Preliminary design and evaluation of active flow control in turbines for an air-cathode supply system of a fuel cell driven aircraft

This thesis investigates the preliminary design and aerodynamic evaluation of turbine configurations for the air-cathode supply system in a fuel cell driven aircraft. Starting from predefined parameters derived from the compressor and fuel cell design—namely, rotational speed, design mass flow rate, and the total temperature and pressure at the fuel cell outlet—multiple turbine concepts were generated and assessed across a range of operating conditions. The study focused on single-stage and two-stage axial turbines designed for inlet Mach numbers of 0.2, 0.25, and 0.3. For each Mach number, three radial locations (hub, mid-span, tip) were considered, and further explored over a span of inner radii ranging from 0.1 m to 0.4 m in 0.005 m increments. Thousands of rotor–stator combinations were generated by varying rotor and stator aspect ratios and meridional velocity changes. These configurations were evaluated based on their ability to meet the target mass flow rate and maximize isentropic efficiency. Following this preliminary design phase, selected optimal geometries were imported into ANSYS CFX for detailed CFD analysis. The initial focus of simulation was to analyze the influence of turbine inlet Mach number on aerodynamic performance. Results revealed that the turbine designs consistently maintained isentropic efficiencies between 89% and 93.5% across a wide range of off-design conditions, including flight regimes such as cruise and take-off. These findings indicated that the turbine map was sufficiently robust, eliminating the need for further optimization measures like variable guide vanes or bypass flows. A subsequent analysis of strut-integrated flow injection (Active Flow Control) is planned and included in the final evaluation to investigate its influence on multi-stage turbine performance, with particular focus on the flow angle variation achievable at the leading edge of the second-stage stator.

Questa tesi riguarda la progettazione preliminare e la valutazione aerodinamica di configurazioni di turbine per il sistema di alimentazione catodica ad aria in un aeromobile alimentato a celle a combustibile. A partire da parametri predefiniti derivati dalla progettazione del compressore e della cella a combustibile — tra cui la velocità di rotazione, la portata massica di progetto e la temperatura e pressione totali in uscita dalla cella a combustibile — sono stati generati e analizzati diversi concetti di turbina in un ampio intervallo di condizioni operative. Lo studio si è concentrato su turbine assiali a uno e due stadi, progettate per numeri di Mach all’ingresso pari a 0,2, 0,25 e 0,3. Per ciascun numero di Mach, sono state considerate tre posizioni radiali (hub, mid-span e tip), esplorando inoltre un intervallo di raggi interni da 0,1 m a 0,4 m con incrementi di 0,005 m. Migliaia di combinazioni rotore-statore sono state generate variando i rapporti d’aspetto e i profili di velocità meridionale. Le configurazioni sono state valutate in base alla capacità di soddisfare la portata massica richiesta e di massimizzare il rendimento isentropico. Dopo questa fase preliminare, le geometrie ottimali selezionate sono state analizzate in dettaglio mediante simulazioni CFD in ANSYS CFX. L’analisi iniziale ha esaminato l’influenza del numero di Mach all’ingresso sulla prestazione aerodinamica. I risultati hanno evidenziato che i progetti mantengono rendimenti isentropici tra il 89% e il 93.5% in un’ampia gamma di condizioni fuori progetto, comprese le fasi operative come il decollo e la crociera. Ciò ha indicato che la mappa operativa della turbina era sufficientemente estesa, rendendo non necessarie ulteriori misure di ottimizzazione, come palette a geometria variabile o bypass. Un’analisi successiva dell’iniezione di flusso tramite strutture portanti (Active Flow Control) è prevista ed è stata inclusa nella valutazione finale al fine di studiarne l’influenza sulle prestazioni della turbina a più stadi, con particolare attenzione alla variazione dell’angolo di flusso ottenibile all’estremità anteriore dello statore del secondo stadio.