The effects of climate change are visible all around the world and their impact on our society is increasing year after year. This is why the European Union is encouraging a lot of research to make our economy more sustainable and resource-efficient. This thesis fits perfectly in this context, in fact it will be used by the von Karman Institute (VKI) as a starting point of a new research area dedicated to novel aircraft engine concepts. The engine that will be analyzed is the electric counter-rotating (CR) fan. The main scope of this thesis, therefore, will be to assessing the feasibility of this particular new engine and providing guidelines for future researches. The modelling and analysis of all the engines were performed in EcosimPro, which is a commercial modelling tool. In particular, the turbojet library was used as a reference. At first, using this software, the CR fan component was created. It was coded in order to be compatible with the other components in the turbojet library, therefore it will be more easy to re-use it for future studies. Then, starting from that component, several electric CR fan engine models were generated. Each engine was designed using different boundary conditions, with a particular regard to the speed ratio, which is a key parameter of the CR fan. Moreover, a comparison of the performance of the CR fan engines in a classic 2 engines configuration and in a distributed 10 engines configuration was carried out. As next step, two turbofans were modeled in order to be used as reference cases: the CFM56-7B24 and GEnx-1B64. The last part of this thesis is dedicated to the flight mission analysis, which was performed in Matlab. Each flight mission considered is the result of different combinations of mission range, engines mounted on the aircraft and hybrid system layout considered. These results will be useful to define for which configurations and missions the electric CR fans are more suited for.

Gli effetti dei cambiamenti climatici sono ormai visibili in tutto il mondo e le ripercussioni che hanno sulla nostra società sono sempre più evidenti. Proprio per questo motivo l'Unione Europea sta investendo molte risorse per rendere la nostra economia più sostenibile ed efficiente. Questa tesi si inserisce proprio in questo contesto, infatti è uno dei primi lavori svolti al von Karman Institute (VKI) all'interno della nuova area di ricerca dedicata a sistemi di propulsione innovativi, come per esempio il fan elettrico contro-rotante. Quest'ultimo, sarà il propulsore trattato in questo manoscritto. Il principale scopo di questa tesi sarà quello di valutarne la fattibilità di utilizzo, fornendo anche linee guida per ricerche future. Per modellare i vari propulsori è stato usato EcosimPro (software commerciale specifico per le modellizzazioni) ed in particolare la libreria turbojet. Come primo step, è stata creata la componente fan contro-rotante. Il suo codice è stato scritto in modo tale da risultare compatibile con le altre componenti presenti nella libreria turbojet, così facendo sarà più facile riutilizzarlo in studi futuri. Come step successivo, a partire da questa componente, differenti fan elettrici contro-rotanti sono stati generati. Ognuno di questi propulsori è stato definito imponendo differenti condizioni al contorno ed in particolare un parametro chiave utilizzato è stato il rapporto delle velocità del fan contro-rotante. Inoltre, verrà svolta una breve comparazione tra le performance di questi motori installati in una configurazione a 2 o 10 motori. Conclusa questa parte, lo step seguente è stato quello di modellare due propulsori di riferimento e per questa tesi sono stati scelti i turbofan CFM56-7B24 e GEnx-1B64. Questo lavoro si conclude con l'analisi di varie missioni di volo, le quali sono state effettuate con Matlab. Ogni missione analizzata è il risultato di diverse combinazioni di range, propulsori montati sul velivolo e sistema ibrido utilizzato. Tutti questi risultati saranno utili in futuro per definire per quali missioni e con quali configurazioni i motori elettrici contro-rotanti sono più adatti.

Counter rotating electric fan, mission analysis and preliminary sizing

Baldassarri, Matteo
2021/2022

Abstract

The effects of climate change are visible all around the world and their impact on our society is increasing year after year. This is why the European Union is encouraging a lot of research to make our economy more sustainable and resource-efficient. This thesis fits perfectly in this context, in fact it will be used by the von Karman Institute (VKI) as a starting point of a new research area dedicated to novel aircraft engine concepts. The engine that will be analyzed is the electric counter-rotating (CR) fan. The main scope of this thesis, therefore, will be to assessing the feasibility of this particular new engine and providing guidelines for future researches. The modelling and analysis of all the engines were performed in EcosimPro, which is a commercial modelling tool. In particular, the turbojet library was used as a reference. At first, using this software, the CR fan component was created. It was coded in order to be compatible with the other components in the turbojet library, therefore it will be more easy to re-use it for future studies. Then, starting from that component, several electric CR fan engine models were generated. Each engine was designed using different boundary conditions, with a particular regard to the speed ratio, which is a key parameter of the CR fan. Moreover, a comparison of the performance of the CR fan engines in a classic 2 engines configuration and in a distributed 10 engines configuration was carried out. As next step, two turbofans were modeled in order to be used as reference cases: the CFM56-7B24 and GEnx-1B64. The last part of this thesis is dedicated to the flight mission analysis, which was performed in Matlab. Each flight mission considered is the result of different combinations of mission range, engines mounted on the aircraft and hybrid system layout considered. These results will be useful to define for which configurations and missions the electric CR fans are more suited for.
FONTANETO, FABRIZIO
MADASSERI PAYYAPPALLI, MANAS
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
22-lug-2022
2021/2022
Gli effetti dei cambiamenti climatici sono ormai visibili in tutto il mondo e le ripercussioni che hanno sulla nostra società sono sempre più evidenti. Proprio per questo motivo l'Unione Europea sta investendo molte risorse per rendere la nostra economia più sostenibile ed efficiente. Questa tesi si inserisce proprio in questo contesto, infatti è uno dei primi lavori svolti al von Karman Institute (VKI) all'interno della nuova area di ricerca dedicata a sistemi di propulsione innovativi, come per esempio il fan elettrico contro-rotante. Quest'ultimo, sarà il propulsore trattato in questo manoscritto. Il principale scopo di questa tesi sarà quello di valutarne la fattibilità di utilizzo, fornendo anche linee guida per ricerche future. Per modellare i vari propulsori è stato usato EcosimPro (software commerciale specifico per le modellizzazioni) ed in particolare la libreria turbojet. Come primo step, è stata creata la componente fan contro-rotante. Il suo codice è stato scritto in modo tale da risultare compatibile con le altre componenti presenti nella libreria turbojet, così facendo sarà più facile riutilizzarlo in studi futuri. Come step successivo, a partire da questa componente, differenti fan elettrici contro-rotanti sono stati generati. Ognuno di questi propulsori è stato definito imponendo differenti condizioni al contorno ed in particolare un parametro chiave utilizzato è stato il rapporto delle velocità del fan contro-rotante. Inoltre, verrà svolta una breve comparazione tra le performance di questi motori installati in una configurazione a 2 o 10 motori. Conclusa questa parte, lo step seguente è stato quello di modellare due propulsori di riferimento e per questa tesi sono stati scelti i turbofan CFM56-7B24 e GEnx-1B64. Questo lavoro si conclude con l'analisi di varie missioni di volo, le quali sono state effettuate con Matlab. Ogni missione analizzata è il risultato di diverse combinazioni di range, propulsori montati sul velivolo e sistema ibrido utilizzato. Tutti questi risultati saranno utili in futuro per definire per quali missioni e con quali configurazioni i motori elettrici contro-rotanti sono più adatti.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/190021