18025

18025

مدلسازي عملكرد موتور توربوفن با در نظر گرفتن مشخصات عملكرد مرحله به مرحله كمپرسور

كارشناسي ارشد

طراحي كاربردي - ارتعاشات، ديناميك و كنترل

آذر 1395

دكتر مرتضي منتظري قهجاورستاني

مكانيك

براي كاركرد بهينه و مطمئن يك موتور توربين گاز نياز به يك سيستم كنترلي مناسب و دقيق براي موتور مي‌باشد. طراحي يك سيستم كنترلي كارآمد نيز نيازمند نتايج عملكردي متنوعي از موتور است. با توجه به اينكه انجام تست‌هاي تجربي بر روي موتور توربوفن نيازمند صرف هزينههاي بسيار زياد و در پاره‌اي از اوقات دسترسي به موتور هم ميسر نمي‌باشد، اهميت يك مدل دقيق و قابل اطمينان بيش از پيش مورد توجه قرار مي‌گيرد. از طرف ديگر، يك موتور توربوفن در طي عملكردش ممكن است دچار ناپايداري‌هايي نظير سرج و استال گردد. به همين دليل بررسي اين پديده و جلوگيري از بوجود آمدنش اهميت زيادي دارد. يكي از اصلي‌ترين شيوه‌هاي ممكن براي جلوگيري از سرج و استال استفاده از شير تخليه هوا يا همان بليد هوا از بعضي از مراحل كمپرسور مي‌باشد. از اين‌رو، براي بررسي وقوع اين ناپايداري در موتور و تأثير بليد بر جلوگيري از اين پديده، به مدل مرحله به مرحله كمپرسور نياز مي‌باشد. در اين پايان‌نامه، مدلسازي عملكرد موتور توربوفن با در نظر گرفتن مشخصات عملكردي مرحله به مرحله كمپرسور انجام شده است. بدين منظور مدلسازي ترموديناميكي موتور توربوفن دو محوره غير مخلوط شونده با نسبت كنارگذر بالا صورت پذيرفته است. در ابتدا، مدلسازي موتور به صورت كلي يعني بدون مرحله به مرحله كردن كمپرسور انجام و سپس با تقسيم كمپرسورهاي فشار پايين و فشار بالا به تعداد طبقات تشكيل دهنده آنها مدلسازي مرحله به مرحله موتور انجام شده است. در قدم بعدي، با ارائه نتايج شبيه‌سازي مدل مرحله به مرحله، وقوع ناپايداري در بازده عملكردي كمپرسور مشاهده گرديد و اين امر نياز به سيستم‌هاي كنترلي نظير شير تخليه هواي متغير كه براي جلوگيري از پديده سرج و استال مي‌باشد، را مشخص كرده است. در انتها، تأثير تخليه هوا از يكي از مراحل كمپرسور فشار بالا بر روي رفتار كمپرسور و به تبع آن رفتار موتور بررسي و نشان داده شده است كه اين امر باعث خروج كمپرسور از ناحيه سرج مي‌گردد. واژه‌هاي كليدي: توربين گاز، موتور توربوفن، مدلسازي ترموديناميكي، مدل مرحله به مرحله

1396/08/15

5/22/2017 12:00:00 AM

Abstract: An appropriate and accurate control system is essential for optimum and safe performance of a gas turbine engine. However, for efficient design of a control system, various performance parameters of the gas turbine engine are required. Since experimental tests on real engines are too expensive, a reliable and accurate engine model can be quite effective. On the other hand, some instabilities like surge and stall phenomena may be occurred during turbine engine operation. So, it is important to study these phenomena to avoid their occurrance. One of the most important and known methods for this purpose is to use variable bleed valves (VBVs) in some compressor stages. Hence, compressor stage-by-stage modeling is necessary for studying the possibility of these instabilities occurance and the effect of using bleed valves on the turbofan engine performance. In this thesis, turbofan engine modeling using stage-by-stage compressor characteristics is performed. Firstly, a thermodynamic modeling of an unmixed two-spool high-bypass ratio turbofan engine is done based on a global approach without considering stage-by-stage compressor specifications. High pressure (HP) and low pressure (LP) compressors are then divided into the number of their stages and a stage-by-stage turbofan engine model is developed. The results of the stage-by-stage simulation show the occurrence of instability in HP compressor operational range. In addition, the outcomes indicate the necessity of using control systems like VBVs in this turbofan engine to prevent surge and stall phenomena. Finally, the effect of air bleeding from one of the HP compressor stages on compressor and engine performance is discussed where the compressor move away from the surge region. Keywords: Gas Turbine, Turbofan Engine, Thermodynamic Modeling, Stage by Stage Model