Advanced energy and exergy analysis on aircraft jet engines
Havacılık jet motorlarında ileri enerji ve ekserji analizi
- Tez No: 842609
- Danışmanlar: PROF. DR. ALİ KODAL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 165
Özet
Uçak jet motorlarına uygulanabilen tersinmez bir Brayton çevrimi için çeşitli optimizasyon kriter fonksiyonları için karşılaştırmalı bir performans analizi yapılacaktır: Turbojet (art yakıcısız), Turbojet (art yakıcılı), Ramjet ve Turbo-Ramjet. Motor çevriminin çalışması boyunca performansın ve güç kayıplarının daha iyi değerlendirilmesi için yeni tanımlanan parametreler güç kaybı parametresi (PLOS), etkin güç kaybı parametresi (EPLOS) ve Carnot-Brayton şekil faktörü (CBSF) olarak tanıtıldı. Ayrıca maksimum güç (MP), maksimum güç yoğunluğu (MPD), ekolojik performans katsayısı (ECOP) ve ekolojik fonksiyon (ECOL) gibi optimizasyon fonksiyonları dikkate alınmakta ve optimum çalışma koşulları birbirleriyle karşılaştırılmaktadır. Bu araştırma, söz konusu jet motoruna göre, kompresör basınç oranı θ_c, kompresör ve türbin verimlilikleri (η_c and η_t sırasıyla), çevrim sıcaklığı oranı / maksimum çevrim sıcaklığı, yükseklik/irtifa ve uçuş Mach sayısı M_∞ varyasyonları altında havacılık endüstrisine yönelik öngörülen optimizasyon kriterleri üzerindeki etkileri inceledi. Bu nedenle, klasik tersinmez Brayton çevrimi uzatılır ve hava soluyan motorlara uygulanır; termodinamik çevrim modelinin bir parçası olarak tüm motor bileşenlerinin (serbest akıştan girişe ve çıkışa) etkilerini içeriyordu. Birçok araştırmacı, gaz türbinli motor dahil içten yanmalı motorlar için performans analizi yapmış olsa da, bu çalışma, uçak jet motorları için MP, MPD, ECOP ve ECOL gibi mevcut optimizasyon fonksiyonlarının bir uzantısıdır. Belirtildiği gibi, güç yoğunluğu, gücün çevrimdeki maksimum spesifik hacme oranı olarak tanımlanır. ECOP, güç çıkışının kullanılabilirlik kayıp oranına oranı ve ECOL ise güç çıkışı eksi kullanılabilirlik kayıp oranı olarak tanımlanır. Klasik tersinmez Brayton çevrimini uçaklar için geçerli olan hava soluyan motorlara genişletmek için, motor ağırlığı, hacmi ve ön alana göre daha yüksek tahrik verimliliği ve daha yüksek güç çıkışı oranları elde etmek için daha fazla geliştirme çalışması yapılmalıdır. Amaç, maksimum ECOP, ECOL, güç yoğunluğu ve güç koşullarının optimal çalışma koşullarının belirlenmesi için bir temel olarak kullanılabileceği gerçek bir turbojet çevrimi için termodinamik olarak daha verimli bir şekilde motor boyutuna (ağırlığına) daha büyük bir güç çıkışı elde etmektir. ve uçuş koşullarında gerçek turbojet motorları için ön tasarım kısıtlamaları. Uçak motoru çevrimi için kullanılan çeşitli optimizasyon kriteri fonksiyonları için karşılaştırmalı performans analizi, turboramjet motorunun nihai amaçlanan uygulamasına ulaşmak için ramjet, art yakıcısız turbojet ve art yakıcılı tubojet'e uygulanacaktır. Turboramjet motor çevrimi, Türbin Tabanlı Kombine Çevrim Motorları (TBCC) olarak tanımlanır. Bu tür hibrit çevrimli motorlar, İHA'lara, UCAV'lere ve geleceğin hipersonik uçuş araçlarına güç sağlamak için uygulanabilir. Uçak jet motoru çevrimlerine uygulanan tersinmez Brayton çevrimi için karşılaştırmalı performans analizi için kullanılacak yazılım, MathWorks grubu tarafından sağlanan MATLAB 2018b'nin akademik versiyonudur. Havacılık endüstrisinden kaynaklanan emisyonlar ve ışınımsal zorlama (RF), hava kirliliği ve ekoloji üzerindeki etkileri, havacılığın ilk on yayıcıdan biri olarak yer aldığı önemli bir endişe kaynağıdır. RF'ye katkıda bulunan başlıca sera gazı emisyonları şunlardır: karbondioksit CO2, karbon monoksit CO, su H2O, azot oksit