Scimitar Motorunun 5.0 Mach Hızda Enerji Ve Ekserji Esaslı Termodinamik Analizi

Abstract

Scimitar motoru ile ilgili literatürde az sayıda çalışma mevcuttur ve bunların çoğu Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği ya da simülatör kullanımı ile gerçekleştirilmiştir. Motordaki proseslerin termodinamik modelinin ayrıntılı gösterildiği bir çalışmanın literatürdeki eksikliğinin belirlenmesi üzerine bu tez çalışması başlatılmıştır. Scimitar motoru, 5.0 Mach uçuş hızına çıkabilmek için üç farklı jet motorunun özelliklerine sahip olan bir roket motorudur. Bu üç mod sırasıyla turbofan, ramjet ve hava-turborokettir. Scimitar motoru 0.0 ile 2.5 Mach hız aralığında turbofan modunda, 2.5 ile 5.0 Mach hız aralığında ramjet ve hava-turboroket modlarında, 5.0 Mach uçuş hızında ise bu tezin de konusu olan hava-turboroket modunda çalışmaktadır. Bu çalışmanın amacı, Scimitar motorunun 5.0 Mach uçuş koşullarında enerji ve ekserji esaslı termodinamik analizini yapmak üzere, motorun bir termodinamik analiz modelini oluşturmaktır. Hava, O2 ve N2'den oluşan bir ideal gaz karışımı olarak kabul edilmiştir. Havanın ve yanma ürünü gazların kimyasal kompozisyonunun ve yanma reaksiyonunun hesaplamada göz önünde bulundurulması önemini yakınsak-ıraksak lülede ve yanma odasındaki proseslerde göstermektedir. Yanma ürünü gazları hava olarak varsayarak değerlendirmek, yanma ürünü gazların yanma odası çıkış sıcaklığının yaklaşık olarak 400 K farkla belirlenmesine sebep olmaktadır. Bu çalışmada, motorun tüm bileşenleri için ayrı ayrı olarak ve ayrıca tümünü tek bir kontrol hacmi olarak kabul ederek, termodinamik modelini oluşturan bağıntılar ayrıntılı biçimde türetilmiştir. Ayrıca, montaj öncesi tepki kuvveti, özgül tepki kuvveti, birim tepki kuvveti için yakıt tüketimi, itme verimi, ısıl verim, toplam verim, ekserjitik verim, toplam ekserji yıkımı hızı, ekolojk performans katsayısı, ekserjitik sürdürülebilirlik göstergesi ve ekserji yıkım faktörü gibi performans parametreleri türetilmiş, hesaplanmış ve sonuçları literatürdeki simülatörle yapılmış analiz sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır.

Almost all published studies about the Scimitar engine are performed by CFD analysis or thermodynamics simulators. This study started after realizing the need for studies regarding the thermodynamic model in detail for the Scimitar engine. Scimitar engine has features of three different propulsion engines in combination to reach the Mach 5.0 cruise speed. Turbofan mode is in operation between Mach 0.0 and 2.5, ramjet and air-turborocket modes are active between Mach 2.5 and 5.0, and air-turborocket mode is active at Mach 5.0. The purpose of this thesis is to develop a thermodynamic analysis model in detail and to perform an energy and exergy-based thermodynamic analysis of the Scimitar engine at Mach 5.0. Air is considered as an ideal gas mixture of O2 and N2. The importance of chemical composition reveals itself in the convergent–divergent nozzle and combustion chamber. Treating combustion products as air results with a difference (around 400 K) in the temperature of combustion products at the exit of the combustion chamber. Thermodynamic relations regarding the engine components on the air, helium and hydrogen cycles and the rate of global energy and exergy balance have been derived in detail. Additionally, some performance parameters, such as uninstalled thrust, specific thrust, thrust specific fuel consumption, propulsive efficiency, thermal efficiency, overall efficiency, exergetic efficiency, total exergy destruction rate, coefficient of ecological performance, exergetic sustainability index and exergy destruction factor are derived. Finally, calculations for all of them have been performed and the results are compared with the results in the literature.