Evoluzione tecnica dei motori turbofan: dagli anni '90 alle architetture di prossima generazione

The aim of this thesis is to analyze the main innovations introduced in turbofan engines employed in commercial aviation, with particular focus on improvements in performance and efficiency. Among these innovations are the use of advanced composite materials and metal alloys, the adoption of variable stators, the multi-spool configuration, and turbine blade cooling systems. Subsequently, emerging technologies that will characterize next-generation propulsion systems will be presented, such as the development of high-bypass ratio engines, the implementation of wave rotor, and the use of dual-fuel combustion chambers. Particular attention will also be given to Boundary Layer Ingestion (BLI) turbofan engines, designed to reduce fuel consumption by integrating the engines into the aft or upper fuselage. Finally, the study will discuss the propfan, considered the evolutionary step beyond high-bypass turbofan engines. The entire analysis will be preceded by a technical explanation of the turbofan operating principle and the main parameters that determine its performance and efficiency.

Lo scopo di questo lavoro di tesi è analizzare le principali innovazioni introdotte nei motori turbofan impiegati nell’aviazione commerciale, con particolare attenzione ai miglioramenti in termini di prestazioni ed efficienza. Tra queste innovazioni si annoverano l’impiego di materiali compositi e leghe metalliche avanzate, l’adozione di statori a geometria variabile, la configurazione multialbero e i sistemi di raffreddamento delle pale di turbina. Successivamente verranno presentate le tecnologie emergenti che caratterizzeranno i propulsori di nuova generazione, quali lo sviluppo di motori ad alto rapporto di bypass, l’implementazione dei wave rotor (rotori a onde di pressione) e l’impiego di camere di combustione dual-fuel. Particolare attenzione sarà rivolta anche ai motori a ingestione dello strato limite (Boundary Layer Ingestion, BLI), concepiti per ridurre il consumo di carburante mediante l’integrazione dei propulsori nella coda o sul dorso della fusoliera. Infine, verrà discusso il propfan, considerato l’evoluzione successiva ai turbofan ad alto rapporto di bypass. L’intera trattazione sarà preceduta da una descrizione tecnica del funzionamento del motore turbofan e dei principali parametri che ne determinano le prestazioni e l’efficienza.