Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 15, No.3 2008 COMPARISON OF INTERNAL PROCESSES EFFECTIVENESS CHANGE INFLUENCE THE TURBOFAN WITH AND WITHOUT MIXER MODEL SENSITIVITY Robert Jakubowski Rzeszow University of Technology Department of Aircrafts and Aircraft Engines W. Pola Street 3, 35-959 Rzeszów, Poland tel.: +48 17 8651466 fax.: +48 178651942 e-mail: roberski@prz.edu.pl Abstract At the present time one of the way of the aircraft engines improvement is the fuel consumption reduction but the thrust should stay on the same level. One of the way to realize this is the engine internal processes improvement. Nowadays technology and the commuter design methods allows us produce more efficient compressors, fans, turbines etc. To manage the proper process of engine improvement, it is demand to know how the chosen elements improvement influence the engine work parameters. This knowledge allow us to calculate the cost, and evaluate the effects of the improvements. In the paper the analyzes of chosen internal engine process improvement influence on the specific thrust and the specific fuel consumption is done for turbofan engine. The processes effectives is characterized by flow losses coefficients and the processes efficiencies. In the beginning the two types of turbofan engine wit and without mixer is described. The main differences in the engines model are presented. Then the process effectiveness coefficients are defined and research method is presented. The analyze based on the small deviation methods is use to calculate the results of the work. Then the results are presented as comparison graphs for the engine with the mixer and without the mixer. The results are analyzed and discussed. In the last parts of the paper the conclusion are presented. Keywords: Aircraft engines, turbojet engines, modelling of turbojet engines, turbojet engine characteristics PORÓWNANIE WRALIWOCI MODELU SILNIKA DWUPRZEPYWOWEGO Z MIESZALNIKIEM I BEZ MIESZALNIKA NA ZMIAN EFEKTYWNOCI PROCESÓW WEWNTRZNYCH Streszczenie Wspóczenie jedn z metod poprawy efektywnoci pracy silników lotniczych jest obnianie jednostkowego zuycia paliwa, przy jednoczesnym niezmienianiu jego cigu. Umoliwia to m.in. doskonalenie procesów wewntrznych w silniku. Obecna technologia wytwarzania oraz komputerowe wsparcie procesów projektowania pozwala produkowa zespoy silnika o coraz wyszej efektywnoci procesów wewntrznych. eby optymalnie organizowa proces podnoszenia efektywnoci pracy silnika wymagana jest znajomo wpywu modyfikacji efektywnoci poszczególnych zespoów na parametry uytkowe silnika. Umoliwia to oszacowanie kosztów i ocen efektywnoci proponowanych modyfikacji silnika. W pracy przeprowadzono analiz wraliwoci modelu silnika dwuprzepywowego na zmian efektywnoci procesów przepywowo-cieplnych w zespoach silnika. Efektywno procesów w zespoach silnika opisano poprzez wskaniki strat cinienia oraz sprawnoci, za badanymi parametrami pracy silnika byy cig jednostkowy i jednostkowe zuycie paliwa. Na pocztek scharakteryzowano dwa zasadnicze typy silników dwuprzepywowych - z mieszalnikiem i bez. Nastpnie przedstawiono przyjty model silnika oraz wskaniki oceny procesów wewntrznych w zespoach i metodyk bada. W kolejnym kroku przeprowadzono badania z wykorzystaniem metod bazujcych na metodzie maych odchyle. Wyniki bada przedstawiono w postaci graficznej i omówiono porównujc obydwie analizowane konstrukcje. Na koniec zaprezentowano wnioski do pracy. Sowa kluczowe: silniki lotnicze, silniki odrzutowe, modelowanie silników odrzutowych, charakterystyki silnika odrzutowego
