Two-phase exhaust gas augmented waterjet for marine propulsion: preliminary design by a homogeneous model

This work aims to evaluate the potential for increasing the thrust of a waterjet propulsion system for maritime transport applications by exploiting phase transition (evaporation) of water. To this end, the thermal power of exhaust gases at the outlet of a gas turbine, typically wasted, is proposed as an energy source. To assess the feasibility of such an application, the study first examines the technology of air-augmented waterjets, an emerging field of research in which air is injected into the liquid flow to reduce the speed of sound and enable supersonic flow conditions. Among the models available in the literature, the homogeneous model proved the most effective in reproducing the behavior of the two-phase mixture, although it tends to overestimate the pressure gradient at the throat when compared to available experimental data. This discrepancy highlights the need for a deeper understanding of the physics governing the supersonic expansion of two-phase flows. The results obtained confirm, in agreement with the literature, that air injection allows for increased thrust, albeit at the cost of higher energy consumption by the compressor. The study then investigates the case in which the mixture undergoes phase transition. Given that the thermal power available from the exhaust gases is not sufficient to significantly increase the temperature of the liquid phase, it is necessary to expand the mixture down to the saturation pressure. To achieve this, a preliminary air injection serves to reduce the speed of sound and to achieve the saturation condition required for phase transition. In this feasibility analysis, the effect of possible shock waves, potentially preventing complete expansion down to saturation pressure and further penalizing propulsive performance, was not considered. This simplifying assumption aims to assess, under ideal conditions, the theoretical feasibility of the propulsion system. It is subsequently shown that the direct injection of exhaust gases into the two-phase mixture, although allowing for partial evaporation of the liquid phase, does not result in any thrust enhancement. This is due to the overexpansion itself (outlet pressure lower than ambient pressure) and to the increased flow cross-section required to compensate for the higher specific volume of the gaseous phase. Finally, the integration of a heat exchanger for thermal recovery was evaluated, with the goal of reducing the outlet cross-section and thus avoiding direct injection of exhaust gases. However, even in this case, effective thrust could not be achieved.

Il presente lavoro ha come obiettivo la valutazione della possibilità di aumentare la spinta di un propulsore ad idrogetto per applicazioni nel trasporto marittimo attraverso la transizione di fase (evaporazione) dell’acqua. A tal fine, si propone di sfruttare la potenza termica dei gas esausti all’uscita di una turbina a gas, normalmente inutilizzata. Per verificare la fattibilità di tale applicazione, si è dapprima analizzata la tecnologia degli air-augmented waterjets, un campo di ricerca attuale e in sviluppo, che prevede l’iniezione di aria nel flusso liquido per abbatterne la velocità del suono e ottenere un flusso supersonico. Tra i modelli presenti in letteratura, il modello omogeneo si è rivelato il più efficace nel riprodurre il comportamento della miscela bifase, sebbene tenda a sovrastimare il gradiente di pressione rispetto ai dati sperimentali disponibili. Questo evidenzia la necessità di un approfondimento della fisica che governa l’espansione supersonica di miscele bifase. I risultati ottenuti confermano, in accordo con la letteratura, che l’iniezione di aria consente un incremento della spinta, a fronte però di un aumento del consumo energetico da parte del compressore. Successivamente è stato analizzato il caso in cui la miscela subisca una transizione di fase. Poiché la potenza termica disponibile dai gas esausti non è sufficiente a aumentare sensibilmente la temperatura della fase liquida, risulta necessario espandere la miscela fino alla pressione di saturazione. A tale scopo, una prima iniezione di aria è funzionale alla riduzione della velocità del suono e a consentire di raggiungere la condizione di saturazione, necessaria per la transizione di fase. In questa fase di verifica della fattibilità del progetto, non è stato considerato l’effetto di eventuali onde d’urto, le quali potrebbero ostacolare la completa espansione fino alla pressione di saturazione, penalizzando ulteriormente le prestazioni propulsive. Questa ipotesi semplificativa ha lo scopo di verificare, in condizioni di idealità, il possibile funzionamento dell’apparato propulsivo. In seguito, viene mostrano come l’iniezione diretta dei gas esausti nella miscela bifase, pur permettendo una parziale evaporazione della fase liquida, non sia in grado di generare un aumento della spinta. Questo è dovuto alla sovraespansione stessa (pressione in uscita inferiore a quella ambientale) e all’aumento della sezione di passaggio richiesto per compensare il maggiore volume specifico della fase gas. Infine, è stata valutata l’integrazione di uno scambiatore di calore per il recupero termico, con l’obiettivo di ridurre la sezione di uscita, evitando dunque l’iniezione diretta dei gas esausti. Tuttavia, anche in questo caso, non risulta possibile ottenere una spinta efficace.