Uçak itki ve güç sistemleri için bir gaz türbinli motor ile çeşitli yakit hücresi tiplerinin hibritlenmesi ve modellenmesi
Hybridization and modeling of a gas turbine engine with various fuel cell types for aircraft propulsion and power systems
Yazar: ENES GÜNALTILI
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ZEKİ YILMAZOĞLU ; PROF. DR. TAHİR HİKMET KARAKOÇ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada havacılıkta yoğun olarak kullanılan bir gaz türbinli motorun çeşitli yakıt pili tipleri ile farklı yazılımlar vasıtasıyla performans, ekonomik ve çevresel açıdan hibrit modelleri oluşturularak ve farklı kriterler bağlamında en çevresel, en ekonomik ve en verimli sistemlerin modellemesi ve optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Öncelikle oldukça kapsamlı bir literatür taraması yapılarak sistemlere dair şimdiye kadarki tüm çalışmalar gözden geçirilip kapsamlı ve özgün bir listeleme gerçekleştirilmiştir. Sonrasında oldukça kapsamlı bir akış şeması yapılarak hangi tipte motorun neden seçildiği, hangi irtifalarla hangi özelliklere göre modelleme yapılması gerektiği, yakıt pillerinin havacılık sektöründe kullanılmaya elverişli olup olmadığı, bu yakıt pillerinin artıları ve eksileri ve hibrit sistemde modellemelerde kullanılacak olan kabuller ile gerekçeleri detaylı şekilde çıkarılmıştır. Bu kapsamda modelleme için seçilen gaz türbin motoru, kompresör, yanma odası ve türbinin çeşitli geometrik şekillerine bağlı olarak çeşitli atmosferik koşullar altında iki farklı yazılımla iki ayrı şekilde modellenmiştir. Bu yöntem sonucunda gaz türbinli motorun performans parametreleri, çevresel metrikleri ve sürdürülebilirlik göstergeleri farklı irtifalarda ve belirlenen farklı aralıklarda elde edilmiştir. Sonrasında ise çeşitli mühendislik yazılımları kullanılarak havacılık literatüründe deneysel olarak da kullanılmış olan yakıt pillerinin modellemeleri gerçekleştirilmiştir. Son olarak hibrit sistem mimarisi ile ilgili yakıt reformu ile yakıt pili besleme ve harici hidrojen tankı ile yakıt pili besleme olmak üzere iki farklı yöntem ele alınmıştır. Hibridizasyon aşamasında kullanılacak her iki yöntem uçağın uçuş fazları içerisinde performans hesaplamaları gerçekleştirilerek incelenmiştir. Bu analizlerin performans, çevresel ve ekonomik optimizasyon açısından elde edilen çıktılar doğrultusunda her bir uçuş fazı için yakıt pilinin kullanım şekli planlaması (kabin içi enerji ihtiyacı ve itki sistemine destek) yapılarak yakıt tasarrufu miktarları ayrı senaryolarda elde edilmiştir. Sonuç olarak sivil havacılıkta yaygın olarak kullanılan gaz türbinli motor için hangi tip yakıt pilinin hangi hibritleme yöntemi ve yüzdesel olarak kullanım şekline göre çevresel, ekonomik ve performans açısından daha verimli olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
In this study, hybrid models of a gas turbine engine, which is widely used in aviation, with various fuel cell types in terms of performance, economic, and environmental aspects have been created by means of different software, and the most environmentally, economically, and efficiently modeled and optimized in the context of different criteria. First of all, a comprehensive literature review was conducted to review all previous studies on the systems, and a comprehensive and unique listing was made. Afterward, a very comprehensive flowchart was made and a detailed flowchart was made to determine which type of engine was chosen and why, which altitudes and which characteristics should be modeled, whether fuel cells are suitable for use in the aviation sector, the pros and cons of these fuel cells, and the assumptions and justifications to be used in the modeling of the hybrid system. In this context, the gas turbine engine selected for modeling was modeled in two different ways with two different software under various atmospheric conditions, depending on the various geometric shapes of the compressor, combustion chamber, and turbine. As a result of this method, the performance parameters, environmental metrics, and sustainability indicators of the gas turbine engine were obtained at different altitudes and at different specified ranges. Afterward, fuel cells, which have been used experimentally in the aviation literature, were modeled using various engineering software. Finally, two different methods of hybrid system architecture are discussed: fuel cell feeding with fuel reforming and fuel cell feeding with an external hydrogen tank. Both methods to be used in the hybridization phase are examined by performing performance calculations during the flight phases of the aircraft. In line with the outputs of these analyses in terms of performance, environmental, and economic optimization, fuel savings were obtained in separate scenarios by planning the use of the fuel cell for each flight phase (in-cabin energy requirement and propulsion system support). As a result, it has been determined which type of fuel cell is more efficient in terms of environmental, economic, and performance for the gas turbine engine, which is widely used in civil aviation, according to the hybridization method and percentage usage.