Future Trends in Aircraft Energy and Propulsion Systems
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Future Trends in Aircraft
Energy and Propulsion
Systems
ICAS
September 2014
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Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Safran. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Safran.
ENERGY AND PROPULSION : THE DRIVERS
MOBILITY
A
WORLD
IN
MOTION
9 BILLION
SUSTAINABILITY
PEOPLE ECONOMY
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TWO MAIN FUNCTIONAL CHAINS ON AN AIRCRAFT
Generate and Share Information
Produce, Transform and Dispatch Energy
Piloting and ECS Energy
Mission configuration Production
passenger
management mastering Management
Nav, com… Flight controls, landing
comfort Fuel, Engines,
IFE, Internet…
gear,, anti-ice… Generators, Distribution
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THE DOMINANT DESIGN
We have been optimizing the same architectures for 50 years
Airliners : Tube + wing + 2 or 4 turbofans below wing
1947
B-47
2009 2013
1987 1994 B787 A350
1972 A320 B777
1967 A300
B737
Helicopters : turboshaft + mechanical transmissions
2009
1999 EC175
1959 1974 EC145
Alouette III AS350
The associated systems have solidified within ATA
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WE ARE REACHING THE LIMITS
100 100
Ideal
90 80
80 CROR 60
UHBR
hprop htherm CFM56
LEAP
70 40
UHBR Installed
% %
60 LEAP 20
CFM56
50 0
5 10 15 20 25 30 0 15 30 45 60
Bypass Ratio Overall Pressure Ratio
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ADDRESSING THE WHOLE ENERGY CHAIN
Aircraft As An Energy System
Aircraft Propulsive
Integration
• UHBR, Open Rotor
• Buried
Primary Primary Energy • Distributed Energy Life
Energy Source Transformation Cycle
Bleed/ Thermal
• Jet A and alternatives • Gas turbine No Bleed Integration • Economy
• Hydrogen • Electric Assistance • Environmental impact
• Electric storage • Non-Brayton
• Full Electric
Non-Propulsive
Energy Systems
• The More Electric Aircraft
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PROPULSION TRENDS
Aircraft engines Helicopter Propulsion
Reference Fuel Burn
500Nm /CFM56-5B/P
(LEAP-1)
EIS 2016
Fuel Burn Improvement
-10% (Improved LEAP)
EIS 2020
-20%
(10-16)
-30% EIS 2025
-40% EIS 2030 « Ultimate Green Engine »
EIS 2035+
-50%
2012 2015 2020 2025 2030 2035 2040
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KEY PROPULSION ISSUES
Turbofans, Open Rotor
Materials : High temperatures, low density for large
engines
Advanced Metallic
CFD HPT Blade CMC LPT Blade
Composite
Turbomachinery efficiency and emissions limits Ultra-Low NOx
Fan Blade
Combustor
Integration : Size, drag, thin nacelle, thermal 3D Optimized
Compressor
management, equipments relocation in core zone
Hybrid propulsion
Maturity of Electrical Technlogies : battery energy
density, power electronics cooling…
Power Sharing and Management
Airframer vs. Propulsion System Supplier perimeters
Non-Brayton cycles
Injection & combustion chamber technologies
Integration into an engine that produces thrust
Experimental CVC chamber
Engine Integration
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AIRCRAFT AS AN ENERGY SYSTEM
The Bleed / Non-Bleed Issue
ECS : constant energy load, second most important energy need
Bleed air is a burden on propulsive optimization
Clean cabin air issues
Need to assess the benefit of bleedless architectures on short-
medium range
Open the door to innovative non-propulsive generation architectures
involving turbo APUs, piston engines, fuel cells
More Electrical Aircraft
Safran has created Labinal Power Systems EGTS
Range of Electrical Applications & Equipments
Mass of wiring = mass of all other electrical components
Need for global electrical optimization
EBAC ETRAS
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EVOLUTION OF SYSTEMS CONFIGURATION
2015 2025 2035
Grid
Loads
Electrical
GENerators GEN
Loads
Power
… center
load
Electrical
distribution
Electrical … …
load distribution
cabinet GEN cabinet …
… Power
Distributed center
Power Electrical
electronics sources
Multiple Electrical Generators Distributed Electrical Sources
Load-dedicated Power Electronics Multifunction Power Centers
or limited mutualization Reconfigurable distribution grid
Standard « sliced » Power electronics
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Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Safran. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Safran.EVOLUTION OF HYBRID PROPULSION VISION
PROPULSIVE (PE) AND NON PROPULSIVE (NPE) ENERGIES
2015 2025 2035 ?
PE Propulsion
Elec.
Eng. Elec.
PE 95% / NPE 5%
No Hybridization Eng. EP électrique
Internal hybrid External hybrid (Supraconductivity ?
propulsion propulsion Nuclear low-energy ?)
Segregated NPE Decentralized Decentralized
NPE sources NPE sources
(batteries, fuel
cells)
NPE Harvesting
Harvesting …
load load load
load load
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Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Safran. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Safran.ENERGY LIFE CYCLE
Renewable Hydrocarbons
Key for the coming decades
Truly Sustainable – Low environmental impact
Low energy processing
AMYRIS
Total – Amyris : bio-transformation
SBRC : Sea water irrigation of Halophytes (salt-compatible plants like
Salicornia)
SBRC
Hydrogen
Probably not an engine issue (see space applications)
LH2 :
Energy Volume Density is an issue for massive use (LH2 density
similar to table tennis balls)
Logistics for massive aviation supply not easy
High pressure gas or solid storage may be envisioned for
limited energy needs (galleys, emergency functions)
Herakles Solid
H2 Generator
Need to model the full cycle
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Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Safran. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Safran.CONCLUSION
Gas turbines will remain at the heart of propulsive energy for the decades
to come
Integration issues more and more critical
Electric assistance (hybridization) will play a significant role
Aircraft will be more and more optimized as a global energy system
Bleed/Non Bleed continues to be investigated
Electrical Technologies will generalize on non-propulsive functions
Electrical network (generation, distribution incl. wiring) offers optimization
opportunities
Renewable Hydrocarbons will play a significant role, complemented by
targeted hydrogen primary source usage
The dialogue between the Airframer and Equipment Supplier is more
crucial than ever
More advances needed in applied physics and systems research
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Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Safran. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Safran.13 / Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Safran. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Safran.
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