UCK 474 UÇAK MOTOR TASARIMI Yrd.Doç.Dr. Onur Tunçer İstanbul Teknik Üniversitesi PARAMETRİK ÇEVRİM ANALİZİ

Motor Tasarımı Parametrik Çevrim Analizi (Tasarım Noktası) Performans Analizi (Bütün Çalışma Koşullarında)

 Belirli bir motorun davranışını motorun geometrisi belirler!  Parametrik çevrim analizinde ise bileşenler geometriden bağımsız olarak sadece akışın özelliklerinde (basınç, sıcaklık v.b.) yarattıkları değişimle karakterize edilirler (sıfır boyutlu yaklaşım).  Geometri parametrik çevrim analizinde göz önüne alınmadığı için, özgül itki, özgül yakıt sarfiyatı, Mach sayısı yahut kompresör basınç oranı gibi grafikler spesifik tek bir motorun davranışına karşılık gelmezler. Bu tür grafiklerdeki her nokta başka geometrideki bir motorun performasına karşılık gelebilir. Bu sebeple parametrik çevrim analizi teknikte “rubber engine” denilen varsayımsal bir motoru temsil eder.  Parametrik çevrim analizinin ana hedefi motor performans parametrelerini (özellikle de özgül itki ile özgül yakıt sarfiyatını) tasarım seçimleri (kompresör basınç oranı, fan basınç oranı, by-pass oranı v.b.) ve tasarım kısıtları (yanma odası çıkış sıcaklığı, art yakıcı giriş sıcaklığı, yakıt alt ısıl değeri v.b.) ile ilişkilendirmektir. PARAMETRİK ÇEVRİM ANALİZİ

Gaz Türbin Motorları İçin İstasyon Numaralaması (ARP 755A’ya göre)

#Konum# 0Serbest akım4.5Soğutma akımı mikser 2 çıkışı 1Hava alığı girişiDüşük basınçlı türbin girişi 2Hava alığı çıkışı, fan girişi5Düşük basınçlı türbin çıkışı 13Fan çıkışı6Çekkirdek akışın miksere girişi 2.5Düşük basınçlı kompresör çıkışı16Fan by-pass akımının miksere girişi Yüksek basınçlı kompresör girişi6AMikser çıkışı 3Yüksek basınçlı kompresör çıkışıArt yakıcı girişi 3.1Yanma odası girişi7Art yakıcı çıkışı 4Yanma odası çıkışıEksoz lülesi girişi Lüle vanaları girişi8Eksoz lülesi boynu Soğutma akımı 1 girişi9Eksoz lülesi çıkışı Yüksek basınçlı türbin girişi 4.1Lüle vanaları çıkışı Soğutma akımı 1 çıkışı Yüksek basınçlı türbin girişi 4.4Yüksek basınçlı türbin çıkışı Soğutma akımı mikser girişi

GAZ MODELİ Entropinin sıcaklığa bağlı kısmı İzantropik süreçler için, Kalorifik açıdan ideal gazlar için,

TOPLAM ÖZELLİK ORANLARI

Difüzör Fan Düşük basınçlı kompresör Yüksek basınçlı kompresör Kompresör Yanma odası Soğutma sıvısı mikseri 1 Yüksek basınçlı türbin

Mikser Art yakıcı Eksoz lülesi Soğutma sıvısı mikseri 2 Düşük basınçlı türbin

İstisnai durumlar Serbest akıştaki adyabatik ve izantropik recovery süreçleri aşağıdaki gibi tanımlanır, Dolayısıyla serbest akımdaki toplam entalpi ve toplam basınç, Kalorifik olarak mükemmel gazlar için bu ifadeler şu hale dönüşürler,

İlave istisnalar Çoğu kez tasarım kısıtlarını da (örneğin maksimum kabul edilebilir türbin giriş sıcaklığı T t4 ) hesaba katarak tanımlamalar yapmak faydalı olacaktır. Aynı şekilde art yakıcı için, Kalorifik olarak mükemmel gazlar için,