R. Jakubowski 1. Wstp Zagadnienie wpywu zmiany efektywnoci procesów przepywowo-cieplnych w zespoach silnika na jego charakterystyki uytkowe jest istotne z dwóch zasadniczych powodów. Jednym z nich jest ocena moliwoci poprawy waciwoci uytkowych silnika poprzez podnoszenie sprawnoci zachodzcych w nim procesów. Drugim jest wskazanie tych zespoów, których nawet nieznaczne zuycie eksploatacyjne istotnie pogarsza jego waciwoci uytkowe [4]. Znajomo relacji pomidzy zmianami efektywnoci procesów w poszczególnych zespoach oraz waciwociami uytkowymi silnika jest wic bardzo istotna z punktu widzenia jego projektowania i eksploatacji. Pozwala to bowiem wskaza elementy silnika, których doskonalenie powoduje znaczc popraw efektywnoci pracy silnika, a take te, które z tego wzgldu nie opaca si modernizowa. Innym aspektem bada jest to, e pogorszenie doskonaoci procesów w czasie eksploatacji w zespoach, które znaczco wpywaj na parametry uytkowe silnika, powoduje istotne zmniejszenie jego osigów [3, 4, 5]. Wyniki bada w tym zakresie stanowi przesank do tego, e dany zespó powinien by projektowany i wykonany tak, aby maksymalnie ograniczy moliwo jego zuywania si w czasie pracy. Równoczenie powinna by przewidziana bieca kontrola tego elementu w czasie eksploatacji w celu odpowiednio szybkiego przeciwdziaania obnianiu sprawnoci silnika [3]. Podjcie wspomnianej tematyki badawczej dla silników dwuprzepywowych jest o tyle istotne, e wspóczenie silniki te s powszechnie eksploatowane i praktycznie cakowicie wypary konstrukcyjnie starsze silniki jednoprzepywowe. Z kolei caa teoria w tym wzgldzie oraz publikowane dotychczas wyniki prowadzonych bada dotycz tamtych konstrukcji, natomiast dla nowszych rozwiza nie s one publikowane stanowic tajemnic biur konstrukcyjno-projektowych. 2. Silnik dwuprzepywowy o duym i maym stopniu dwuprzepywowoci a) b) Rys. 1 Silnik dwuprzepywowy a) z mieszalnikiem strumieni, b) bez mieszalnika Fig. 1 Turbofan engine a) with a mixer, b) without the mixer Zasadnicze rónice w konstrukcji silnika dwuprzepywowego z mieszalnikiem i bez, wynikaj z przeznaczenia obydwu tych typów silników do napdu rónej klasy aparatów latajcych (Rys. 1). Silniki z mieszalnikiem maj zastosowanie w samolotach wielozadaniowych, gdzie dominujce znaczenia ma duy cig jednostkowy, zdolno do szybkiej akceleracji i deceleracji wirnika, natomiast zuycie paliwa jest brane pod uwag w mniejszym stopniu. eby temu sprosta silnik musi si cechowa maym stopniem dwuprzepywowoci ( = 0,3-1,5), stosunkowo duym sprem wentylatora ( W ok. 3) i umiarkowanym sprem sprarki ( s = 7-12) [7]. Inaczej dla silników bez mieszalnika, które wykorzystuje si do napdu samolotów transportowych i komunikacyjnych. Obszar ich stosowalnoci jest ograniczony do poddwikowych prdkoci lotu, a przy tym musz si one cechowa duym cigiem, przy jednoczesnym moliwie maym jednostkowym zuyciu paliwa. Dlatego cechuj si one duym masowym nateniem przepywu ( m = 400-800 kg/s), duym stopniem dwuprzepywowoci ( = 6-8) i sprem sumarycznym silnika ( = 30-40), przy znaczco mniejszym spru samego wentylatora ( W = 1,6-1,8) [7]. 202
Comparison of Internal Processes Effectiveness Change Influence the Turbofan with and Without Mixer Wynikajce std rónice powinny powodowa, e w innym stopniu zmiany efektywnoci procesów przepywowo-cieplnych w zespoach silnika bdzie wpywa na zmian osigów silnika. Wyniki tych bada zostan przedstawione w pracy. 3. Model symulacyjny silnika a) b) Rys. 2. Model silnika dwuprzepywowego z zaznaczonymi przekrojami kontrolnymi a) silnik bez mieszalnika, b) silnik z mieszalnikiem Fig. 2. Turbofan engine model with the section index a) engine with the mixer, b) engine without the mixer Do bada symulacyjnych wykorzystano model silnika dwuprzepywowego z mieszalnikiem strumieni i bez mieszalnika (Rys. 2). W silniku bez mieszalnika uwzgldniono wystpowanie dodatkowej sprarki za wentylatorem, która jest napdzana przez turbin niskiego cinienia. Podstawowe zaoenia jakie on uwzgldnia to: jednowymiarowy model przepywu speniajcy zasad zachowania masy, pdu i energii, w oparciu o które wyznaczono rednie wartoci parametrów