Piston-prop uçak motorlarında ekserjoekonomik çevresel optimizasyon
Exergoeconomic environmental optimization of piston-prop aircraft engines
Yazar: ÖNDER ALTUNTAŞ
Danışman: PROF. DR. T. HİKMET KARAKOÇ ; PROF. DR. ARİF HEPBAŞLI
Anadolu Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Sivil Havacılık Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Enerji = Energy ; Sivil Havacılık = Civil Aviation
Dizin: Ekserji = Exergy ; Ekserji analizi = Exergy analysis ; Termodinamik = Thermodynamics ; Uçak motorları = Aircraft engines ; Çevresel etki değerlendirme = Environmental impact assesment

Özet:
Isıl sistemlerin optimum çalışma koşullarının belirlenmesi, enerjinin verimli kullanılması açısından büyük bir önem taşımaktadır. Bunun yanı sıra, ekonomik ve çevresel etkilerinin değerlendirilmesi de önemli bir rol oynamaktadır. Bu tezde, 4-zamanlı, hava soğutmalı, 4-silindirli ve doğal emişli bir piston-prop uçak motoruna, iniş kalkış fazı (LTO) ve 1 saatlik düz uçuş için ekserjoekonomik ve ekserjoçevresel analiz yöntemleri uygulanmıştır. Ayrıca belirlenen kriterdeki optimum düz uçuş şartları için ekserjoekonomik çevresel optimizasyon gerçekleştirilmiştir. LTO safhasının kalkış fazında; en yüksek efektif güç ekserji akımı, giren ekserji akımı, izafi maliyet farkı ve ekserjoekonomik faktör, sırasıyla, 111.90 kW, 476.51 kW, % 116.06 ve % 98.81 olarak hesaplanmıştır. Buna karşın aynı fazda en düşük ekserjoçevresel faktör değeri % 16.06 olarak bulunmuştur. 1 saatlik düz uçuşta en yüksek giren ekserji akımının (410.60 kW) elde edildiği 1000 m irtifa, % 75 güç ayarı ve 18 hava-yakıt oranında (HY) ise en yüksek ekserji yıkımı (167.10 kW) ve yakıtın en düşük birim ekserji maliyeti (116.80 $/GJ) elde edilmiştir. 1000 m irtifa, % 75 güç ayarı ve 13 HY oranında en yüksek ekserji verimi (% 19.98) ve çıkan ekserji akımı (170.05 kW) ve en düşük izafi maliyet farkı (% 62.29), ürünün özgül çevresel etkisi (8.26 mPts/MJ) ve izafi çevresel fark (% 61.54) elde edilmiştir. Yapılan ekserjoekonomik çevresel optimizasyon sonucunda ise yakıtın en yüksek ekserji verimi % 15.17 ile % 19.80, en düşük birim ekserji maliyeti 117.53 $/GJ ile 130.05 $/GJ arasında ve ürünün en düşük özgül çevresel etkisi 8.66 mPts/MJ ile 11.86 mPts/MJ arasında değiştiği görülmüştür. Tüm bu hesaplamalar ışığında, LTO safhasında yaklaşma ve taksi fazlarında bir iyileştirme yapılması gerektiği ve optimum düz uçuşun düşük irtifa, yüksek güç ayarı ve düşük HY oranında gerçekleştiği görülmüştür.Anahtar Kelimeler:Piston-prop uçak motoru, Ekserjoekonomik analiz, Ekserjoçevresel analiz, Optimizasyon

Abstract:
It is a great importance to determine the optimum working conditions of thermal systems in terms of efficient energy utilziation. Beside this, economic and environmental assessments also play an important role. In this thesis, exergoeconomic and exergoenvironmental analysis methods are applied to a four-cylinder, spark ignition, naturally aspirated and air-cooled piston-prop aircraft engine for both flight opeartions, landing takeoff (LTO) and an hour cruise. Further, an exergoeconomic environmental optimization is undertaken to determine the optimum cruise conditions. In takeoff phase, the maximum exergy work rate, exergy input rate, relative cost difference and exergoeconomic factor are found to be 111.90 kW, 476.51 kW, 116.06%, and 98.81%, respectively while the minimum exergoenvironmental factor is calculated to be 16.06% in the same phase. The results of an hour cruise, the maximum exergy input rates (410.60 kW), the maximum exergy destruction rate (167.10 kW) and the minimum unit cost of the fuel (116.80 $/GJ) are obtained in 1000 m altitude, 75% rated power setting and 18 air-to-fuel ratio (AF). The maximum exergy efficiency (19.98%) and exhaust exergy rate (170.05 kW) and the minimum relative cost diffirence (62.29%), specific environmental impacts of products (8.26 mPts/MJ) and relative environmental difference (61.54) are found in 1000 m altitude, 75% rated power setting and 13 AF ratios. As a result of the optimization, while the maximum exergy efficiency varies from 15.17% to 19.80%, the minimum unit cost of the fuel ranges from 117.53 $/GJ to 130.05 $/GJ, and specific environmental impacts of the product is in the range of 8.66 mPts/MJ to 11.86 mPts/MJ. In the light of the results, an improvements needs to be done in approach and taxi phases, and optimum cruise was realized at low altitude, high-power setting, and low AF ratios.Keywords:Piston-prop aircraft engine, Exergoeconomic analysis, Exergoenvironmental analysis, Optimization