20115

۲۰۱۱۵

مدل‌سازي عملكرد ديناميكي توربين گاز صنعتي توسط رهيافت باندگراف

دكترا تخصصي

طراحي كاربردي - ديناميك، ارتعاشات و كنترل

۱۳۹۲

۱۳۹۷/۰۴/۳۱

دكتر مرتضي منتظري قهجاورستاني

مكانيك

چكيده توربين گاز از توانايي قابل توجهي در توليد توان الكتريكي و نيروي محرك مكانيكي دركاربردهاي زميني و توليد نيروي پيشرانش در كاربردهاي هوايي برخوردار است. در اين ميان، مدل‌سازي توسط رهيافت باندگراف، كه بر اساس انتقال انرژي بين اجزا سيستم عمل مي‌كند، مي تواند به عنوان يكي از روش ها براي مدلسازي توربين گاز مورد ارزيابي قرار گيرد. در اين رساله، مدل‌سازي عملكرد ديناميكي توربين گاز صنعتي و سيستم‌هاي مرتبط با آن توسط رهيافت باندگراف انجام شده است. براي اين منظور، در گام نخست با به‌كارگيري رهيافت باندگراف، مدل اجزاي مولفه اي توربين گاز تهيه گرديده است. در گام دوم، مدل باندگراف، با در نظر گرفتن دو زير سيستم توربين گاز شامل سيستم استارتر الكتريكي و سيستم كلاچ براي توربين گاز صنعتي ، توسعه داده شده است و توانايي رهيافت باندگراف در مدل‌سازي سيستم‌هاي جديد مرتبط با توربين گاز ارزيابي گرديده است. در گام سوم، مدلسازي يك توربين گاز هوايي شامل موتور توربوجت و سيستم استارت آن و همچنين كاربرد آن در پرنده جت كواد توسعه يافته و صحت سنجي شده است. در بخش صحت سنجي نتايج حالت گذرا، نتايج شبيه‌سازي مدل باندگراف توربين گاز صنعتي با مدل نرم افزار GSP ، به ازاي يك پروفيل بارگذاري مشخص، مقايسه شده است. در اين ارزيابي ، عملكرد مدل‌هاي باندگراف و GSP در تخمين پارامترهاي EGT, NGG, CAMF با يكديگر مقايسه گرديد. ماكزيمم درصد خطاي اين پارامترها 17/2 درصد و مربوط به EGT مي‌باشد. اين موضوع بيانگر دقت خوب نتايج شبيه‌سازي‌هاي صورت گرفته در حالت گذرا است. نتايج مدل‌سازي حالت پاياي توربين گاز صنعتي نيز با نتايج تست تجربي توربين گاز صحت سنجي شده است. به منظور ارزيابي نتايج شبيه‌سازي ، پروفيل بارگذاري توربين در شرايط دمايي مختلف كه توسط شركت سازنده توربين تعيين شده، در مدل به كار گرفته شد. مدل باندگراف با خطاي ميانگين ٪74/. دقت رضايت‌بخشي در تخمين دبي جرمي خروجي از توربين گاز دارد. خطاي ميانگين تخمين بازدهي حرارتي توربين در بازه بارگذاري (۵۰-۱۰۰٪) نيز حدود ٪25/2 است. همچنين در بخش موتور هوايي، نتايج شبيه‌سازي مدل باندگراف موتور هوايي (توربوجت) و سيستم استارتر الكتريكي آن با نتايج تست تجربي موتور مقايسه شده است. بدين منظور، بستر تست تجربي يك موتور توربوجت كوچك فراهم گرديده است. در ادامه سيستم مانيتورينگ، جهت داده برداري از موتور توسعه داده شده و داده هاي تجربي ذخيره گرديده است. در نهايت، نتايج شبيه سازي حالت پايا و گذراي موتور با نتايج تست تجربي صحت سنجي شده است. اين مقايسه بيانگر دقت قابل قبول رفتار مدل در تخمين پارامترهاي RPM و EGT مي باشد. نتايج اين تحقيق نشان مي دهد روش باندگراف مي‌تواند براي ايجاد و توسعه كتابخانه‌اي از مدل‌هاي انعطاف‌پذير از اجزاي مولفه اي و سيستم هاي توربين گاز در فازهاي مختلف عملكردي مورد استفاده قرار گيرد. كلمات كليدي: توربين گاز صنعتي، رهيافت باندگراف، مدل‌سازي ماژولار ، موتور هوايي(موتور توربوجت)، سيستم استارتر الكتريكي، سيستم جت كواد، سيستم كلاچ.

1397/10/12

Modeling the dynamic performance of industrial gas turbine using bond graph approach

1/2/2019 12:00:00 AM

Abstract: The gas turbine possesses remarkable capabilities in generating electric power and mechanical driving force in industrial applications and propulsive force in aerospace applications. Bond graph-based modeling approach which is structured according to the energy transfer between system components can be evaluated as a means for gas turbine modeling. In this thesis, the performance modeling of an industrial gas turbine and associated systems is carried out using bond graph approach. In the first step, the bond graph technique is implemented to provide the models for gas turbine components. In the second step, the bond graph model is developed by considering two gas turbine subsystems including the electric starter and clutch systems in order to evaluate the ability of bond graph approach for modeling new systems related to the gas turbine. In the section of validating the transient results, the bond graph simulation outputs of industrial gas turbine are compared with the model of GSP software for a specific loading profile. In this evaluation, the performance of bond graph and GSP models with regard to the estimation of CAMF, NGG and EGT is compared. The maximum amount of error, i.e. 2.17 %, occurred for the EGT case. This implies the appropriate accuracy of simulation for the transient case. The results of the steady-state modeling of industrial gas turbine are validated with those of the experiments on gas turbine. To assess the simulation results, the turbine loading profile in different temperature conditions as determined by the turbine manufacturer are utilized in the model. The bond graph model with an average error of 0.74 % had an acceptable accuracy in predicting the mass flow out of the gas turbine. The average error of estimating the turbine thermal efficiency in the loading range of 50 – 100 % is about 2.25 %. Moreover, in the third step, modeling of an aero gas turbine including the turbojet engine and its start system as well as its application in JetQuad is developed and validated. Regarding the aero engine, the simulation results of the turbojet bond graph model and its electric starter system are compared with engine experimental test results. For this purpose, an experimental platform of a small turbojet engine is provided. A monitoring system is then developed for the purpose of extracting data from the engine so as to record experimental data. Finally, the engine steady-state and transient simulation results are evaluated against the experimental findings, indicating adequate accuracy of model behavior in approximating the parameters of RPM and EGT. Keywords: Industrial gas turbine, bond graph approach, modular modeling, aerial engine (turbojet engine), electric starter system, Jet Quad system, clutch system.