تحلیل انرژی و اگزرژی یک موتور توربوپراپ در شرایط کاری مختلف

نویسندگان

1 دانشگاه تربیت مدرس

2 دانشگاه جامع امام حسین (ع)

چکیده

تحلیل اگزرژی، ابزاری برای تعیین سهم فرایندهای دخیل در انتقال قابلیت کاردهی ورودی به سیستم و مکانی است که در آن، افت انرژی مفید در یک سیستم یا فرایند رخ می‌دهد. در این پژوهش، تحلیل اگزرژیک عملکرد موتور توربوپراپ (Turboprop < /span>) در شرایط کاری مختلف مدنظر است. برای این منظور، یک موتور توربوپراپ بر اساس روش صفربعدی با استفاده از نرم‌افزار گزترب (GASTURB) مدل‌سازی شده و عملکرد آن ابتدا در نقطۀ طرح و سپس در چندین نقطه خارج از طرح، برای شرایط کاری مختلف ارتفاع و ماخ پروازی مشخص گردیده است. سپس پایه‌های مفهومی لازم برای تحلیل اگزرژی سیستم، با تعریف عبارات اگزرژی و ایجاد معادلۀ تعادلی مربوط بنا نهاده شده و روابط مربوط به بازده قانون دوم بر اساس تعاریف مربوط به عایدی و مصرفی در هر جزء ارائه گردیده است. در مرحلۀ بعد، با استفاده از داده‌های ترمودینامیکی به‌دست‌آمده از نرم‌افزار برای مقاطع مشخصۀ سیستم، اگزرژی اجزای مختلف موتور آنالیز شده است. از نتایج تحلیل اگزرژی سهم هر جزء موتور در تخریب اگزرژی می‌توان دریافت که فرایند احتراق عامل غالب در بازگشت‌ناپذیری سیستم است.