termodynamicznych przepywu w przekrojach kontrolnych silnika. Szczegóowy opis modelu zawiera praca [3]. Model czynnika roboczego opisano równaniami gazu pódoskonaego (wg zalenoci z pracy [2]). Uwzgldniono upust powietrza zza sprarki na chodzenie turbiny wysokiego cinienia. Efektywno procesów wyraono odpowiednio: dla zespoów nieruchomych tj.: wlotu, komory spalania, dyszy wylotowej, kanaów przepywowych silnika poprzez wspóczynniki strat cinienia cakowitego, dla wentylatora sprarki i turbin poprzez sprawno izentropow, dla procesów cieplnych w komorze spalania i dopalaczu poprzez sprawno ciepln. Pozwolio to wyrazi podstawowe parametry pracy silnika, w tym parametry badane tj. cig jednostkowy k j oraz jednostkowe zuycie paliwa c j w zalenoci od zmiany wskaników doskonaoci procesów wewntrznych w silniku dla rónych wartoci parametrów obiegu termodynamicznego silnika nastpujco [3]: k j f warunki _ lotu, parametry c j gdzie: warunki _ lotu [ H, Ma], _ pracy,, (1) 203
R. Jakubowski parametry _ pracy [, W, S, T 3 ], - wektora wskaników jakoci procesów przepywowo-cieplnych, H - wysoko lotu, Ma - prdko lotu, - stopie dwuprzepywowoci, - spr w parametrach spitrzenia, W - wentylatora, S- sprarki T - temperatura przed turbin. 3 4. Metodyka bada W badaniach skoncentrowano si nad ocen zmian cigu jednostkowego k j oraz jednostkowego zuycia paliwa c j w zalenoci od zmiany wskaników doskonaoci procesów wewntrznych w silniku dla rónych wartoci parametrów obiegu termodynamicznego silnika. Badania silnika dwuprzepywowego z oddzielnymi dyszami wylotowymi przeprowadzono dla silnika o schemacie przepywowym przedstawionym na Rys. 2. Na podstawie analizy danych literaturowych [1, 6, 7] dotyczcych parametrów pracy eksploatowanych silników tego typu dla silnika wyjciowego przyjto odpowiednio: spr wentylatora W = 1,6, spr sprarki niskiego cinienia (booster) SNC = 2, spr sprarki wysokiego cinienia SWC = 8, temperatur przed turbin T 3 =1700 K oraz stopie dwuprzepywowoci = 6. Uwzgldniono chodzenie turbiny wysokiego cinienia powietrzem pobieranym zza sprarki w iloci wzgldnej ch = 10%, z czego 3% przypada na chodzenie aparatu kierujcego pierwszego stopnia turbiny.,,wyjciowe wartoci wskaników jakoci procesów przepywowo-cieplnych zamieszczono w Tab. 1. WL Tab. 1 Wartoci wskaników jakoci przyjte dla silnika dwuprzepywowego bez mieszalnika Tab. 1 Heat-flow efficiency coeficients for turbofan engine without the mixer W SNC SWC KS KS TWC TNC dysz _ I 0,97 0,9 0,89 0,87 0,97 0,98 0,88 0,9 0,97 0,96 dysz _ II Dla silnika dwuprzepywowego z mieszalnikiem strumieni przyjto nastpujce parametry pracy: spr wentylatora W = 3, spr sprarki wysokiego cinienia SWC = 8, temperatura spalin przed turbin T3 = 1700 K oraz stopie dwuprzepywowoci = 1. Dla pracy z wczonym dopalaczem uwzgldniono, e temperatura spalin w dopalaczu wynosi = 2000 K. Przewidziano podobnie jak w silniku dwuprzepywowym bez mieszalnika T dop chodzenie turbiny wysokiego cinienia powietrzem pobieranym ze sprarki w iloci wzgldnej ch = 10%, z czego 3% przypada na chodzenie aparatu kierujcego pierwszego stopnia turbiny. Wyjciowe wartoci wskaników jakoci procesów przepywowo-cieplnych zamieszczono w Tab. 2. Tab. 2 Wartoci wskaników jakoci przyjte dla silnika dwuprzepywowego z mieszalnikiem strumieni Tab. 2 Heat-flow efficiency coeficients for turbofan engine with the streams mixer. WL W SWC KS KS TWC TNC ka n_ z miesz 0,97 0,9 0,88 0,98 0,99 0,88 0,9 0,97 0,98 0,97 dysz 204
