Thermodynamic analysis of a turboprop engine with regeneration and intercooling

The scope of this thesis is to evaluate the performances of a turbopropeller engine with intercooling and regeneration, to assess qualitatively and quantitatively the improvements in the performances with respect to the traditional engine, and to determine the feasibility of the implementation of this kind of engines on commercial aircrafts. In order to do so, a thermodynamic analysis is carried out by means of a Fortran90 code, which computes the thermodynamic quantities at each point of the thermodynamic cycle along with the engine overall performances. The output data is then post-processed to obtain plots of the engine performances, showing their behavior at different operating conditions and engine configurations. The performances are then compared with those of a traditional engine, in order to assess the impact of regeneration and intercooling and their mutual interaction. Then, the projected benefits of the implementation of such engines are estimated by a comparison between a traditional engine currently in service and one simulated by the code. In addition, the weight of the additional heat exchangers is estimated. The data shows that intercooling and regeneration sensibly decrease the specific fuel consumption and increase the specific power of the engine, if used together and if high heat exchanger effectiveness can be achieved. Also, their mutual implementation yields optimal operating conditions, in terms of fuel consumption, at engine compression ratios commonly used in aeroengines. Overall, the implementation of recuperated engines can yield substantial reductions in fuel consumption and thus in emissions and related costs. On the other hand, the weight of the additional heat exchangers is high, especially for high heat exchanger effectiveness. Thus, in order to fully exploit the potential of this technology, it is imperative to be able to develop/implement heat exchangers that can achieve high effectiveness with low weight and pressure losses, otherwise the benefits deriving from their implementation might not be worth the additional weight, cost and complexity of the engine.

L’ elaborato ha l’obiettivo di analizzare le prestazioni di motori turboelica con rigenerazione ed interrefrigerazione, valutare i benefici derivanti dall’implementazione delle tecniche sopra citate e la fattibilità di un’implementazione su velivoli commerciali. La valutazione delle prestazioni è effettuata per mezzo di un’analisi termodinamica, in cui le prestazioni del motore vengono calcolate per diverse condizioni di funzionamento e per diverse configurazioni del motore per mezzo di un apposito programma scritto in Fortran90. Il risultato dell’analisi è una serie di grafici per le varie prestazioni del motore, dai quali si evidenzia il comportamento delle varie prestazioni al variare delle diverse condizioni operative e di progetto. Inoltre, tramite il confronto con un motore tradizionale, è possibile determinare l’impatto di interrefrigerazione e rigenerazione sulle prestazioni e le interazioni fra di esse. A questo punto, è presentato un confronto fra un motore tradizionale attualmente in commercio ed un motore con scambio termico simulato con il programma di cui sopra. Da questo confronto è stato possibile stimare i benefici derivanti dall’ uso di motori rigenerati. Si è inoltre stimato approssimativamente il peso degli scambiatori. I dati ottenuti e le analisi effettuate mostrano che interrefrigerazione e rigenerazione riducono sensibilmente i consumi ed incrementano la potenza del motore, se usate assieme e se si riesce ad ottenere un’alta efficacia degli scambiatori. Inoltre, applicando congiuntamente le due tecniche si ottengono le prestazioni ottimali, in termini di consumo, per rapporti di compressione comunemente usati nei motori aeronautici. Complessivamente, l’uso di motori con recupero di calore può portare a sostanziali riduzioni nei consumi e nelle relative emissioni e costi. Tuttavia il peso degli scambiatori è alto. Pertanto, per sfruttare appieno le potenzialità di questa tecnologia è necessario lo sviluppo di scambiatori di calore che garantiscano alti livelli di efficacia con peso e perdite contenuti, altrimenti i vantaggi derivanti dal loro impiego potrebbero non valere il costo, peso e complessità aggiuntivi del motore.