obrotowej i momentu obrotowego silnika elektrycznego. Dzięki profilowi misji i opisanych wcześniej wymagań, ustalono wartości napięcia, natężenia oraz częstotliwości prądu dla każdej fazy lotu. Ustalono, że w projekcie zostanie wykorzystane ogniwo SOFC i przeanalizowane wykorzystanie trzech paliw: nafty lotniczej, gazu ziemnego i wodoru. Zaprezentowano również parametry charakteryzujące zbiorniki na te paliwa. Kolejnym etapem było wykorzystanie wszystkich wcześniej oszacowanych danych dotyczących silnika elektrycznego, linii przesyłowych, zbiorników, charakterystyki wysokościowej oraz profilu misji w celu obliczenia zapotrzebowania energetycznego i oszacowania masy samolotu pustego oraz masy startowej. Wynikiem końcowym było porównanie dwóch opisanych wcześniej rozwiązań oraz porównanie wykorzystania trzech różnych paliw. Wyniki przedstawiono w postaci tabeli z oszacowanym przyrostem masy w porównaniu do konfiguracji klasycznej Airbusa A320. W podsumowaniu opisano wyniki oraz przedstawiono nadzieje na dalszy rozwój technologii, który umożliwiłby wprowadzenie takiego napędu na szeroką skale i tym samym znaczne ograniczenie wpływu lotnictwa na środowisko.
File
  • File: 1
    Projekt_wstępny_napędu_lotniczego_z_ogniwami_paliwowymi.pdf
Request a WCAG compliant version
Local fields
Identyfikator pracy APD: 32481

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/bachelor/WUT4ccdcc681f464b2a84abbaa61b59a94e/
URN
urn:pw-repo:WUT4ccdcc681f464b2a84abbaa61b59a94e

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page