Il ciclo Brayton-Joule per la generazione di spinta propulsiva: stato dell'arte e obiettivi futuri

The aim of the following thesis is to analyze specifically the Brayton-Joule cycle that refers to the operation of most military and airliner aircraft engines, in order to be able to look to the future, to possible innovations in the aerospace field regarding a very important issue nowadays, environmental pollution. Starting from the thermodynamic analysis of the cycle, the mechanical characteristics of the most important types of engines, i.e. turbojets and turbofans, are then analyzed in detail, referring to their history from the dawn to the present day. To get an even clearer idea of how they work, the cycle inside the engine of the fastest airliner in history, the Concorde, is analyzed with appropriate calculations. This analysis was carried out using technical data relating to the turbojet in question in order to analyze its performance both in terms of thrust and flight range, highlighting the problems that have made this aircraft no longer usable since 2003. Finally, an in-depth research and detailed analysis of the possible types of fuel and thermodynamic cycles that aim to make a breakthrough from the point of view of polluting emissions is carried out. All starting from the optimization of the Brayton-Joule cycle itself to the revolutionary innovations of one of the most important manufacturers in the world, Rolls-Royce, and the use of hydrogen as a possible new fuel.

L'obiettivo della seguente tesi di laurea è quello di analizzare nello specifico il ciclo Brayton-Joule che fa capo al funzionamento della maggior parte dei motori di aerei sia militari sia di linea, per poter in seguito guardare al futuro, alle possibili innovazioni nel campo aerospaziale riguardo un tema molto importante al giorno d’oggi, l’inquinamento ambientale. A partire dall’analisi termodinamica del ciclo, vengono in seguito analizzate nel dettaglio le caratteristiche meccaniche delle tipologie di motori più importanti, ossia i turbogetto e i turboventola, facendo riferimento alla loro storia dagli albori ai giorni d’oggi. Per avere un’idea ancora più chiara del loro funzionamento, viene analizzato con opportuni calcoli il ciclo all’interno del motore dell’aereo di linea più veloce della storia, il Concorde. Tale analisi è stata effettuata utilizzando dati tecnici relativi al turbogetto in esame al fine di analizzarne le prestazioni sia in termini di spinta propulsiva sia di autonomia di volo, evidenziando le problematiche che hanno reso tale velivolo non più utilizzabile dal 2003. Infine, si effettua una ricerca approfondita e un’analisi dettagliata delle possibili tipologie di combustibile e di cicli termodinamici che hanno l’obiettivo di dare una svolta dal punto di vista delle emissioni inquinanti. Il tutto a partire dall’ottimizzazione dello stesso ciclo Brayton-Joule fino alle innovazioni rivoluzionarie di una delle case produttrici più importanti al mondo, la Rolls-Royce, e all’utilizzo dell’idrogeno come nuovo possibile combustibile.