مکانیک سیالات و آیرودینامیک

مکانیک سیالات و آیرودینامیک

کاهش مصرف سوخت ویژه یک موتور میکرو - توربوجت با تبدیل آن به موتور میکرو - توربوفن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
امین ایمانی 1
امین انجم روز 2
علی راستی 3
1 استادیار، دانشگاه بوعلی سینا، همدان، ایران
2 دانشجوی دکتری، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران
3 دکتری تخصصی ، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران
چکیده
با وجود کاربرد زیاد موتورهای میکروتوربینی در عرصه­های مختلف هوافضا، اما این موتورها برای تأمین تراست مطلوب، سوخت نسبتاً بالایی مصرف می­کنند. میزان مصرف سوخت یک پارامتر کلیدی در کارایی، مداومت پرواز و برد یک وسیله پرنده بدون سرنشین است. یک راهکار مؤثر برای کاهش مصرف سوخت این موتورها در عین حفظ میزان تراست، تبدیل آنها به موتورهای میکرو - توربوفن است. در این تحقیق، یک ساختار موتور میکرو - توربوفن با جریان آمیخته مشتق از یک موتور میکرو - توربوجت بکار گرفته می­شود. جهت تحلیل عملکرد این ساختار، یک مدل‌سازی ترمودینامیکی با روش تکرار ماتریسی و حل­کننده نیوتن - رافسون برای یک موتور میکرو - توربوفن انجام می­شود. یافته­های مدل‌سازی موتور در مقایسه با یک نرم‌افزار شبیه­سازی عملکرد موتور توربینی صحه­گذاری می­شوند. پس از آن ماژول فن لازم برای موتور تبدیل یافته طراحی شده و عملکرد موتور میکرو - توربوفن در حالت پایا و گذرا مورد بررسی قرار می­گیرد. مقایسه عملکرد موتور جدید با داده­های تست موتور پایه نشان می­دهد که علی‌رغم عدم تغییر در مقدار تراست، مصرف سوخت ویژه به‌اندازه 20 درصد کاهش می­یابد. 
کلیدواژه‌ها
جریان آمیخته
موتور میکرو- توربوفن
مدل‌سازی ترمودینامیکی
طراحی فن
مصرف سوخت ویژه

عنوان مقاله English

Reducing the Specific Fuel Consumption of a Micro-Turbojet Engine by Converting it into a Micro-Turbofan Engine

نویسندگان English

Amin Imani 1
Amin Anjomrouz 2
Ali Rasti 3
1 Assistant Professor.Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran
2 PhD student.Sharif University of Technology, Tehran, Iran
3 PhD, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
چکیده English

Despite the wide use of micro-turbine engines in various aerospace fields, these engines consume a relatively high amount of fuel to provide desired thrust. The fuel consumption is a key parameter in the efficiency, endurance and range of an unmanned air vehicle. An effective approach to reduce the fuel consumption of these engines while maintaining the thrust value is to convert them into micro-turbofan engines. In this research, a mixed flow micro-turbofan engine structure derived from a micro-turbojet engine is employed. In order to analyze the performance of this structure, a thermodynamic modeling using matrix iteration method and Newton-Raphson solver is performed for a micro-turbofan engine. The findings of engine modeling are validated against a gas turbine performance simulation software. Afterwards, the required fan module is designed for the converted engine. The operation of the micro-turbofan engine in the steady-state and transient regime is investigated. Comparing the performance of the new engine with the experimental data of baseline engine indicates that despite no change in thrust value, the specific fuel consumption is reduced by 20%.

کلیدواژه‌ها English

Mixed flow
Micro-turbofan Engine
Thermodynamic Modeling
Fan Design
Specific Fuel Consumption