کلیدواژه‌ها


[1] Choi, J. W. and Sung, H. G., "Performance Analysis of an Aircraft Gas Turbine Engine using Particle Swarm Optimization", International Journal of Aeronautical & Space Science, Vol. 15, No. 4, pp. 434-443, 2014. [2] هیل، فیلیپ و پیترسون، کارل. مکانیک و ترمودینامیک پیش‌رانش، ترجمه مظاهری، کریم و ایوبی، محمدعلی، انتشارات علمی دانشگاه صنعتی شریف، چاپ اول، 1377. [3] Farokhi, S., Aircraft Propulsion, Second Edition, John Wiley & Sons Ltd, 2014. [4] Teymourtash, A. and Rahmanian, B., "Performance Simulation of a Turboprop Engine in On-design and Off-design Condition", The 9th Iranian Aerospace Society Conference, Aero 2010-4082, Feb. 8-10, 2010. [5] Palmer, J. R. and Cheng-Zhong, Y., "TURBOTRANS: A Programming Language for the Performance Simulation of Arbitrary Gas Turbine Engines with Arbitrary Control Systems", International Journal of a Turbo and Jet engines, 2, pp. 19-28, 1985. [6] Douglas, I. E., Development of a Generalized Computer Program for Gas Turbine Performance Simulation, Ph.D. Theses, Cranfield University, United Kingdom, 1986. [7] Schobeiri, M. T., Attia, M. and Lippke, C., "GETRAN: A Generic, Modularly, Structured Computer Code for Simulation of Dynamic Behavior of Aero and Power Generation Gas Turbine Engines", Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 116, pp. 483-494, July 1994. [8] Sellers, J. F. and Daniele, C. J., "DYNGEN - A Program for Calculating Steady-State and Transient Performance of Turbojet and Turbofan Engines", NASA TN D-7901, April, 1975. [9] El-Masri M. A., "GASCAN-An Interactive Code for Thermal Analysis of Gas Turbine Systems", Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 110, pp. 201-209, 1988. [10] Kong, C., "Performance Simulation of a Turboprop Engine for Basic Trainer", KSME-International Journal, Vol. 16, No. 6, pp. 839-850, 2002. [11] Taslimi-Taleghani, S., Amainifard, N. and Atashkari, K., "Aero-Thermodynamic Optimization of Turboprop Engines Using Multi-Objective Genetic Algorithms", IJE TRANSACTIONS A: BASICS, Vol. 23, No. 3&4, pp. 253-266, November 2010. [12] Crainic, C., Thompson, A. and Harvey, R., "Real Time Thermodynamic Transient Model for Three Spool Turboprop Engine", International Gas Turbine & Aeroengine Congress & Exhibition, Orlando, Florida, June 2-June 5, 1997. [13] Kong, C. and Roh, H., "Steady-State Performance Simulation of PT6A-62 Turboprop Engine Using SIMULINK®", International Journal of Turbo and Jet Engines, Vol. 20, pp. 183-194, 2003. [14] Jarrett, A. and Chen, Y., "Validation of a Gas Turbine Thermodynamic Model without Accurate Component Maps", no. 50800, p. V02CT47A024, 2017. [15] Lee, J. J., "Can We Accelerate the Improvement of Energy Efficiency in Aircraft Systems?", Journal of Energy Convers Manage, Vol. 51, pp. 189-196, 2001. [16] Rosen, M. A., "Assessing Energy Technologies and Environmental Impacts with the Principles of Thermodynamics", Journal of Applied Energy, Vol. 72, pp. 427-441, 2002. [17] Rosen, M. A. and Dincer, I., "Exergoeconomic Analysis of Power Plants Operating on Various Fuels", Journal of Applied Thermal Engineering, Vol.23, pp. 643-658, 2003. [18] Etele, J. and Rosen, M. A., "Sensitivity of Exergy Efficiencies of Aerospace Engines to Reference Environment Selection", Exergy International Journal, Vol. 1, pp. 91-99, 2001. [19] Turgut, E. T, Karakoc, T. H. and Hepbasli, A., "Exergetic Analysis of an Aircraft Turbofan Engine", International Journal of Energy, Vol. 31, pp. 1383-1397, 2007. [20] Coban, K., Colpan C. O. and Karakoc, T. H., "Application of Thermodynamic Laws on a Military Helicopter Engine", Journal of Energy, pp. 1-10, 2017. [21] Turan, O., "Effect of Reference Altitudes for a Turbofan Engine with the Aid of Specific-Exergy Based Method", International Journal of Energy, Vol. 11, pp. 252-270, 2012. [22] Turan, Ö. and Aydın, H., "Numerical Calculation of Energy and Exergy Flows of a Turboshaft Engine for Power Generation and Helicopter Applications", Energy, vol. 115, pp. 914-923, 2016. [23] Balli, O., Aras, H., Aras, N. and Hepbasli, A., "Exergetic and Exergoeconomic Analysis of an Aircraft Jet Engine (AJE)", International Journal of Energy, Vol. 5, pp. 567-581, 2008. [24] Balli, O. and Hepbasli, A., "Energetic and Exergetic Analyses of T56 Turboprop Engine", Energy Conversion and Management Vol. 73, pp. 106-120, 2013. [25] Balli, O., "Advanced Exergy Analyses of an Aircraft Turboprop Engine (TPE)", Energy, Vol. 124, pp. 599-612, 2017. [26] Onder, T., "Exergetic Effects of Some Design Parameters on the Small Turbojet Engine for Unmanned Air Vehicle Applications", Journal of Energy, Vol. 46, pp. 51-61, 2012. [27] Sohret, Y., Dinç, A. and Karakoç, T. H., "Exergy Analysis of a Turbofan Engine for an Unmanned Aerial Vehicle during a Surveillance Mission", Journal of Energy, Vol. 93, pp. 716-729, 2015. [28] Abbas, M. and Riggins, D. W., "Exergy-Based Performance Analysis of a Turbojet Engine", 52nd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, Salt Lake City, UT, July 25-27, 2016. [29] Balli, O., "Advanced Exergy Analyses to Evaluate the Performance of a Military Aircraft Turbojet Engine (TJE) with Afterburner System: Splitting Exergy Destruction into Unavoidable/Avoidable and Endogenous /Exogenous", Journal of Applied Thermal Engineering, Vol. 111, pp. 152-169, 2017. [30] Cohen, H., Rogers, G. F. C., Saravanamuttoo, H. I. H., Gas Turbine Theory, 4th ed., 1996. [31] Balli, O., Aras, H. and Hepbasli, A., "Thermodynamic and Thermoeconomic Analyses of a Trigeneration (TRIGEN) System with a Gas–Diesel Engine: Part I-Metdodology", Energy Convers Manage, Vol. 51, pp. 2252-2259, 2010. [32] Sonntag, R. E., Borgnakke, C. and Van Wylen, G. J., Fundamentals of Thermodynamics, New York, John Wiley and sons, Inc., 6th ed., 2003. [33] Bejan, A., Advanced Engineering Thermodynamics, New York, John Wiley and sons, Inc., 1988. [34] Rakopoulos, C. D. and Giakoumis, E. G., "Second-Law Analyses Applied to Internal Combustion Engines", Operation Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 32, pp. 2-47, 2006. [35] Wark, K., Advanced Thermodynamics for Engineers, New York, McGraw Hill, 1995. [36] گودرزی، امیر، دوستدار، محمد مهدی، «تحلیل انرژی، اگزرژی و اقتصادی موتور احتراق داخلی مجهز به سیستم‌های پرخوران و خنک‌کن میانی»، مجله مهندسی و مدیریت انرژی، شماره 2، صفحۀ 52ـ61، 1394. [37] Mansouri, M. T., Ahmadi, P., Kaviri, A. G. and Jaafar, M. N. M., "Exergetic and Economic Evaluation of the Effect of HRSG Configurations on the Performance of Combined Cycle Power Plants", Energy Convers Manage, Vol. 58, pp. 47-58, 2012. [38] Rakopoulos, C. D. and Giakoumis, E. G., "Second-Law Analyses Applied to Internal Combustion Engines Operations", Prog Energy Combust Sci, Vol. 32, pp. 2-47, 2006. [39] Aydın, H., Turan, O., Karakoc, T. H. and Midilli, A., "Component-Based Exergetic Measures of an Experimental Turboprop/Turboshaft Engine for Propeller Aircrafts and Helicopters", International Journal of Exergy, Vol. 3, pp. 322-348, 2012. [40] گودرزی، امیر، «آنالیز اگزرژی سیستم‌های توربوچارج در موتورهای احتراق داخلی»، کارشناسی ارشد، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران، 1391. [41] گودرزی، امیر، دوستدار، محمد مهدی، «مقایسۀ اگزرژیک عملکرد موتورهای احتراق داخلی اشتعال جرقه‌ای برای سوخت‌های بنزین، متان و هیدروژن»، مجله سوخت و احتراق، دورۀ 7، صفحۀ 90ـ105، 1393. [42] Chase, M. W., "JANAF Thermochemical Tables", Washington, DC: American Chemical Society; New York: American Institute of Physics for the National Bureau of Standards, c1986. United States. National Bureau of Standards. (1986).