Design and numerical investigation of a centrifugal pump for the delivery line of an LH_2-fuelled aircraft

The recent interest in using liquid hydrogen as an energy source and fuel for aircraft propulsion has increased in the last years. The Paris Agreement has in fact established that by 2050 the CO2 emissions deriving from transportation means must be neutralised. This rush towards decarbonization and a net zero future is accompanied by the challenges to satisfy safety, security and reliability. A new fuel, in fact, compels to redesign the engine, the tanks, and all the components of the fuel delivery system. The present work is focused on the assessment of the implementation of liquid hydrogen fuel for civil subsonic aircraft propulsion systems. Since the second half of the last century, aerospace engineers started to investigate liquid hydrogen as a fuel source to power rocket engines in space missions. Current research is focused instead on liquid hydrogen-powered aircraft. Due to the novelty of this study, several of the approaches and strategies presented herein are, in a certain way, pioneering. First, by using state of the art computational tools, the design of the high-pressure two-stage centrifugal pump which makes up the fuel delivery system of an LH2-fuelled aircraft will be detailed. Afterwards, both single-phase and multiphase flows are modelled and simulated within the pump impeller in the steady-state condition. Three different paths are undertaken to assess the off-design performance of the pump. A first 3D single-phase simulation is performed where the mass flow rate is lowered and a comparison is carried out between the use of constant and variable properties. Later, the 3D model is investigated in the multi-phase scenario adopting the Volume-of-fluid (VOF) method. On one hand, the inlet total pressure is reduced and on the other hand different vapour volume fractions at the inlet are prescribed. In the single-phase case, it is observed that the pressure ratio of the impeller rises as the mass flow rate decreases. Both constant and variable properties provide very similar results. The multi-phase simulations, instead, show that the pump performance decreases: pressure ratio, efficiency and power are dropping. As for the simulations where the inlet total pressure is reduced, the vapour phase tends to form on the suction side of the blades and progressively extends. The simulations where different vapour volume fractions are prescribed show that vapour persists on the suction side of the blades, whereas on the pressure side it is converted into liquid before it flows out of the domain. This work is a preliminary step and has established the foundation for future enhancements in the modelling of hydrogen flows in centrifugal pumps. While further validation with experimental data is still required, the methods presented herein captured relevant physical phenomena, such as the head decrease and vapour volume fraction increase. This piece of work is relevant as research as it sets the stage for further design of pumping systems in hydrogen fuel-system.

Negli ultimi anni è cresciuto l’interesse per l’utilizzo dell’idrogeno liquido come fonte di energia e combustibile per la propulsione aerea. L’Accordo di Parigi ha infatti stabilito che entro il 2050 le emissioni di CO2 derivanti dai mezzi di trasporto dovranno essere neutralizzate. Questa corsa verso la decarbonizzazione e un futuro a zero emissioni sono accompagnati dalle sfide per soddisfare la sicurezza e l’affidabilità. Un nuovo carburante, infatti, comporta una profonda revisione del progetto del motore, dei serbatoi e di tutti i componenti del sistema di erogazione del carburante. Il presente lavoro è incentrato sulla valutazione dell’implementazione dell’idrogeno liquido per i sistemi di propulsione degli aerei subsonici civili. Dalla seconda metà del secolo scorso, gli ingegneri aerospaziali hanno cominciato a studiare l’idrogeno liquido come fonte di combustibile per alimentare i motori a razzo nelle missioni spaziali. La ricerca attuale si concentra invece sugli aeromobili alimentati a idrogeno liquido. Per via della novità di questo studio, molti degli approcci e delle strategie presentati in questa sede sono, in un certo senso, pionieristici. In primo luogo, grazie all’utilizzo di strumenti di calcolo all’avanguardia, sarà discussa la progettazione della pompa centrifuga a due stadi di alta pressione che costituisce il sistema di erogazione del carburante di un aereo alimentato a idrogeno liquido. In seguito, verranno modellati e simulati flussi monofase e multifase all’interno della girante della pompa in condizioni stazionarie. Per valutare le prestazioni fuori progetto della pompa, sono intrapresi tre percorsi diversi. Viene eseguita una prima simulazione 3D monofase in cui la portata di massa viene prograsivamente ridotta e viene effettuato un confronto tra l’effetto dell'uso di proprietà costanti e variabili. Successivamente, il modello 3D viene studiato nello scenario multifase adottando il metodo Volume of Fluid (VOF). Da un lato, la pressione totale in ingresso viene ridotta e dall’altro si prescrivono diverse frazioni volumetriche di vapore all’ingresso. Nel caso monofase, si osserva che il rapporto di compressione della girante aumenta al diminuire della portata massica. L'utilizzo di proprietà costanti e di quelle variabili fornisce risultati molto simili tra di loro. Le simulazioni multifase, invece, mostrano che le prestazioni della pompa calano: il rapporto di compressione, l’efficienza e la potenza diminuiscono. Come per le simulazioni in cui la pressione totale in ingresso viene ridotta, la fase vapore tende a formarsi sul lato aspirante delle pale e ad estendersi progressivamente. Le simulazioni in cui vengono prescritte diverse frazioni volumetriche di vapore mostrano che questo persiste sul lato in depressione delle pale, mentre sul lato in pressione questo viene convertito in liquido prima di uscire dal dominio. Questo lavoro è un contributo preliminare e getta le basi per futuri miglioramenti nella modellazione dei flussi di idrogeno in pompe centrifughe. Sebbene sia necessaria un’ulteriore convalida con dati sperimentali, i metodi qui presentati hanno catturato fenomeni fisici rilevanti, come la diminuzione della prevalenza e l’aumento della frazione di volume di vapore. Quest’opera è importante ai fini della ricerca, in quanto pone le basi per un’ulteriore progettazione di sistemi di pompaggio dell’idrogeno liquido usato come combustibile.