بهينه سازي فني - اقتصادي استفاده از سوخت هيدروژن در يك توربوفن

كارشناسي ارشد

در صنايع به ويژه بخش هوانوردي ، به دليل ارزش حرارتي بالاتر و به دنبال آن مصرف سوخت كمتر به ازاي توليد نيروي تراست مورد نظر(كارآمدتر بودن) ، قيمت مشخص و بدون نوسان و نيز توليد كلي اكسيد نيتروژن به واسطه ي مصرف سوخت كمتر به ازاي توليد تراست بيشتر و نيز كربن خنثي بودن سوخت هيدروژني در مقايسه با سوخت هيدروكربني ، سوخت هيدروژني را قادر مي سازد تا سطح مشتركي ميان سه ضلع مثلث توسعه ي پايدار انرژي يعني شاخص اقتصادي ، اجتماعي و زيست محيطي و انرژي را به خوبي پوشش داده و در نتيجه سوختي پايدار موتور هاي جت مي باشد. براي اينكه اين پروژه به سرانجام برسد ، سه روش تحقيق اتخاذ گرديده است ؛ به بيان ديگر در اين پروژه براي اينكه بتوان شبيه سازي توربوفن را انجام داد و نتايج را استخراج نمود ، بنابراين نياز است تا فرمول هاي ترموديناميكي حاكمه بر توربوفن را در نرم افزار متلب كد نويسي و شبيه سازي نموده و درنهايت از طريق بهينه سازي با الگوريتم ژنتيك آن هم طي دو مرحله ، به ساختار بهينه ي نهايي توربوفن هيدروژني دست يافت. البته مسلماً براي انجام اين روند به مقادير پارامتر هاي طراحي به عنوان پيش فرض نياز مي باشد. همچنين موتور انتخابي جهت پايان نامه موتور توربوفن جنرال الكتريك جي اي 90 مي باشد. پس بنابراين در اين پروژه از سه روش تحقيق نرم افزار نويسي(جهت شبيه سازي) ، روش تحقيق تحليلي يا مدلسازي(اتخاذ فرمول هاي مورد نياز و كد نويسي در متلب) و روش تحقيق مطالعه ي موردي(انتخاب موتور جي اي 90 جهت پروژه) استفاده مي شود. پس از انجام پروژه مي توان نتايج برجسته را بدين ترتيب بيان نمود كه : پس از بهينه سازي مقادير بهينه ي ضريب كنارگذر ، نسبت فشار فن و نيز نسبت فشار كلي توربوفن هيدروژني به ترتيب برابر با 10.2965 ، 1.6111 و 39.49 به دست مي آيند. همچنين در شبيه سازي براي نقطه ي طراحي(در ارتفاع 10668 متري كروز) با تغيير توربوفن جي اي 90 هيدروكربني اوليه با ضريب كنارگذر 8.1 و نسبت فشار كلي 44.04 به توربوفن جي اي 90 هيدروژني نهايي بهينه سازي شده با نسبت فشار كلي 39.49 و ضريب كنارگذر 10.2965 : نيروي تراست خالص 16.27 درصد افزايش مي يابد ، مصرف سوخت ويژه ي متناظر با تراست به اندازه ي 65.90 درصد كاهش مي يابد ، راندمان حرارتي به ميزان 2.65 درصد افزايش مي يابد ، راندمان پيش رانشي با كاهشي به ميزان 0.2درصد عملاً تغييري نداشته و شرايط مناسبي را از منظر پيش رانشي فراهم مي نمايد ، راندمان كلي به ميزان 2.5 درصد افزايش مي يابد ، توليد كل اكسيد نيتروژن در سرتاسر فاز كروز چرخه ي پرواز 68.25 درصد كاهش مي يابد و دبي جرمي سوخت به اندازه ي 60.29 درصد كاهش مي يابد.البته با فقط با تغيير سوخت از هيدروكربني به هيدروژني در توربوفن جي اي 90 با ضريب كنارگذر 8.1 ، ارتفاع كروز 10668 متر و عدد ماخ 0.83 ، توليد كل اكسيد نيتروژن در سرتاسر فاز كروز چرخه ي پرواز 61.90 درصد كاهش مي يابد. در شبيه سازي براي نقطه ي طراحي(در ارتفاع 10668 متري كروز) با تغيير توربوفن جي اي 90 هيدروژني اوليه با ضريب كنارگذر 8.1 و نسبت فشار كلي 44.04 به توربوفن جي اي 90 هيدروژني نهايي بهينه سازي شده با نسبت فشار كلي 39.49 و ضريب كنارگذر 10.2965 : نيروي تراست خالص 4.53 درصد افزايش مي يابد ، مصرف سوخت ويژه ي متناظر با تراست به اندازه ي 3.7 درصد كاهش مي يابد ، راندمان حرارتي به ميزان 3.16 درصد افزايش مي يابد ، راندمان پيش رانشي به ميزان 0.7 درصد افزايش مي يابد ، راندمان كلي به ميزان 3.86 درصد افزايش مي يابد ، توليد اكسيد نيتروژن به ازاي سوختن هر كيلوگرم سوخت به اندازه ي 3.94 درصد كاهش مي يابد ، توليد كل اكسيد نيتروژن در سرتاسر فاز كروز 16.67 درصد كاهش مي يابد ، دبي جرمي سوخت به اندازه ي 0.6 درصد افزايش مي يابد نتايج با روندي مشابه در حالت كروز(نقطه ي طراحي) براي سطح دريا(خارج از نقطه ي طراحي) نيز پا برجاست.

195106

دانشگاه علم و صنعت ايران

دكتر رضا دشتي

مهندسي سيستم‌هاي انرژي - انرژي و محيط ‌زيست

دكتر ابوالفضل احمدي