Valutazione preliminare delle configurazioni delle turbomacchine per un generatore elettrico a microturbina con intercooler e recuperatore

To address the growing interest in more sustainable air transport, the present work reports the preliminary design of a microturbine generator to power the electric motors that propel a small aircraft with a thrust power of 100 kW. To get a good assessment of the performance of the gas turbine unit, this project aims to develop a method to estimate the efficiencies of compressors and turbines based on non-dimensional parameters and to integrate it into the analysis of the performance of the whole unit. After some evaluation, an intercooled-recuperated gas turbine engine setup was shown to be the most beneficial in terms of weight, efficiency, and fuel consumption. Since this configuration requires two compressors, the effects on the efficiency of mounting the two compressors on the same shaft or two different ones are assessed here. As the latter option is revealed to be the most advantageous in terms of isentropic efficiency, at least two turbines are needed. If two radial turbines are employed, either one or both has to generate the net power; the latter option is demonstrated to be the most efficient. The alternative of using a radial free turbine to drive the generator, with the other two turbines only used for driving their respective compressor, is also evaluated; however, this performs worse than the alternative with two turbines and two generators, and is, therefore, discarded. A simple procedure to evaluate the performances of the gas turbine unit and its turbomachinery components is detailed here.

Per rispondere al crescente interesse per un trasporto aereo più sostenibile, il presente lavoro riporta la progettazione preliminare di un generatore a microturbina per alimentare i motori elettrici che azionano un piccolo velivolo con una potenza di spinta di 100 kW. Per ottenere una buona valutazione delle prestazioni dell'unità, questo progetto mira a sviluppare un metodo per stimare i rendimenti di compressori e turbine basato su parametri non dimensionali e di integrarlo nell'analisi delle prestazioni dell'intera unità. Dopo alcune valutazioni, una configurazione del motore a turbina con intercooler e recuperatore si è dimostrata essere la più vantaggiosa in termini di peso, rendimento e consumo di carburante. Dato che questa configurazione richiede due compressori, vengono qui valutati gli effetti sul rendimento del montaggio dei due compressori sullo stesso albero o su due diversi. Poiché quest'ultima opzione si rivela essere la più vantaggiosa in termini di rendimento isoentropico, è necessario usare almeno due turbine. Se vengono impiegate due turbine radiali, la potenza netta può essere generata da una delle due o da entrambe; quest'ultima opzione si è dimostrata essere la più efficiente. Si è valutata anche l'opzione alternativa di utilizzare una free turbine radiale per l'azionamento del generatore, con le altre due turbine utilizzate solo per l'azionamento del rispettivo compressore; tuttavia, questa configurazione ha un funzionamento peggiore dell'alternativa con due turbine e due generatori, ed è, quindi, scartata. Una semplice procedura per valutare le prestazioni dell'unità turbina a gas e delle sue turbomacchine è qui descritta nel dettaglio.