Comparison of Internal Processes Effectiveness Change Influence the Turbofan with and Without Mixer Dla tak dobranych parametrów okrelono cig jednostkowy i jednostkowe zuycie paliwa, które przyjto jako parametry odniesienia i oznaczono je przez P s il _ wyj. Nastpnie zmieniajc wybrany wskanik doskonaoci procesu w zespole silnika w zakresie od przyjtej wartoci wyjciowej do jedynki (proces idealny) badano jego wpyw na zmian jednostkowych parametrów pracy silnika. W celu porównania wyniku zdefiniowano parametry wzgldne. Wzgldna warto wskanika jakoci zostaa wyraona jako odniesienie wartoci zmienianego wskanika (i-tego) do jego wartoci wyjciowej: i i i_ sil_ wyj gdzie: i - warto wskanika jakoci i-tego procesu w silniku, i sil wyj - warto wskanika jakoci i-tego procesu przyjta jako warto odniesienia. Wzgldna warto parametru jednostkowego zostaa zdefiniowana przez analogi wg zalenoci: P i P, (3) i Psil _ wyj gdzie: P - warto badanego wskanika pracy silnika przy zmianie dla i-tego wskanika ( ), i P sil _ wyj - warto badanego wskanika efektywnoci eksploatacyjnej dla wyjciowych wartoci wskaników jakoci i_ sil_ wyj. Dao to moliwo porównania wyników bada i zestawienia ich na wspólnym wykresie. 5. Wyniki bada Wyniki bada wpywu zmian sprawnoci procesów w zespoach silnika na cig jednostkowy przedstawiono na Rys. 3a - dla silnika bez mieszalnika, b - dla silnika z mieszalnikiem strumieni. Porównujc wyniki zmian cigu jednostkowego w skutek podnoszenia efektywnoci procesów wewntrznych w analizowanych silnikach, naley zauway e, znaczco one si róni. Oceniajc efektywno przyrostu cigu jednostkowego ze zwikszaniem wybranego wskanika efektywnoci poprzez kt nachylenia krzywej w silniku o duym stopniu dwuprzepywowoci (bez mieszalnika) najbardziej znaczcy jest wzrost tego parametru w wyniku podnoszenia efektywnoci procesów przepywowych we wlocie oraz w kanale zewntrznym - zewntrznej dyszy wylotowej. Zwikszenie sprawnoci sprarki powoduje wzrost cigu jednostkowego na znacznie niszym poziomie. Podobnie wpywa zwikszanie sprawnoci turbiny wysokiego i niskiego cinienia oraz wentylatora. Poprawa procesów przepywowych w komorze spalania i wewntrznej dyszy wylotowej daje znaczco mniejszy przyrost cigu jednostkowego, jednake jeszcze mniej korzystne jest zwikszanie sprawnoci sprarki niskiego cinienia. W silniku z mieszalnikiem najkorzystniejsze efekty podnoszenia cigu jednostkowego uzyskuje si poprzez zwikszanie sprawnoci sprarki oraz zmniejszanie strat przepywowych w dyszy wylotowej i we wlocie. Nieco gorsze rezultaty daje podnoszenie sprawnoci wentylatora i turbiny wysokiego cinienia. Natomiast znaczco mniejszy przyrost cigu jednostkowego powoduje poprawa efektywnoci procesów w komorze spalania oraz turbinie niskiego cinienia. Naley zauway, e sprawnoci procesów w zespoach wirnikowych cigle s najbardziej odlege od procesu idealnego, dlatego nawet gdy wystpuje stosunkowo may przyrost cigu ze zwikszaniem ich sprawnoci, to jednak gdyby zwiksza sprawno tych zespoów w szerszym stopniu, zbliajc si moliwie blisko procesu idealnego, efekt przyrostu cigu jednostkowego okazuje si znaczcy., i (2) 205
R. Jakubowski a) b) Rys. 3. Zmiana cigu jednostkowego k j wyniku zmiany wybranych wskaników doskonaoci procesów przepywowocieplnych w silniku: a) silnik bez mieszalnika, b) silnik z mieszalnikiem Fig. 3. The specific thrust k j changes as the results of the chosen engine internal processes efficiency changes: a) turbofan without the mixer, b) turbofan with the mixer a) b) Rys. 4. Zmiana jednostkowego zuycia paliwa c j w wyniku zmiany wybranych wskaników doskonaoci procesów przepywowo-cieplnych w silniku: a) silnik bez mieszalnika, b) silnik z mieszalnikiem Fig. 4. The specific fuel consumption c j changes as the results of the chosen engine internal processes efficiency changes: a) turbofan without the mixer, b) turbofan with the mixer Wyniki bada wpywu zmian doskonaoci procesów wewntrznych na jednostkowe zuycie paliwa dla silnika z mieszalnikiem i bez przedstawiono na Rys. 4. Porównanie wskazao, e w silniku o duym stopniu dwuprzepywowoci najlepszy efekt obniania jednostkowego zuycia paliwa uzyskuje si poprzez popraw doskonaoci procesów przepywowych we wlocie, a nastpnie procesów cieplnych w komorze spalania i procesu