NOX, kükürt oksitler SOX ve uçucu organik bileşikler VOC'ler. Bu nedenle, hava taşıtı tahrik sistemlerinin performans değerlendirmesi, güç ve yakıt tüketiminin yanı sıra çevresel ve ekolojik koşullar açısından da değerlendirilmelidir. Bu nedenle, havacılık endüstrisi tarafından ekonomik ve ekolojik olarak uygun 'yeni nesil motorlar' tasarlamak için araç olarak kullanılabilecek çeşitli optimizasyon kriter fonksiyonları. Art yakıcısız turbojet, yeni tanımlanmış performans parametreleri (PLOS, EPLOS ve CBSF) kullanılarak incelendi ve maksimum güç, maksimum güç yoğunluğu, ECOP ve ECOL gibi mevcut amaç fonksiyonları ile birleştirildi. Ayrıca bu parametreler için MP, MPD, MECOP ve MECOL'ün optimal çalışma koşulları üzerindeki değişken etkileri ve bunların motor performansı üzerindeki etkisi gösterilmiştir. Art yakıcılı turbojet, maksimum güç (MP), PLOS ve EPLOS bazında değerlendirildi ve art yakıcısız turbojet ile karşılaştırıldı. Çalışan bir art yakıcıya sahip bir turbojet motor düşünüldüğünde, performans analizi ve karşılaştırması, öncelikle Mach sayısı ve irtifa olan daha kısıtlayıcı parametrelere doğru bir kayma alır. Ek olarak, art yakıcısız ve art yakıcılı motor bileşenleri olmayan turbojetin özgül hacmi MP bazında değerlendirilmiş ve karşılaştırılmıştır. Ramjet sadece maksimum güç (MP) bazında araştırılmış ve brülörsüz ve brülörlü ve brülörlü turbojet ile karşılaştırılmıştır. Ramjet, iki farklı yöntem kullanılarak değerlendirildi: Tek Eğik ve Normal Şok (SOSN) çözümü ile Çoklu Eğik Şok ve Tek Normal Şok çözümü. SOSN varsayımı, giriş için çok daha yüksek bir durgunluk basınç düşüşü sağlar ve gerçek gaz türbini giriş basıncı geri kazanımı (ram geri kazanımı) tasarım özelliklerinin bir temsili değildir. Bu nedenle, MIL-E-5007D spesifikasyonu artık difüzör durgunluk basınç oranının tanımı için kullanılmaktadır ve 1-5 arasındaki Mach sayıları için geçerlidir. Ramjet'e benzer şekilde, turboramjet motorunun performansı, Mach sayısının bir fonksiyonu olarak irtifa ve giriş hava kütle akışındaki değişiklikler için çift modlu çalışmada maksimum güç (MP) amaç fonksiyonu kullanılarak değerlendirildi. Çift modlu çalışma altında, turbojet motor art yakıcı çalışır durumda kabul edildi. Motor konfigürasyonları, termodinamik tahrik çevrimlerine ve denklemlerine göre kesinlikle değerlendirildi. Ne yazık ki, bu tür bir değerlendirme kullanıldığında, motor bileşenleri arasındaki bağlantı ve karşılıklı bağımlılık kaybolur. Herhangi bir motorun itici faktörü, yakıt akışındaki değişikliktir. Yakıttaki bir artış basınçları, sıcaklıkları, NG ve hava akışını yükseltir; bunun tersi de doğrudur. Bu nedenle, gerçek bir motor performansı değerlendirmesi için aşağıdakilerin karşılıklı bağımlılığı: ortam koşulları (serbest akış basıncı, sıcaklık ve Mach sayısı); giriş hava kütle akışı; kompresör, yanma odası, türbin ve çıkış nozulu giriş ve çıkış basınçları ve sıcaklıkları; yakıt akışı; ve gaz jeneratörü hızı birbirini etkilemelidir. Ancak, sevk denklemlerinin sınırlaması nedeniyle, bu ara bağlantı şekli görülemez; güncellenmedikçe. Bununla birlikte, sevk denklemleri ve amaç fonksiyonları, havacılık endüstrisi tarafından ön tasarım amaçları için bir rehber olarak kullanılabilecek araçlardır.Bu araştırmanın, hava soluyan motorların (Ramjet, Turbojet: No Afterburner, Turbojet: With Afterburner ve Turbo-Ramjet) ön tasarımında değerli bilgiler sağlayacağı ve adaptif motor bileşenlerine ve gerçekten akıllı motorlar; tasarımcıların ve motorun amaçlanan performans potansiyeline ulaşmak için mevcut çalışma durumunu değerlendirebilen ve en verimli güç rejiminde (ECOL veya ECOP veya MP veya MPD) çalışabilen bir motor.
