بخشی از مقاله
خلاصه :
موتورهای توربوجت را می توان سیستم های ترمودینامیکی چندین ورودی و خروجی در نظر گرفت. در این مطالعه یک موتور توربوجت با اجزاء واقعی - دارای راندمان کارکردی - در نظر گرفته شده است که برای ارتفاع 11 کیلومتر از سطح دریا و برای اعداد ماخ مختلف از جمله فروصوت و فراصوت مدل شده است . با بکارگیری قانون اول ترمودینامیک خروجی های سیستم یعنی نیروی رانش، راندمان های سیستم، مصرف ویژه سوخت نسبت به ورودی های انتخاب شده تعیین شده و بصورت همزمان قانون دوم ترمودینامیک جهت تحلیل اگزرژی هر جزء از مجموعه سیستم اعمال شده است .
در انتها چگونگی رفتار پارامترهای هدف با تغییرات نسبت فشار کمپرسور در گستره ی 5 تا 30 و عدد ماخ ورودی در گستره ی 0.2 تا 2 و دمای ورودی به توربین برای 3 دمای 1400، 1500و1600 نمایش داده شده است.
نتایج نشان می دهد که در توربین برای دماهای ورودی بیشتر از 1500 و در محدوده ی نسبت فشار کمپرسور بین راندمان اگزرژی کاهش می یابد در حالی که برای دمای ورودی به توربین کمتر از 1500 افزایش می یابد. در کمپرسور نیز برای ماخ ورودی کمتر از یک و نسبت فشار کمپرسور کمتر از 10راندمان اگزرژی کمپرسور افزایش ولی برای اعداد ماخ ورودی فراصوت با افزایش نسبت فشار کمپرسور راندمان اگزرژی کمپرسور کاهش می یابد.
.1 مقدمه:
از آوریل 1937 که فرانک ویتل موتور جت خود را به حرکت در اورد تا به امروز توربین های گازی اثری غیر قابل انکار بر جوامع بشری بر جای گذاشته اند با توجه به رشد روزافزون مسافرتهای هوایی و افزایش دغدغههای مرتبط با مسائل زیستمحیطی و اقتصادی و همچنین در پی افزایش کاربرد توربین های گازی و خصوصأ موتورهای توربوجت نیاز به بهبود بخشیدن عملکرد این موتورها, کم کردن مقدار مصرف سوخت, بالا بردن نیروی پیشرانه , افزایش بازده کل پیش از پیش روشن گردید.
در موتورهای احتراق داخلی بهره برداری ناقص از انرژی سوخت برای تولید به کار مفید، ناشی از تخریب اگزرژی است که معمولاً به عنوان بازگشت ناپذیری شناخته میشود. کاهش بازگشت ناپذیری ها میتواند موجب عملکرد بهتر موتور و بهره برداری مناسب تر از انرژی سوخت شود. به دلیل کاهش منابع سوختهای فسیلی جهان، رشد قیمتهای سوخت و نیز افزایش نگرانیهای زیستمحیطی، تلاشهای زیادی در جهت افزایش راندمان و کارایی سیستمها صورت گرفته است. تحلیل اگزرژی ابزاری مفید و کاربردی در جهت کمک به این تلاشها میباشد. بسیاری از مهندسان و دانشمندان پیشنهاد میکنند که تحلیل اگزرژی روشی بسیار موثری برای ارزیابی و افزایش کارایی ترمودینامیکی و نیز مقدم بر تحلیل انرژی میباشد.
.1-1 اهمیت انرژی و اگزرژی در موتورهای هوایی:
مسافرت افراد از طریق حمل و نقل هوایی هر ساله به میزان 5.1% افزایش مییابد. این رشد نیازمند هواپیماهای جدید و به تبع آن موتورهای پیشرفتهتر خواهد بود. از سوی دیگر این رشد حمل و نقل، باعث افزایش نرخ آثار مخرب ناشی از موتورهای جت مثل آلایندگیها، اختلالهای ترافیکی پیشبینینشده، سر و صداهای بیوقفه در اطراف فرودگاهها و اثرات منفی بر سلامتی مردم و کیفیت زندگی آنها خواهد شد. برای غلبه نسبی بر این عوامل زیانبار روی محیط و نیز در جهت کاراتر کردن نقل و انتقالات هوایی، دانشمندان باید در تعاملی نزدیکتر با دولتها و صنایع در راستای هوانوردی سبز و پایدار قرار گرفته و تلاش کنند.
صنایع واییه مسئول حدوداً 2% از آلایندههای گازهای گلخانهای جهان - GHG - هستند. این سهم، نتیجه مصرف 2-3% از سوختهای فسیلی جهان میباشد. اگر نرخ رشد کنونی مسافرتهای هوایی به همین صورت ادامه یابد، پیشبینی شده که این روند تا سال 2050 به حدود 3% برسد.
مطابق آمارهای آژانس جهانی انرژی - IEA - 1، مصرف سوخت هوایی به طور متوسط در هر سال به میزان 2.5% افزایش مییابد و تصور میشود در سال 2030 این مقدار به 2.6% از مصارف انرژی جهان برسد.
