تحلیل موتور توربوپراپ در شرایط on-design و off-design

در این رساله عملکرد یک موتور توربوپراپ که ملخ آن از نوع clark y 5868-r9 است در شرایط نقطه طرح (on- design) و خارج از نقطه طرح (off- design) مورد مطالعه قرار گرفته شده است. موتور توربوپراپ یکی از انواع موتور جت در تراست بالا و مصرف مخصوص سوخت پایین است که عدد ماخ پروازی آن هرگز از 8/. تجاوز نمی کند. دور موتور های توربوجت به حدی زیاداست که در صورت اتصال مستقیم به ملخ، سرعت نوک تیغه های ملخ به سرعتی بیش از سرعت صوت می رسند، لذا همیشه از یک جعبه دنده جهت کاهش دور استفاده می شود. در این موتورها هوای خروجی بیشتر انرژی خود را به شفت موتور داده و این شفت انرژی مازاد بر چرخش کمپرسور را از طریق جعبه دنده به ملخ می دهد. سهم ایجاد نیروی جلوبرندگی برای هوای خروجی از موتور تقریبا ناچیز است و اکثر نیروی پیشرانش را ملخ تولید می نماید. موتور توربوپراپ مورد بحث در این رسااله، دور ثابت بوده و دارای ملخ با زاویه گام متغیر است. هنگامی که زاویه گام پره ها تغییر می کند، مقدار جرم هوای عبوری و در نتیجه مسافت طی شده و در نهایت نیروی پیشرانش نیز تغییر می کند. به همین دلیل در بعضی شرایط از گام کم و در بعضی شرایط از گام زیاد استفاده می شود. با تغییر زاویه گام، شرایط خارج از نقطه طرح (off-design) بوجود می آید. در طراحی موتور های جت از جمله موتور توربوپراپ، ملاک طراحی بر اساس شرایط off-design است. در این شرایط پارامترهای اساسی موتور از جمله تراست مخصوص، مصرف مخصوص سوخت، نسبت فشار توربین های فشار بالا و فشار پایین و راندمان حرارتی موتور در آن شرایط محاسبه شده و بدین ترتیب می توان اجزائ موتور جت را به گونه ای طراحی کرد که این موتور در نقطه طراحی به خوبی عمل کند. این شرایط که مهمترین آنها عدد ماخ پروازی و ارتفاع پروازی است، مبنای طراحی موتور توربوپراپ می باشد. در همین راستا ابتدا به منظور تعیین عملکرد ملخ، ضرایب تراست و توان و همچنین راندمان ملخ با استفاده از تئوری گردابه ها توسط یک بسته کامیوتری محاسبه شده اندکه پارامتر های کلیدی در این محاسبات عدد ماخ و ارتفاع پروازی می باشد. با تراست بدست آمده در این قسمت تحلیل موتور در شرایط on-design و off-design امکان پذیر می باشد. در شرایط نقطه طرح هدف از تحلیل، تعیین تخمین هایی برای عملکرد موتور بر حسب برخی از پارامتر های طراحی مانند شرایط پروازی، و انتخاب های طراحی است. در این قسمت پارامترهای کلیدی همچون تراست تولیدی و مصرف مخصوص سوخت در شرایط نقطه طرح محاسبه می شوند که با استفاده از این دو پارامتر، نسبت فشار بهینه کمپرسور تعیین می گردد. تحلیل در شرایط خارج از نقطه طرح به منظور تعیین تخمین هایی برای عملکرد موتور در حالیکه انتخابهای طراحی قبلا انجام شده اند، صورت می گیرد. لازم به ذکر است که پارامتر های بدست آمده در تحلیل off-design مانند مصرف مخصوص سوخت، نسبت فشار کمپرسور، راندمان حرارتی موتور و بسیاری پاراترهای دیگر، ملاک طراحی موتور های توربوپراپ می باشند. سپس با استفاده از اطلاعات بدست آمده از توربین فشار پایین، نازل موتور که یک نازل همگرا و مادون صوت است در نرم افزار fluent مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته و سهم تراست تولیدی توسط نازل از تراست کل تعیین می شود. در انتها با تغییر در سیکل ترمودینامیکی موتور توربوپراپ، عملکرد موتور مورد ارزیابی مجدد قرار گرفته و با نتایج سیکل ساده مقایسه می شوند.