Inter refrigerated compression through stator cooling

Hydrogen is considered the fuel for future engine: its application in an aeroengine is more problematic due to the issue in storing it in on-board, of keeping it at liquid state, of injecting it in the combustor. The optimal state to put it inside a fuel tank is the liquid state but to keep it at atmospheric temperature a huge pressure is required, a pressure higher than the optimal combustion chamber one. The pressure gradient between fuel and oxidizer can be exploit with an expansion process of fuel. This process produce an heat sink that can be exploit to cool down the air inside the compressor. The inter refrigerated compression is already exploit in some land application to increase the thermodynamic cycle efficiency. This thesis analyses with a numerical code the advantages of a real Joule Brayton cycle with a refrigerated compression respect the adiabatic case, two real engine (CFM and GENX) are studied at both cruise and takeoff condition. The optimal cooling position to maximise cycle efficiency obtained is in the booster: the low pressure compressor. The ideal increase of efficiency is higher than 1%. To keep the same weight the heat exchange process is perform with a stator blade. The heat transfer coefficient is estimated through CFD simulation: the solver used is NUMECA and the airfoil analysed is the DREAM compressor, a booster in the Von Karman institute facility. The analysis of the real capacity of a stator blade to cool down the flow estimate an heat transfer coefficient value of 80 KW/m^2 K for a booster stator blade at design condition. The real heat transfer capacity of a blade does not allow the ideal cooling but still gives an advantages in efficiency. The coupling in the same fluid of fuel and refrigerant allow to perform inter refrigeration and preheating simultaneously giving a further cycle optimisation. This thesis work is a principle analysis of a technology that could be an huge transition in the civil aircraft market. The deadline imposed by European project(Zero Emission Aviation) is 2050 and the improvement in cycle efficiency are very relevant, coupling it with the environmental one give no more reason to not push lot of effort in the developing of hydrogen engine.

L'idrogeno è da molti considerato il combustibile del futuro. La sua applicazione nel mondo aeronautuico è molto complessa a causa dei limiti di peso, spazio e delle condizioni operative del motore di aereo. Per conservarne a bordo una quantità sufficiente a volare, l'idrogeno deve essere mantenuto allo stato liquido: a temperatura ambiente ciò è possibile solo a pressioni molto elevate, maggiori della pressione operativa del propulsore. Il processo di espansione necessario tra serbatoio e propulsore genera un pozzo di calore, sfruttabile per raffreddare l'aria nel compressore. Questa tesi analizza tramite codici numerici un ciclo Joule Brayton reale con una compressione inter refrigerata, confrontandolo con il caso adiabatico. I parametri di due motori attualmente in commercio (CFM e il GENX) sono stati considerati come riferimento. Il risultato di questa analisi è un incremento di efficienza maggiore dell'1% con una refrigerazione nel compressore di bassa pressione (booster). Per mantenere costante il peso macchina, il processo di scambio termico è eseguito tramite una pala di statore. L'analisi CFD, eseguita con NUMECA su uno stadio del compressore DREAM ha restituito un coefficiente di scambio termico pari a 80 KW/m^2 K alla condizione di design. La quantità ottimale di calore estratto trovata nell'analisi termodinamica del ciclo non può essere ottenuta tramite un singolo statore: nonostante ciò, una refrigerazione parziale ha comunque effetti favorevoli sull'efficienza di ciclo. Con questa nuova concezione di ciclo l'idrogeno assumerebbe il ruolo sia di combustibile che di liquido refrigerante, realizzando oltre alla refrigerazione dell'aria un pre-riscaldamento del combustibile con ulteriori incrementi di efficienza del ciclo. Questo lavoro è un'analisi di principio di una tecnologia che rivoluzionerebbe completamente il mercato aeronautico. Il progetto della Commissione Europea (Zero Emission Aviation) ha l'obbiettivo di azzerrare le emissioni areonautiche entro il 2050. I vantaggi ecologici sono evidenti; questo lavoro mostra i possibili vantaggi in termini di efficienza, e quindi economici, dell'applicazione dell'idrogeno come combustibile fornendo una spinta ulteriore alla ricerca in questo settore.