Smiley face

  1. Derbel, K., and Beneda, K. “Sliding Mode Control for Micro Turbojet Engine Using Turbofan Power Ratio as Control Law”, J. energies. Vol. 13, No. 18, 2020.
  2. Kadosh, K., and Cukurel, B. “Micro-Turbojet to Turbofan Conversion via Continuously Variable Transmission: Thermodynamic Performance Study”, ASME J. Eng. Gas Turbines Power. Vol. 139, No. 2, 2017.
  3. Palman, M., Leizeronok, B., and Cukurel, B. “Mission Analysis and Operational Optimization of Adaptive Cycle Microturbofan Engine in Surveillance and Firefighting Scenarios”, ASME J. Eng. Gas Turbines Power. Vol. 141, No. 1, 2019.
  4. Vyas, U., Andreoli, V., and Paniagua, G. “Effect of Transonic Inlet Design on the Performance of a Micro-Turbojet”; AIAA Aerosp. Sci. Meeting, Kissimmee, Florida, 2018.
  5. Large, J., and Pesyridis, A. “Investigation of micro gas turbine systems for high speed long loiter tactical unmanned air systems”, J Aerosp. Vol. 6, No. 5, 2019.
  6. Ilhan, M., Tayyip Gurbuz, M., and Acarer, S. “Unified Low-Pressure Compressor Concept for Engines of Future High-Speed Micro-Unmanned Aerial Vehicles”, Proc. Inst. Mech. Eng., Part G: J. Aerosp. Eng. Vol. 233, No. 14, pp. 5264-5281, 2019.
  7. Tayyip Gurbuz, M., & Acarer, S. “Aerodynamic Analyses of an Integrated Low-Pressure Compression System for Adaptive-Cycle Micro Turbofan Type Jet Engine”, DEUFMD, Nol. 24, No. 72, pp. 939-951, 2022.
  8. Öttl, C., and Reinhard, W. “Thermodynamic and Mechanical Design Concept for Micro-Turbojet to Micro-Turboshaft Engine Conversion”, Proc. of the ASME Turbo Expo. V008T20A005, 2020.
  9. Seddighi, M., Fazeli, H. “Thermodynamic Design of a Power Turbine for Using in Conversion Process of a Turbojet Engine to a Turbo-shaft Engine”, Sci. J. Fluid Mech. & Aerodyn. Vol. 3, No. 1, 2014. (in Persian)
  10. Kelly, C., McCain, C., Bertels, J., Weekley, S., Moody, K.J., Utley, L., and Rouser, K.P. “Design of a Geared Turbofan Module for Small Unmanned Aircraft Applications”, AIAA Scitech Forum, 2021.
  11. Titan Gas Turbine Manual, AMT Netherlands, 2014.
  12. Mattingly, J. D., Heiser, W. H., and Pratt, D. T. “Aircraft Engine Design”, 2nd ed., AIAA, Reston, 2002.
  13. Lichtsinder, M,. and Levy, Y. “Jet Engine Model for Control and Real-Time Simulations”, ASME J. Eng. Gas Turbines Power. Vol. 128, No. 4, pp. 745-753, 2006.
  14. Giffin, R. G., Parker, D. E. and Dunbar, L.W. “Experimental Quiet Engine Program Aerodynamic Performance of Fan C”, Report No. NASA CR-120981, Washington, DC, 1972.
  15. Stabe, R. G., Whitney, W. J., and Moffitt, T. P. “Performance of a High-Work Low Aspect Ratio Turbine Tested with a Realistic Inlet Radial Temperature Profile”, NASA/TM—1984-83655, Lewis Research Center, Cleveland, Ohio, 1984.
  16. Cumpsty, N. “Jet Propulsion: a Simple Guide to the Aerodynamic and Thermodynamic Design and Performance of Jet Engines”, Cambridge University Press, UK, 2003.
  17. Dufour, G., Carbonneau, X., Cazalbou, J. B., and Chassaing, p. “Practical Use of Similarity and Scaling Laws for Centrifugal Compressor Design”, Proc. of the ASME Turbo Expo. GT2006-91227, Barcelona, Spain, 2006.
  18. Kurzke, J., and Halliwell, I. “Propulsion and Power: an Exploration of Gas Turbine Performance Modeling”, Springer, Switzerland, 2018.
  19. Zinnecker, A. M., Chapman, J. W., Lavelle, T.M., and Litt, J.S . “Development of a Twin-Spool Turbofan Engine Simulation Using the Toolbox for Modeling and Analysis of Thermodynamic Systems (T-MATS)”, NASA/TM—2014-218402, Glenn Research Center, Cleveland, Ohio, 2014.
  20. Chung, G. Y., Prasad J. V. R., Dhingra, M., and Meisner, R. “Real Time Analytical Linearization of Turbofan Engine Model”, ASME J. Eng. Gas Turbines Power. Vol. 136, No.1, 2014.
  21. Montazeri-Gh, M., Rasti, A., Jafari, A., and Ehteshami, M. “Design and Implementation of MPC for Turbofan Engine Control System”, J. Aerosp. Sci. Technol. Vol. 92, pp. 99-113, 2019.
  22. Walsh, P.P., and Fletcher, P. “Gas Turbine Performance” 2nd ed. Blackwell Science, UK, 2004.
  23. Farokhi, S. “Aircraft Propulsion” 2nd ed. John Wiley & Sons, UK, 2014.

24. Saravanamuttoo, H. I., Rogers. G. F. C., Cohen, H., Straznicky, P.V., and Nix, A.C. “Gas Turbine Theory”, 7th ed. Pearson Education, UK, 2017

مکانیک سیالات و آیرودینامیک
دوره 12، شماره 1 - شماره پیاپی 31
بهار و تابستان
شهریور 1402
صفحه 49-64

  • تاریخ دریافت 20 اردیبهشت 1402
  • تاریخ بازنگری 21 تیر 1402
  • تاریخ پذیرش 17 مرداد 1402
  • تاریخ انتشار 03 شهریور 1402