Preliminary design and analysis of an afterburner module
Abstract
In this study, design calculations and calculations of afterburner used in jet engines are presented by evaluating the results of analytical and computational analysis. Afterburner inlet values of 1050 K temperature, 300 kPa pressure and 3.6 kg/s mass flow rate are taken as the design conditions. Maximum length and diameter are 500 mm and 200 mm, respectively, for the sections to be designed as length constraints within the scope of the conceptual design. The two-ring vee-gutter has 1.33 cm in diameter and 4.25 cm high. Jet A fuel is assumed to be injected into the core flow (90 degrees) from the spray bars. The spray is mounted in line with the vee-gutter to optimize the mixing of the flow. Analyses are performed for 4 cm between the spray bar and the vee-gutter. For the study, the GE J79 engine was examined from the literature and taken as a basis for the aerodynamic transition section design. Within the scope of TEKNOFEST 2023 Jet Engine Design Competition, a preliminary design of an afterburner module that can produce 700 pounds of thrust and has a life capacity of 25 hours should be realized in line with the design requirements and constraints. In the light of geometric constraints, one-dimensional combustion calculations of the module are made, and the parts are modelled using the relevant SolidWorks CAD program and these modelled parts are then transferred to ANSYS™ environment and the results and analyses are verified. The afterburner module flow analysis software program ANSYS™ is used to analyse the afterburner operation in both cold operating ranges (i.e. without combustion) using compressible, viscous and standard k-epsilon turbulence model. As a result, the effect of afterburner length on combustion performance is found to be significant. As a result of the calculations, afterburner length is found as 28.14 cm. It is found that the combustion efficiency is 81.5% and the temperature can be increased from 1050 K to 2044 K. The total pressure loss is 14.96% as pressure drop due to the geometric parameters and heat addition. The blockage ratio calculated due to the use of vee-gutter geometry is the most important parameter in the pressure drop. It is found that the jet engine producing 670 lbs (2981 N) of thrust when the afterburner is not working whereas it can provide a significant amount of power increment at the expense of a 50% increase in specific fuel consumption when the afterburner is active as well as providing a 738 lbs (3238 N) with a 10.1% thrust increase. The reason of the enhancement is mainly coming from the mixing effect of the vee-gutter on the flow structure.
Keywords
Bir art yakıcı modülünün ön tasarımı ve analizi
Abstract
Bu çalışmada, jet motorlarında kullanılan art yakıcının tasarım hesapları ve hesaplamaları analitik ve hesaplamalı analiz sonuçları değerlendirilerek sunulmuştur. Art yakıcı giriş değerleri olarak 1050 K sıcaklık, 300 kPa basınç ve 3,6 kg/s kütlesel debi tasarım şartları olarak alınmıştır. Kavramsal tasarım kapsamında uzunluk kısıtı olarak tasarlanacak kesitler için maksimum uzunluk ve çap sırasıyla 500 mm ve 200 mm'dir. İki halkalı oluk 1,33 cm çapında ve 4,25 cm yüksekliğindedir. Jet A yakıtının püskürtme çubuklarından çekirdek akışına (90 derece) enjekte edildiği varsayılmaktadır. Sprey, akışın karışımını optimize etmek için damar oluğu ile aynı hizada monte edilmiştir. Analizler püskürtme çubuğu ile oluk arasındaki 4 cm için gerçekleştirilmiştir. Çalışma için GE J79 motoru literatürden incelenmiş ve aerodinamik geçiş kesiti tasarımı için temel alınmıştır. TEKNOFEST 2023 Jet Motoru Tasarım Yarışması kapsamında tasarım gereksinimleri ve kısıtları doğrultusunda 700 libre itki üretebilen ve 25 saat ömür kapasitesine sahip bir art yakıcı modülün ön tasarımının gerçekleştirilmesi gerekmektedir. Geometrik kısıtlar ışığında modülün tek boyutlu yanma hesapları yapılarak ilgili SolidWorks CAD programı kullanılarak parçalar modellenir ve modellenen bu parçalar daha sonra ANSYS™ ortamına aktarılarak sonuçlar ve analizler doğrulanır. Art yakıcı modülü akış analizi yazılım programı ANSYS™, sıkıştırılabilir, viskoz ve standart k-epsilon türbülans modeli kullanılarak her iki soğuk çalışma aralığında (yani yanma olmadan) art yakıcı çalışmasını analiz etmek için kullanılmıştır. Sonuç olarak, art yakıcı uzunluğunun yanma performansı üzerindeki etkisinin önemli olduğu bulunmuştur. Hesaplamalar sonucunda art yakıcı uzunluğu 28,14 cm olarak bulunmuştur. Yanma veriminin %81,5 olduğu ve sıcaklığın 1050 K'den 2044 K'ye çıkarılabileceği bulunmuştur. Geometrik parametreler ve ısı ilavesi nedeniyle basınç düşüşü olarak toplam basınç kaybı %14,96'dır. Damar-oluk geometrisinin kullanımına bağlı olarak hesaplanan blokaj oranı basınç düşüşündeki en önemli parametredir. Art yakıcı çalışmadığında 670 lbs (2981 N) itki üreten jet motorunun, art yakıcı aktif olduğunda özgül yakıt tüketiminde %50'lik bir artış pahasına önemli miktarda güç artışı sağlayabildiği ve %10,1'lik bir itki artışı ile 738 lbs (3238 N) itki sağladığı tespit edilmiştir. Bu artışın nedeni, esas olarak damar oluğunun akış yapısı üzerindeki karıştırma etkisinden kaynaklanmaktadır.
Keywords