Mikser Art yakıcı Eksoz lülesi Soğutma sıvısı mikseri 2 Düşük basınçlı türbin

Güç Dağıtımı ile Tahliye ve Türbin Soğutma Akımları Şeması

İşaretKomponentİstasyon ABArt yakıcı6A→7 bYanma odası3.1→4 CKompresör2→3 cHYüksek basınçlı kompresör2.5→3 cLDüşük basınçlı kompresör2→2.5 dDifüzör (hava alığı)0→2 fFan2→13 -Fan borusu13→16 m1Soğutma sıvısı mikseri 14→4.1 m2Soğutma sıvısı mikseri 24.4→4.5 MMikser6→6A nEksoz lülesi7→9 tTürbin4→5 tHYüksek basınçlı türbin4→4.5 tLDüşük basınçlı türbin4.5→5 Kompresör toplam basınç ve sıcaklık oranları

Kütle Akım Şeması Kütle akım debilerini boyutsuz şekilde ifade etmek analizi kolaylaştırır.

İndisTanımİstasyon bTahliye (bleed) akımı3-3.1 CMotor boyunca çekirdek akış2.5,3 c1Yüksek basınç türbini yönlendirme vanası için soğutma akımı3-3.1, c2Yüksek basınç türbininin geri kalanı için soğutma akımı3-3.1, FBy-pass borusundan geçen fan akımı13-16 fAna yakıcı yakıt debisi3.1-4 fABArt yakıcı yakıt debisi6A-7 0-9Numaralı istasyondaki akış debisi

Bypass oranı α Tahliye akımı oranı β Soğutma havası oranları ε1 ve ε2 Mixer by-pass oranı Art yakıcı yakıt/hava oranı Toplam yakıt hava oranı 4.1 konumundaki yakıt hava oranı 4.5 konumundaki yakıt hava oranı 6A konumundaki yakıt hava oranı Yanma odası yakıt hava oranı

Fan Düşük basınçlı kompresör Yüksek basınçlı kompresör BİLEŞENLERİN VERİMLERİ Yüksek basınçlı türbin Düşük basınçlı türbin Bir sürecin politropik verimi sonsuz küçüklükteki bir kademe için (yani kademenin basınç oranı bire doğru giderken) izantropik verim olarak ifade edilebilir. İzantropik verimden farklı olarak basınç oranına bağlı değildir. Politropik verim aynı zamanda teknolojinin de bir göstergesidir!

Teknoloji Seviyesi BileşenPerformans KriteriTip1234 Difüzör Motoru kaportalı ses altı uçaklar Motoru gövdedeki ses altı uçaklar Motoru gövdedeki ses üstü uçaklar Kompresör Fan Yanma Odası Türbin Soğutmasız Soğutmalı Art yakıcı Lüle Değişken alanlı yakınsak lüle En yüksek T t4 (Kelvin) En yüksek T t7 (Kelvin) Not: Teknoloji seviyesi 1945’ten başlıyarak 20 yıllık aralıklarla teknik olanakları yansıtmaktadır.

Polytropic Compression In actuality the  S = 0 path assumed in writing the expression p/    const. is not the true thermodynamic path followed by gases in most large compressors and the compression is neither adiabatic not isothermal. A polytropic path is a better representation for which: Here n depends on the nature of the gas and details of the compression process.

Polytropic Compression where Ŵ p is the work for polytropic compression Again the actual work of compression is larger than the calculated work and:

Polytropic Compression The polytropic efficiency  p is often the efficiency quoted by manufacturers. From this efficiency useful relations can be stated to convert from polytropic to adiabatic results: To get n the polytropic exponent: or To get relationships between T or  and compression ratio simply replace  with n.

1.Akış sürekli rejimdedir. 2.Akım her bileşenin giriş ve çıkışında ve eksen boyunca her istasyonda tek boyutludur. 3.Akışkan ideal gaz davranışı sergiler (kalorifik olarak ideal olmak durumunda değildir) ve moleküler ağırlık hava alığında, fanda kompresörde, türbinde, lülede ve bağlantı elemanlarında değişmez. 4.Değişken özgül ısıların olduğu durumlarda hesaplamalar termo-kimyasal veri tabanları (NASA, JANAF, NIST v.b.) kullanılarak yapılabilir. 5.Girişteki yahut hava alığındaki toplam basınç oranı aşağıdaki gibi hesaplanır MIL-E-5008B’ye göre hesaplanır. Şöyle ki, 6. Fan ve düşük basınç kompresörü düşük basınçlı türbin tarafından çevrilir, bu türbin aynı zamanda bir takım aksesuarlar için güç sağlar,. 7. Yüksek basınç kompresörü havayı doğrudan düşük basınç kompresöründen alır ve doğrudan yüksek basınç türbini tarafından çevrilir. Bu türbin de bir kısım aksesuar için güç sağlayabilir,. 8. Yüksek basınçlı tahliye havası ve türbin soğutma akımı 3 ila 3.1 istasyonları arasında ayrılır. 9. By-pass borusundaki akış (13 ila 16. istasyonlar arası) izantropiktir. 10. Soğutmanın türbin verimine etkisi türbin verimliğinin bir çarpan ile düzeltilmesi ile hesaplanır. 11.Çekirdek ve fan akımları mikserde tamamen karışırlar ve toplam basınç oranı aşağıdaki gibi hesaplanır. ideal bir sabit kesit alanlı mikserdeki toplam basınç oranı sadece duvardaki sürtünme kayıpları hesap edilerek bulunan toplam basınç oranı

