Studio preliminare di un dirigibile con motore a turbina innovativo a zero emissioni utilizzante Tridyne

In this dissertation a study was carried out on a zeppelin, built with different turbine engines connected to propellers in order to conduct different missions. The study was particularly focused on the aforementioned propellers’ performance, at high and low rate, fed by an environmentally friendly mix, commonly called Tridyne and composed of 3 different gas percentages: Helium, Oxygen, and Hydrogen. This last one is the gaseous element which will allow combustion inside the propellers, whereas the Helium will take advantage of Archimedes’ principle allowing the zeppelin to float. The propellers which were analyzed on the next task develop traction through the conversion from thermal energy to mechanic, caused by a rotation (reducer connected to the propellers and consequently, unlike the propellers built into the aircrafts in which traction is obtained by the speed of the released gas), in this case the released gas will have instead a speed compared to the speed in entrance, making a traction contribution almost negligible to it. Once the zeppelin’s geometric settings were chosen, it proceeded with modeling the main features such as: the allowed payload during the mission, the propellers’ power effectiveness, the propulsive power and the traction generated. Such creation came up taking into account two fundamental variables which being the ground speed and rate change. The next step was the study of the propellers’ thermodynamic cycle, whether it was fed with air or Tridyne, in order to highlight the differences, both at high and low rate. At the end one last thermodynamic analysis was carried out, this time adding intercooler and heat recovery devices. The aim of this task therefore was to offer a plausible alternative for the different commercial and tourist flights, trying to remove the negative aspects linked with aircrafts like: emissions given by the use of highly polluting fuels such as avionic fuel or kerosene; the planning behind to take advantage of the ability to take off vertically, eliminating so the need of a take-off or landing runway and the same plane’s transport time, since the zeppelin will have an inferior speed regardless; and lastly the cost reduction mostly thanks to the improvement on logistics performance, which therefore would lower the transport cost from and to the airport. The technological advancements, especially the European ones, indicate the five years between 2018-2022, a time of a likely beginning of operations using this kind of service. The last chapter contains the conclusion, the particular aspects that came up and the possible future developments.

Nella presente tesi è stato studiato un dirigibile costituito da diversi motori a turbina collegata ad eliche per poter svolgere differenti missioni. In particolare ci si è focalizzati sullo studio delle prestazioni di tali turbine, a bassa ed alta quota, alimentate da una miscela ecosostenibile, chiamata comunemente Tridyne e costituita da percentuali differenti di tre gas: Elio, Ossigeno e Idrogeno. Quest’ultimo è l’elemento gassoso che ci permetterà di avere la combustione all’interno della turbina, mentre l’elio avrà lo scopo di usufruire del principio di Archimede per permettere all’aerostato di poter galleggiare nell’aria. Le turbine analizzate nel seguente lavoro sviluppano la trazione attraverso la conversione di energia da termica a meccanica, attraverso un apposito generatore termoelettrico collegato alle eliche e di conseguenza, a differenza delle turbine installate sugli aeromobili, in cui la trazione si ottiene attraverso la velocità del gas di scarico, nel caso seguente il gas di scarico avrà invece una velocità paragonabile alla velocità in ingresso e quindi genererà un contributo di trazione pressoché trascurabile. Scelta una configurazione geometrica del dirigibile, si è passati poi alla modellazione delle caratteristiche principali come: il payload consentito durante la missione, la potenza effettiva delle eliche, la potenza propulsiva e la trazione sviluppata. Tale modellazione è avvenuta considerando due variabili fondamentali quali la velocità di avanzamento e la variazione di quota. Il passo successivo è stato quello di studiare il ciclo termodinamico delle turbine, sia nel caso in cui quest’ultima fosse alimentata dall’aria e sia nel caso in cui fosse alimentata dal Tridyne, in modo tale da poter sottolineare e mettere in evidenzia le differenze tra le prestazioni sia nel caso ad alta quota che nel caso a bassa quota. Infine è stata svolta anche un ulteriore analisi termodinamica inserendo però intercooler e recuperatore di calore. L’obiettivo del lavoro quindi è quello di offrire un’alternativa valida alle differenti missione relative alla navigazione turistica aeronautica, cercando di eliminare gli aspetti negativi legati agli aeromobili come: le emissioni dovute all’utilizzo di carburanti con un alto livello di inquinamento, come la benzina avio o cherosene, la logistica sfruttando la possibilità di decollare verticalmente, quindi eliminando la necessità di avere un pista per il decollo e atterraggio ed ottenere i medesimi tempi di 8 trasporto dell’aereo, visto che il dirigibile avrà comunque velocità inferiori; infine la riduzione dei costi soprattutto grazie al miglioramento della logistica, che quindi permetterebbe di tagliare costi dovuti al trasporto da e verso l’aerostazione. I progressi tecnologici, specialmente europei, indicano nel quinquennio 2018-2022 un tempo di possibile avvio operativo per servizi di questo tipo. Il capitolo finale racchiude le conclusioni, gli aspetti particolari emersi e i possibili sviluppi futuri.