Effect of heat leakage on the optimal performance of a twin-spool turbofan engine

Abstract

Literatürde yer alan çalışmalarda genellikle güç üretimi için kullanılan durağan ısıl sistemlerin veya havacılık haricindeki motorlu taşıtların güç üretim sistemlerinin verimliliği, optimizasyonu ve performansının arttırılması konularına odaklanıldığı görülmektedir.Bu tez çalışmasında, bir eş merkezli çift milli turbofan uçak motorunun optimal performansına, ısı kayıplarının etkisini incelemeye odaklanılmış olup çalışma, enerji ve ekserjiye dayalı bir termodinamik çevrim analizidir.Bu turbofan motorunun performansına etkilerinin belirlenebilmesi amacıyla, çalışmada dört farklı tasarım parametresi seçilmiştir. Bunlar toplam kompresör basınç oranı, fan basınç oranı, tali hava akışında kütlesel debi oranı ve maksimum türbin giriş sıcaklığıdır.Seçilen performans göstergeleri ekolojik performans katsayısı, turbofan motorunun toplam verimi, ekserji yıkım faktörü, özgül yakıt tüketimi, özgül itme kuvveti, ve toplam entropi üretim hızı olarak sıralanabilir.Bu tez çalışmasında iki farklı ısı kaybı tanımlanmış olup, birincisi yanma odası içerisinde yüksek sıcaklıkta gerçekleşen yanma esnasında, yanma odasından dışından geçen tali hava akımına olan ısı kaybı, ikincisi ise, tali hava akımından motorun dışındaki soğuk atmosferik havaya olan ısı kaybıdır.Sonuç olarak, birinci ısı kaybının etkisinin ikinci ısı kaybına göre daha önemli olduğu, ısı kaybı etkisinin lineer olmadığı ve ısı kaybının tasarım parametrelerinin optimum değerlerini etkilediği belirlenmiştir. Daha önemlisi, birinci ısı kaybının Termodinamiğin İkinci Yasası'na dayalı performans göstergeleri üzerindeki etkisinin, Termodinamiğin Birinci Yasası'na dayalı performans göstergeleri üzerindeki etkisine nazaran çok daha fazla olduğu belirlenmiştir. Bunun sebebinin yanma odasından gerçekleşen ısı kaybının oldukça tersinmez olması dolayısıyla entropi üretim hızı ve ekserji yıkım hızının oldukça fazla olmasıdır.

Recently, many researches have been focused on performance optimization of thermal systems. It is observed that the effect of heat losses on the performance of aircraft engines in terms of energy, exergy and environmental performance have not been studied sufficiently. Therefore, in this thesis, the effect of heat leakage on the optimal performance of a twin-spool turbofan engine has been studied.Selected four design parameters are total compressor pressure ratio, fan pressure ratio, by-pass air ratio and maximum turbine inlet temperature; also six performance indicators are coefficient of ecological performance, overall efficiency, exergy destruction factor, thrust specific fuel consumption, specific thrust and entropy generation rate.Two different heat leakages have been considered in the thesis; first one is heat leakage from the combustion chamber to the surrounding by-pass air through the combustion chamber wall, and the second one is from by-pass air to the very cold ambient air.It has been concluded that effect of the first heat leakage is more significant than the second one, effect of heat leakage is not linear, and heat leakage affects the optimum values of design parameters. Also, performance indicators based on the Second Law of Thermodynamics are affected by the first heat leakage more significantly than the other performance indicators based on the First Law of Thermodynamics. This is due to the high irreversibility of heat loss from high temperature combustion chamber resulting with high entropy generation rate, hence high exergy destruction rate.