MOTOR PERFORMANS ANALİZİ Özgül itki Hız oranı Toplam Sıcaklık Oranı (Çıkış/Giriş) Yanma Odası Yakıt Hava Oranı

Yüksek Basınçlı Türbin Toplam Sıcaklık Oranı Düşük Basınçlı Türbin Toplam Sıcaklık Oranı Özgül Yakıt Tüketimi

Toplam Verim: İtki gücünün yakıt tarafından sağlanan ısıl enerjiye oranı İtki Verimi: İtki gücünün motordan geçen gaz akımınında oluşan kinetik enerji oluşum hızına oranı Isıl Verim: Motordan geçen hava akımında oluşan kinetik enerji artı şafttaki kalkış gücünün yakıt tarafından sağlanan ısıl enerjiye oranı

Girdiler Uçuş Parametreleri: Uçak ile İgili Parametreler: Tasarım Sınırlamaları: Yakıt Alt Isıl Değeri: Komponent Başarımları: Tasarım Seçenekleri: Hedef kalan 25 parametre gerçekçi değerler alırken, en iyi 8 tasarım seçeneğini bulmaktır. Girdiler tasarımcının üzerindeki kontrolünün en çok olduğundan en az olduğuna doğru sıralanmıştır.

Çıktılar Toplam Performans: Komponent Davranışı:

Karışık Akışlı Turbofan Motorunun Parametrik Performansı (Art Yakıcı Yok)‏

Karışık Akışlı Turbofan Motorunun Parametrik Performansı (Art Yakıcı Var) ‏

Kompresör Basınç Oranının Turbojet Performansına Etkisi (TR=1.0)‏

Düşük By-Pass Oranlı Karışık Akışlı Turbofan Motorunda By-Pass Oranının Performansa Etkisi (TR=1.065)‏

Yüksek By-Pass Oranlı Bir Turbofan Motorunda Kompresör Basınç Oranının Performansa Etkisi (TR=1.035)‏

Yüksek By-Pass Oranlı Bir Turbofan Motorunda Fan Basınç Oranının Performansa Etkisi (TR=1.035)

Serbest Akım Hava Alığı (Difüzör) Teknoloji Seviyesi BileşenPerformans KriteriTip1234 Difüzör Motoru kaportalı ses altı uçaklar Motoru gövdedeki ses altı uçaklar Motoru gövdedeki ses üstü uçaklar

Kompresör Teknoloji Seviyesi BileşenPerformans KriteriTip1234 Kompresör Yanma Odası Türbin giriş sıcaklığı genelde malzeme limitlerine göre (erime sıcaklığı ) belirtilir. Teknoloji Seviyesi BileşenPerformans KriteriTip1234 Yanma Odası

Türbin Teknoloji Seviyesi BileşenPerformans KriteriTip1234 Türbin Soğutmasız Soğutmalı (Kelvin) Soğutmalı Enerji Dengesi

ile, Nickel Super Alloys Titanium Aluminides Single Crystal Nickel Aluminides Ceramic Matrix Composites Rhenium Alloys Tungsten Alloys

Türbin ile Lüle Arasındaki Boru (Jetpipe)

Lüle İki tip durumun ele alınması gereklidir. a.Lülede akım boğulmasının (choking) olduğu durum. b.Lülede akım boğulmasının olmadığı durum. ise lülede akım boğulması vardır. ise lülede akım boğulması yoktur.

Lülede Akım Boğulması Varsa Net itki

Lülede Akım Boğulması Yoksa