دانش و فناوری هوافضا

دانش و فناوری هوافضا

روش طراحی اولیه و انطباق میکروتوربین های هوایی و تولید توان با مبادله‌گر گرمایی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی دکتری مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر
2 دانشیار، دانشگاه صنعتی مالک اشتر
3 عضو هیئت علمی دانشگاه صنعتی مالک اشتر
4 مدیر تحقیق و توسعه شرکت فنی و مهندسی توربین صنعت سپهر
چکیده
مسئله انطباق (مچینگ) مبادله­گر گرمایی و موتور، تعدد متغیرهای سیکلی و اثرات متقابل آن­ها بر عملکرد موتور از اساسی‌ترین چالش­ها در فاز نخست طراحی یک میکروتوربین­ دارای مبادله­گر گرمایی است. در این پژوهش با استناد بر نتایج حاصل از تلفیق معادلات ترمودینامیک سیکل برایتون و ملاحظات تجربی در قالب یک کدکامپیوتری، روشی برای تعیین میزان اهمیت و بازه مطلوب متغیرهای سیکلی معرفی خواهد شد. نتایج نشان می­دهد در کلاس هوایی بیشترین اثربخشی مبادله­گر گرمایی در نسبت تراکم 3/5 تا 5 است و در کلاس زمینی در حدود 2/75 تا 4 است. در کلاس هوایی بازه مطلوب طراحی برای دمای ورودی توربین از 1100 تا 1250 کلوین می باشد و در کلاس زمینی در محدوده 950 تا 1250 کلوین است. در کلاس هوایی، افت راندمان حرارتی تحت تاثیر افت فشار دوبرابر بیشتر از کلاس زمینی است و لذا استفاده از مبادله­گرهای جریان آرام الزامی خواهد بود. در کلاس زمینی توان خروجی شفت در نسبت فشارهای کمتر از  3/5 بسرعت با کاهش PSFC تنزل خواهد کرد که سبب کاهش قابل توجه کارایی میکروتوربین تولید توان در دورهای پایین خواهد شد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

A method for the primary design and matching of aerial and non-aerial recuperated micro-turbines

نویسندگان English

Fariborz Azari Barzandigh 1
Mehrdad Bazazzadeh 2
Mahmood Rostami 3
Kiarash Charlangh 4
1 PhD Student, Faculty of Aerospace, Malek Ashtar University of Technology, Iran
2 Assistant Professor, Faculty of Aerospace, Malek Ashtar University of Technology, Iran
3 Assistant Professor, Faculty of Aerospace, Malek Ashtar University of Technology, Iran.
4 Research and Development of Sepehr Turbine Industry, Iran.
چکیده English

The multiplicity of performance parameters and their interactions, as well as the matching issue of the heat exchanger and the engine, are the most challenging issues in the first phase of designing a recuperated microturbine. Here, using the experimental considerations and the thermodynamic, various performance charts will be produced and the relationship between the variables and their intervals will be determined. It was shown that, the optimum thermal performance can be achieved for compression ratios between 3.5-5.0, and 2.75-4.0 for the aerial and non-aerial recuperated engines, respectively. For the aerial types, the desired turbine-inlet-temperature varies in the range of 1100-1250, while the range 950-1250 is optimal for the non-aerial engines. In the aerial types, the thermal efficiency is more affected by the pressure drop, therefore the use of laminar flow recuperators is inevitable for such applications. For the non-aerial types, the thermal performance and PSFC drastically reduces for pressure ratios less than 3.5.

کلیدواژه‌ها English

Micro-turbine
Recupeator
Cycle analysis
Brayton cycle
Thermal efficiency
[1] Dessornes, O., et al. "Advances in the development of a microturbine engine." Journal of engineering for gas turbines and power 136.7 2014.
[2] Lopes, J.P., et al., Integrating distributed generation into electric power systems: A review of drivers, challenges and opportunities. 2007. 77(9): p. 1189-1203.
[3] Martens, A.J.A.t.e., The energetic feasibility of CHP compared to the separate production of heat and power. 1998. 18(11): p. 935-946.
[4] Aquaro, D. and M. Pieve, High temperature compact heat exchangers: performance of advanced metallic recuperators for power plants. 2005.
[5] Canova, A., et al., Emission characterization and evaluation of natural gas-fueled cogeneration microturbines and internal combusti
[6] Xiao, G., et al., Recuperators for micro gas turbines: A review. 2017. 197: p. 83-99.
[7] McDonald, C.F., et al., Recuperated gas turbine aeroengines, part I: early development activities. 2008.
[8] Bouty, E., G. Paty, and B. Cheftel-Py. SAGE 5 clean sky’s approach to quieter turboshaft engines. in XX International Symposium on Air Breathing Engines. 2011.
[9] McDonald, C.F. The increasing role of heat exchangers in gas turbine plants. in Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air. 1989. American Society of Mechanical Engineers
[10] Min, J.K., et al., High temperature heat exchanger studies for applications to gas turbines. 2009. 46(2): p. 175-186.
[11] Knaus, D.A., et al. Recuperator for Model 250 Engine.  in AIAA Scitech 2020 Forum. 2020.
[12] Shah, R., Compact heat exchangers for microturbines. 2005.
[13] McDonald, C.F., et al., Recuperated gas turbine aeroengines, part II: engine design studies following early development testing. 2008.
[14] Treece, Bill, Phil Vessa, and Robert McKeirnan. "Microturbine recuperator manufacturing and operating experience." Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air. Vol. 36061. 2002.
[15] Utriainen, Esa, and Bengt Sundén. "A comparison of some heat transfer surfaces for small gas turbine recuperators." Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air. Vol. 78521. American Society of Mechanical Engineers, 2001.
[16] McDonald, Colin F. "Low-cost compact primary surface recuperator concept for microturbines." Applied Thermal Engineering 20.5 (2000): 471-497.
[17] Kesseli, James, et al. "Micro, industrial, and advanced gas turbines employing recuperators." Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air. Vol. 3686. 2003.
[18] Clark, Nathan A., et al. "Application of a Compact Combustor in Small-Scale JetCat Engines." AIAA Propulsion and Energy 2021 Forum. 2021.
[19] Krishna, C. R. "Performance of the capstone C30 microturbine on biodiesel blends." Brookhaven National Laboratory 2007.
[20] uavenginesltd.co.uk/products/ar741-38-bhp/
[21] Garrett Turbo Catalogue  2013
[22] Harris, Mark, Anthony Jones, and Eric Alexander. "Miniature turbojet development at Hamilton sundstrand: the TJ-50, TJ-120 and TJ-30 turbojets." 2nd AIAA" Unmanned Unlimited" Conf. and Workshop & Exhibit. 2003.
[23] Cotta-High-Speed-Gearboxes-Catalog JULY 2019
[24] Mikkelson, Daniel C., and LOCUST USA INC MIAMI FL. 15 kW small turboelectric power generation system. 2006.