ekspansji w zewntrznej dyszy wylotowej. W silniku z mieszalnikiem jest nieco inaczej, bowiem tutaj najlepszy efekt uzyskuje si poprzez podnoszenie sprawnoci cieplnej w komorze spalania, a dopiero w nastpnej kolejnoci procesów przepywowych we wlocie. W dalszej kolejnoci istotn popraw mona uzyska przez podnoszenie sprawnoci turbin, przy czym w silniku z mieszalnikiem korzystniej jest doskonali turbin wysokiego cinienia, a w silniku bez mieszalnika turbin niskiego cinienia. Ciekawym moe by to, e w silniku bez mieszalnika podnoszenie sprawnoci sprarki prowadzi w niektórych przypadkach do wzrostu jednostkowego zuycia paliwa. Wynika to std, e poprawa sprawnoci sprarki powoduje obnienie temperatury przed turbin. To wie si z tym, e wicej ciepa jest dostarczane w komorze spalania, co przekada si na wzrost zuycia 206
Comparison of Internal Processes Effectiveness Change Influence the Turbofan with and Without Mixer paliwa. Poprawia si przez to take efektywno pracy kanau wewntrznego, lecz poniewa jego udzia w cigu caego silnika jest nieznaczny, std przyrost cigu jest mniejszy ni przyrost zuycia paliwa. W efekcie jednostkowe zuycie paliwa zamiast male ronie. Generalnie naley zauway, e w silniku o duym stopniu dwuprzepywowoci istotnie wzrasta wpyw procesów w kanaach zewntrznych, bd zespoach pracujcych na rzecz tych kanaów (turbina niskiego cinienia). 6. Podsumowanie Przeprowadzone badania pozwoliy wstpnie uchwyci relacje pomidzy zmianami wskaników doskonaoci procesów wewntrznych w silniku, a jego waciwociami uytkowymi reprezentowanymi poprzez cig jednostkowy i jednostkowe zuycie paliwa. Wynika std, e szczególne cechy silników z mieszalnikiem i bez mieszalnika wpywaj na przebieg badanych relacji intensyfikujc wpyw jednych procesów i osabiajc innych. Naley zauway, e jako procesów przepywowych we wlocie dosy istotnie wpywa na efektywno pracy silnika dwuprzepywowego, a efekt ten nasila si ze wzrostem stopnia dwuprzepywowoci (w silnikach bez mieszalnika). Na popraw cigu jednostkowego w obydwóch silnikach istotnie wpywa sprawno sprarki, za na popraw jednostkowego zuycia paliwa sprawno cieplna komory spalania. Naley przy tym uwzgldni fakt, e przedstawione wyniki dotycz pojedynczych rozwiza silnika, przez co nie daj penego obrazu zalenoci badanych parametrów. Bowiem na analizowane relacje istotnie wpywa take to, jakie s parametry termodynamiczne silnika (spr, temperatura przed turbina stopie dwuprzepywowoci) [3]. Dlatego wymaga to dalszych prac badawczych, aby uzupeni wskazane relacje. Literatura [1] Górski, J., Problemy doskonalenia konstrukcji wirnikowych lotniczych napdów turbinowych, III Sympozjum Naukowe: Problemy techniczno - eksploatacyjne w ksztaceniu pilotów, Dblin 1996. [2] Guha, A., An efficient generic method for calculating the properties of combustion products, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A, Vol. 215, Iss. 3, Londyn, 2001. [3] Jakubowski, R., Badanie wpywu jakoci procesów energetycznych w turbinowym silniku odrzutowym na efektywno eksploatacyjn metod bilansu energetycznego, Rozprawa doktorska, Rzeszów 2004. [4] Jakubowski, R., Investigation of the turbofan with mixer engine model sensitivity of thermalflow processes modification in the engine s components, Journal of Koness 2007. [5] Jakubowski, R., Orkisz, M., Wpyw zmian sprawnoci procesów przepywowo-cieplnych w turbinowym silniku odrzutowym na jego charakterystyki uytkowe, Niezawodno i Eksploatacja, Nr 2(14)/2002, Lublin 2002. [6] Nieciajew, Ju. I., Awiacionnyje turboreaktibnyje dwigatieli c izmieniajemym rabocim procesom dla mnogoreumnych samoletow, Maszunostrojenia, Moskwa 1988. [7] Orkisz, M., i in., Podstawy doboru turbinowych silników odrzutowych do patowca, Biblioteka Naukowa Instytutu Lotnictwa, Warszawa 2002. [8] Praca naukowa finansowana ze rodków na nauk w latach 2005-2008 jako projekt badawczy. 207