Conceptual and preliminary design of innovative thermodynamic cycles for aero engines for the year 2050 aircrafts

Abstract

The goal of the current thesis is the design of thermodynamic cycles for aero engines and aero engines components, for aircrafts that will be in service in 2050. The main objectives of the thesis are summarized below: Investigation of intercooled recuperative cycles for aero engines, investigation of recuperative cycles for helicopter engines, design of heat exchangers for aero engines, development of a holistic approach and methodology for the efficient design of heat exchangers. The research follows an applied thermodynamics approach, and is supported by a wide range of tools: 1) analytical tools for analysis of thermodynamic cycles, 2) high-fidelity computational fluid dynamics tools, 3) analytical tools for the design of heat exchangers. A reference engine was initially defined, designed and studied. Given the power requirements of the reference engine, intercooled recuperative engines have been designed and studied. For the investigation of innovative cycles, it was necessary to develop multi-parameter and flexible tools for modeling thermodynamic cycles. Tools capable to design in a few minutes a plurality of heat exchangers were developed. For each new heat exchanger the heat transfer effectiveness and the pressure drop of each flow, as well as, all basic dimensions, the volume and the total weight are calculated. A methodology to predict the heat exchanger noise attenuation effect was also developed.

Ο σκοπός της διδακτορικής διατριβής είναι o σχεδιασμός καινοτόμων θερμοδυναμικών κύκλων για αεροπορικούς κινητήρες καθώς και ο σχεδιασμός επιμέρους τμημάτων αεροπορικών κινητήρων για αεροσκάφη που θα επιχειρούν το 2050. Πρόκειται για μια πλήρη τεχνολογική έρευνα, τα βασικά αντικείμενα της οποίας συνοψίζονται ως εξής: 1) Διερεύνηση θερμοδυναμικών κύκλων με επανάκτηση θερμότητας και ενδιάμεση ψύξη, για εφαρμογές σε αεροπορικούς κινητήρες. 2) Διερεύνηση θερμοδυναμικών κύκλων με επανάκτηση θερμότητας, για εφαρμογές σε κινητήρες ελικοπτέρων. 3) Σχεδιασμός και διαστασιολόγηση διατάξεων εναλλακτών θερμότητας για εφαρμογές σε αεροπορικούς κινητήρες. 4) Ανάπτυξη εργαλείων για την ανάλυση της επίδρασης της γεωμετρίας του εναλλάκτη θερμότητας στην κατανάλωση καυσίμου. Η έρευνα ακολουθεί μία προσέγγιση εφαρμοσμένης θερμοδυναμικής, ενώ υποστηρίζεται και από ένα ευρύ φάσμα εργαλείων, ώστε να εξασφαλισθεί μία όσο το δυνατόν πιο ολιστική αντιμετώπιση. Επιγραμματικά, γίνεται χρήση 1) αναλυτικών εργαλείων ανάλυσης θερμοδυναμικών κύκλων, 2) υπολογιστικών εργαλείων υψηλής ανάλυσης (υπολογιστικής ρευστομηχανικής), και 3) αναλυτικών εργαλείων για τη διαστασιολόγηση εναλλακτών θερμότητας. Στο πλαίσιο της παρούσας έρευνας, αρχικά καθορίστηκε, σχεδιάστηκε και μελετήθηκε ένας αεροπορικός κινητήρας αναφοράς. Με δεδομένο τις απαιτήσεις ισχύος του κινητήρα αναφοράς, σχεδιάστηκαν και μελετήθηκαν αεροπορικοί κινητήρες που έχουν εγκατεστημένους εναλλάκτες θερμότητας για την αξιοποίηση της χαμένης θερμότητας. Σχετικά με τα συστήματα επανάκτησης θερμότητας, αξιοποιώντας αποτελέσματα υπολογιστικής ρευστομηχανικής και πειραμάτων, δημιουργήθηκαν εργαλεία ικανά σε μερικά λεπτά να σχεδιάσουν πληθώρα εναλλακτών θερμότητας, υπολογίζοντας τις ιδιότητες που αφορούν την μετάδοση θερμότητας και την πτώση πίεσης κάθε ρεύματος. Ταυτόχρονα, για κάθε νέο εναλλάκτη θερμότητας που προκύπτει υπολογίζονται όλες οι βασικές διαστάσεις, ο όγκος, το συνολικό του βάρος καθώς και η επίδραση που αυτός έχει στην κατανάλωση καυσίμου. Στη συνέχεια, η έρευνα επικεντρώθηκε στην ανάπτυξη μεθοδολογίας που θα μπορέσει να προβλέψει το θόρυβο που δύναται να αποσβέσει ο εναλλάκτης. Η σύγκριση και η αξιολόγηση των αποτελεσμάτων πραγματοποιήθηκε με χρήση διαθέσιμων αλλά περιορισμένων σε αριθμό πειραματικών μετρήσεων.