Özet (Çeviri)
A comparative performance analysis for various optimization criterion functions is to be carried out for an irreversible Brayton cycle applicable to aircraft jet engines: Ramjet, Turbojet (No Afterburner), Turbojet (With Afterburner), Turbo-Ramjet. Newly defined parameters are introduced as power loss parameter (PLOS), effective power loss parameter (EPLOS) and Carnot-Brayton shape factor (CBSF) for a better assessment of the performance and power losses throughout the operation of the engine cycle. In addition, optimization functions, such as maximum power (MP), maximum power density (MPD), ecological coefficient of performance (ECOP) and ecological function (ECOL) are considered and their optimal operation conditions are compared with respect to each other. This research studied the effects on the prescribed optimization criterions targeted towards the aviation industry under variations of compressor pressure ratio θ_c, compressor and turbine efficiencies (η_c and η_t respectively), cycle temperature ratio / maximum cycle temperature, altitude and flight Mach number M_∞ where applicable with respect to the jet engine being considered. Therefore, the classical irreversible Brayton cycle is extended and applied to airbreathing engines; which included effects of all the engine components (from free stream to inlet to outlet) as part of the thermodynamic cycle model. While many researchers have carried out performance analysis for internal combustion engines including gas turbine engine, this study is an extension of the available optimization functions such as MP, MPD, ECOP and ECOL for aircraft jet engines. As mentioned, power density is defined as the ratio of power to the maximum specific volume in the cycle. Whereas ECOP is defined as the ratio of power output to the loss rate of availability and ECOL as the power output minus the loss rate of availability. In order to extend the classical irreversible Brayton cycle to airbreathing engines applicable for aircrafts, further development studies must be carried out to obtain: higher propulsion efficiency and higher ratios of power output with respect to engine weight, volume, and frontal area. The objective is to obtain a larger power output to engine size (weight) in a more thermodynamically efficient manner for a real turbojet cycle where maximum ECOP, ECOL, power density and power conditions can be used as a basis for the determination of optimal operating conditions and preliminary design constraints for real turbojet engines at flight conditions. The comparative performance analysis for various optimization criterion functions used for the aircraft engine cycle will be applied to ramjet, turbojet without afterburner and tubojet with afterburner to reach the final intended application of turboramjet engine. The turboramjet engine cycle is identified as Turbine Based Combined Cycle Engines (TBCC). Such hybrid cycle engines can be applied to UAV's, UCAV's and powering future hypersonic flight vehichles. The software to be used for the comparative performance analysis for the irreversible Brayton cycle applicable to aircraft jet engine cycles is the academic version of MATLAB 2018b provided by the MathWorks group. The emissions and radiative forcing (RF) from the aviation industry and its effects on air pollution and the ecology are an important concern, where aviation ranks as one of the top ten emitters. The major greenhouse gas emitters that contribute to RF are: carbon dioxide CO2, carbon monoxide CO, water H2O, nitrous oxide NOX, sulphur oxides SOX and volatile organic compounds VOCs. Thus, performance evaluation of aircraft propulsion systems must be assessed with respect to environmental and ecological conditions as well as power and fuel consumption considerations. Therefore, various optimization criterion functions which can be used as tools by the aviation industry to design 'new generation engines' which are economically and ecologically favourable. It is anticipated that this research would provide valuable insight in the preliminary design of airbreathing engines (Ramjet, Turbojet: No Afterburner, Turbojet: With Afterburner and Turbo-Ramjet) and set a stage for exploration towards adaptive engine components and cycles for the conception of truly intelligent engines; an engine that can assess its current operating state and work under the most efficient power regime (ECOL or ECOP or MP or MPD) to achieve the designers and engine's intended performance potential.
Benzer Tezler
- Yüksek basınç türbini çarpışma manifoldu uçak motor parçası üzerinde atmosferik plasma spray yönteminin uygulanması ve metalografik incelemesinin yapılması
High pressure turbine collision manifold on aircraft engine part application of atmospheric plasma spray method and metallographic review
SAMET ERGÜL
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ALİ ARSLAN
- İçten yanmalı dizel motor konsept tasarımında parametrik tasarım yönteminin kullanımı
Parametric design method in concept design of diesel internal combustion engines
AHMET YAYLI
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HİKMET ARSLAN
- Pervane aerodinamiği için girdap kafes uygulamaları
Vortex lattice applications for propeller aerodynamics
EMRE ŞAHİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MAHMUT ADİL YÜKSELEN
- Uçak elektrik dağıtım sistemlerinde yük dengeleme ve arızaların analizi
Load balancing and faults analysis in aircraft electric distribution systems
YILMAZ KARA
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA BAĞRIYANIK