با در نظر گرفتن مصالح محیط زیست، اقتصاد و اجتماع توسعه پایدار محقق میگردد. از طرفی ابزارهای سنجش مهندسی، یعنی انرژی و آنتروپی که هر یک برگرفته از دو قانون ترمودینامیکی مجزا میباشند، از طریق نقطه اشتراک کلیدی به نام اگزرژی به هم متصل شده و امکان بررسی پارامتریک و مدلسازی سیستمها را فراهم میکنند و به طراحان اجازه میدهند تا میزان همسویی سیستم با توسعه پایدار را بررسی کنند اولین مطالعه صورتگرفته در زمینه انرژی و اگزرژی موتورهای هوایی توسط روث و ماوریس[4] 2صورت گرفته است که در آن تلفات ترمودینامیکی در یک توربین گاز هوایی تحلیل شد. با فرض راندمان آیزنتروپیک %85 برای کمپرسور، راندمان آیزنتروپیک توربین 90%، و یک افت فشار 5% در محفظه احتراق، پارامترهای عملکردی مختلف موتور توربوجت J-79 ارایه شده است. همچنین پارامترهای اگزرژی موتور در سطح دریا و ارتفاع 6.09 کیلومتری - 2000ft - محاسبه شده است.
در مرجع[5] تغییرات عملکرد اگزرژی یک موتور توربوجت برای گستره ارتفاعی 0 تا 15 کیلومتری دیده شده است. مولفان نتیجه گرفتهاند که کاهش راندمان واقعی موتور متناسب با افزایش ارتفاع میباشد. ریجینز[6] 3 در مقاله خود یک رهیافت اگزرژی برای دستیابی به پایداری عملکرد موتورهای جت ارایه کرد. به عنوان یک نتیجه، او توانست تلفات را با استفاده از برگشتناپذیری بیان کند. در این مقاله به اهمیت جریان اگزرژی در طراحی موتور و فرایندهای بهینهسازی تاکید شده است.
توران[7] 4 اثر پارامترهای طراحی را بر یک موتور توربوجت کوچک، از نظر اگزرژی و بر مبنای دادههای سیکل تئوری و تغییرات پارامترهای اگزرژی برای نسبت فشارها و دماهای ورودی به توربین مختلف ارایه نمود. تاکید شده است که راندمان اگزرژی کمپرسور متناسب با نسبت فشار هوا است و از دمای ورودی به توربین مستقل میباشد. بهعلاوه از نظر اگزرژی نسبت فشار هوای بالاتر اثری مثبت بر محفظه احتراق دارد. توران در یک مطالعه موردی در ارتباط با لزوم بهینهسازی ترمودینامیکی برای شرایط عملکردی با دمای ورودی به توربین با مقادیر زیاد را بحث کرده است.
در مرجع [8] بالی یک تحلیل اگزرژی برای موتور توربوجت J69-T25A با استفاده از دادههای تجربی به دست آمده از مرکز تعمیرنگهداری نیروی هوایی ترکیه ارایه کرده است.
احیائی و همکاران تحلیل اگزرژی را برای موتور توربوجت با پسسوز بررسی کردهاند. موتور مورد بررسی در دو شرایط ارتفاعی مختلف و نیز دو شرایط سرعت ورودی مختلف در نظر گرفته شده است. بر خلاف سایر مطالعات، انرژی و اگزرژی جنبشی نیز در این مطالعه لحاظ شده است. به عنوان یکی از نتایج مقاله، بیان شده است که با کاهش سرعت هوای ورودی راندمان اگزرژی اجزای موتور کاهش مییابد. بالی[10] 1 اثر پسسوز را بر یک موتور توربوجت J85-CAN-15 از نظر اگزرژی به بحث کشیده است. مطابق این مقاله، در زمان روشن-بودن پسسوز راندمان انرژی و اگزرژی موتور کاهش مییابد.
.2 تحلیل پارامتری و معادلات حاکم:
.1 -2 روابط قانون اول در موتور توربوجت:
دیدگاه تکنیکی پیشرانه های جت می توانند نوع خاصی از موتور های احتراق داخلی تعریف شوند که قدرت خارجی خود را با استفاده از نرخ تغییر انرژی جنبشی سیال عامل درون موتور تولید می کنند. هوای محیط به عنوان سیال عامل از طریق ورودی دیفیوزر وارد موتور می شود گاز خروجی که شامل هوا و محصولات احتراق است در خروجی نازل تا فشار هوای محیط منبسط می شود.
شکل - - 1 شمای کلی یک موتور توربوجت را نشان می دهد و قسمت های مختلف آن شماره گذاری شده اند.در این تقسیم بندی صفر، محیط در نظر گرفته شده، - 2 - ورودی موتور، - 4 - پس از کمپرسور و قبل از اتاق احتراق، - 4 - پس از اتاق احتراق و قبل از توربین - - 5 پس از توربین و - 9 - خروجی از نازل می باشد.
این شماره گذاری برای انواع دیگر توربوموتورها نیز بکار می رود.در این شماره گذاری ها شماره - 1 - برای شرایط ورودی به موتور است که بیشتر حالات با صفر یکسان فرض می شود.شماره های - 6 - تا - 8 - هم مخصوص پس سوز و نازل های همگرا- واگرا هستند. تحلیل سیکل، تغییرات ترمودینامیکی سیال عامل را هنگامی که این سیال از درون موتور جریان می یابد مورد بررسی قرارمی دهد وکارایی موتور را در شرایط پروازی مختلف و انتخاب های طراحی متفاوت و محدودیت های پارامتری طراحی بیان می کند.برای انجام این تحلیل به طور خلاصه متغیرها و روابط موتور معرفی می شوند.
شکل - - 1 - شمای کلی یک موتور توربوجت
