Performance analysis of hybrid cycles using unsteady flow devices for a hydrogen fuelled, distributed propulsion Hale UAV

The integration of unsteady flow devices in a gas turbine is predicted to effectively improve its efficiency, but these are heavy components and can increase the weight of the engine. A High Altitude Long Endurance UAV is a perfect application for such heavy but efficient hybrid cycles, also it is a low risk, low cost demonstrator. The aim of this study is to investigate the potential improvement in the efficiency and weight that these devices can provide when integrated in a gas turbine to form hybrid cycles. The unsteady flow devices studied are a Wave Rotor, a Wave Rotor with Internal Combustion and a Piston engine. To reach this objective a parametric analysis was performed estimating the potential improvement in efficiency and weight. For each cycle a model determining the thermodynamics and components size was implemented using MATLAB. The endurance improvement and feasibility of each cycle is discussed basing on the result. The Wave Rotor (without combustion) cycle is always less efficient and heavier than a gas turbine when the wave rotor is used to replace the last stages of the compressor and proved not to be a convenient solution for the present study. The Wave Rotor with Internal Combustion cycle can give a 6% thermal efficiency improvement and a 17% reduction in weight (efficiency=43% Weight=130 kg) when compared to a Brayton cycle of same TET=1000 K and pressure ratio=17, this with a demonstrated technology. Better results are obtained in operating conditions not demonstrated but probably feasible with modern technology. The WRIC is deemed an interesting alternative and should be studied further. The gas turbine hybrid cycle with a piston engine replacing the combustor can reach up to thermal efficiency=43% and weight=490kg, with demonstrated technology. With respect to a gas turbine with same TET the efficiency is improved but the weight is over 3 times higher. The improvement becomes interesting only if the piston engine is run in extreme conditions, not feasible with near future technology. Parametric analysis should continue to investigate other operating conditions.

L'utilizzo di componenti con flusso instazionario in una turbina a gas può migliorare l'efficienza termica del ciclo, tuttavia questi componenti sono generalmente molto pesanti e possono rendere il nuovo sistema propulsivo complessivamente non conveniente. Un HALE (High Altitude Long Endurance) UAV è un'applicazione ideale per un motore pesante ma efficiente, e può essere un dimostratore a basso costo e rischio per queste tecnologie. Lo scopo di questo progetto è studiare il miglioramento in efficienza termica e peso del sistema propulsivo basato su questi cicli ibridi. I componenti considerati sono un wave rotor, un wave rotor con combustione interna e un motore a pistoni. Per ogni ciclo è stata eseguita una analisi parametrica stimando la nuova efficienza e peso. Per l'analisi parametrica sono stati implementati in MATLAB dei modelli per simulare la termodinamica dei cicli e il dimensionamento del corrispettivo motore. Basandosi sui risultati ottenuti, sono poi stati discussi l'effettivo miglioramento dell'endurance dell'UAV e la fattibilità di ogni ciclo Il ciclo con il wave rotor (senza combustione) è sempre meno efficiente e più pesante di una turbina a gas con lo stesso OPR, e non è ritenuto una alternativa conveniente per il caso studiato. Il ciclo con il wave rotor con combustione interna può dare un miglioramento di efficienza fino al 6% e una riduzione fino al 17% del peso (efficienza 43%, peso 130 kg) rispetto a un ciclo Brayton con la stessa TET (1000 K) e rapporto di compressione (17). Questi risultati sono ottenuti con tecnologia dimostrata, e risultati migliori si ottengono in condizioni ritenute accettabili ma ancora non dimostrate. Questo ciclo è quindi un'alternativa interessante e il suo studio dovrebbe essere proseguito oltre. Il ciclo con la camera di combustione rimpiazzata da un motore a pistoni può dare, con una stima molto ottimistica, un'efficienza termica fino al 43% con un peso di 490kg. A causa del peso eccessivo, triplo rispetto a una turbina a gas con stessa TET, questo ciclo non può dare alcun miglioramento in termini di endurance nel caso studiato. Tale ciclo può migliorare l'endurance solo se vengono considerate temperature e pressioni estreme, non fattibili nel prossimo futuro.