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On the Performance Potential of Ducted Fans With Integrated Heat Exchangers

Kavvalos, Mavroudis und Bunse, Susanna und Mennicken, Maximilian und Schnell, Rainer und Ferrari, Niccolo und Gross, Christopher (2025) On the Performance Potential of Ducted Fans With Integrated Heat Exchangers. In: 70th ASME Turbo Expo 2025: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, GT 2025. ASME. Turbo Expo 2025: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, 2025-06-16 - 2025-06-20, Memphis, Tennessee, USA. doi: 10.1115/GT2025-151605. ISBN 978-079188887-2.

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Offizielle URL: https://dx.doi.org/10.1115/GT2025-151605

Kurzfassung

Fuel-cell-powered aircraft propulsion is a key hydrogen-based technology that could enable zero in-flight carbon emissions. However, managing the dissipated heat of such systems poses significant design and operational challenges, but at the same time provides potential for additional thrust generation from the waste heat. Integrating ducted heat exchangers within the flowpath of an electrically-driven propulsor could present a promising solution, which this study refers to as the “Heat Propulsor.” A virtual propulsion system framework is deployed to develop a dedicated cycle design and 2D sizing model for the Heat Propulsor. The fan is sized at cruise while the heat exchanger at take-off, to accommodate the high heat load demands during this phase of operation. An analytical heat exchanger model is integrated within the Heat Propulsor simulation framework. A linear diffuser model is used to decelerate the flow before the heat exchanger inlet, with its length calculated to minimize the risk of flow separation. The analysis reveals a trade-off on the choice of Mach number at the heat exchanger inlet. While heat transfer is more efficient at lower Mach numbers, this leads to configurations with excessively long linear diffusers and increased duct losses. It is shown that designing the fan for lower fan-face Mach numbers and shifting part of the required diffusion to the intake duct can revitalize the integration of heat exchangers within the fan flowpath. The study also demonstrates that fuel-cell propulsion systems with high efficiency — and consequently low heat dissipation — render integrated ducted heat exchangers with linear diffusers an unsuitable solution.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/220813/
Dokumentart:Konferenzbeitrag (Vortrag)
Titel:On the Performance Potential of Ducted Fans With Integrated Heat Exchangers
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Kavvalos, Mavroudismavroudis.kavvalos (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-9922-3690199584846
Bunse, SusannaAT-FUVNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Mennicken, MaximilianAT-FUVNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Schnell, RainerAT-FUVNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Ferrari, NiccoloTU WienNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Gross, ChristopherADT EngineeringNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:Juni 2025
Erschienen in:70th ASME Turbo Expo 2025: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, GT 2025
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
DOI:10.1115/GT2025-151605
Verlag:ASME
ISBN:978-079188887-2
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Ducts, Fans, Heat exchangers, Diffusers,Aircraft propulsion,Fuel cells, Fuels, Heat transfer, Hydrogen, Waste heat
Veranstaltungstitel:Turbo Expo 2025: Turbomachinery Technical Conference and Exposition
Veranstaltungsort:Memphis, Tennessee, USA
Veranstaltungsart:internationale Konferenz
Veranstaltungsbeginn:16 Juni 2025
Veranstaltungsende:20 Juni 2025
Veranstalter :American Society of Mechanical Engineers
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Luftfahrt
HGF - Programmthema:Umweltschonender Antrieb
DLR - Schwerpunkt:Luftfahrt
DLR - Forschungsgebiet:L CP - Umweltschonender Antrieb
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):L - Triebwerkskonzepte und -integration
Standort: Köln-Porz
Institute & Einrichtungen:Institut für Antriebstechnik > Fan- und Verdichter
Hinterlegt von: Kavvalos, Mavroudis
Hinterlegt am:13 Dez 2025 04:55
Letzte Änderung:13 Dez 2025 04:55

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