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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. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Seiten 1-14. American Society of Mechanical Engineers (ASME). doi: 10.1115/1.4070193. ISSN 0742-4795.

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Offizielle URL: https://dx.doi.org/10.1115/1.4070193

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 also 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 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 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 heat exchanger inlet Mach number. 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.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/220835/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
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/0000-0001-9922-3690199585127
Bunse, SusannaAT-FUVNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Mennicken, MaximilianAT-FUVNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Schnell, RainerRainer.Schnell (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Ferrari, NiccoloTU WienNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Gross, ChristopherADT EngineeringNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:24 Oktober 2025
Erschienen in:Journal of Engineering for Gas Turbines and Power
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
DOI:10.1115/1.4070193
Seitenbereich:Seiten 1-14
Verlag:American Society of Mechanical Engineers (ASME)
ISSN:0742-4795
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Ducts, Fans, Heat exchangers, Diffusers, Aircraft propulsion, Hydrogen, Waste heat, cycle design
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 05:02
Letzte Änderung:13 Dez 2025 05:02

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