Extended Second Law Analysis for Turboramjet Engines

Abstract

Turbine based combined cycles (TBCC) monopolizes the benefits from the two different thermodynamic cycle configurations involved. The TBCC, which is based on an irreversible Brayton cycle, considered in this study is a wraparound configuration turboramjet engine. The turboramjet can be utilized in either turbojet (afterburner (AB) being ON or OFF), ramjet and even dual mode operation. However, for the dual mode operation the turbojet engine AB are considered to be ON. In addition, the ramjet thermodynamic assessment considers multioblique shock and single normal shock solution and Rayleigh flow calculation for the combustion chamber. The performance analysis and comparison for the turboramjet engine for dual mode operation is based on a maximum power approach under variations of Mach number and altitude. Moreover, the dual mode operation considered variations of inlet air mass flow; the split of air mass flow between the turbojet and ramjet. In addition, a brief comparison is provided of the turbojet while the afterburner is in ON or OFF mode utilizing the maximum power, EPLOS and PLOS optimization functions for variations of altitude and Mach number. Moreover, a component based evaluation under maximum power conditions for variation of Mach number is provided. The turbojet with an AB shows greater advantage at Mach number higher than unity as well as attaining maximum power outputs at minimum PLOS for lower compressor ratio parameters (𝜃௖). Whereas the turboramjet indicates that as the split of inlet air mass flow to the ramjet is increased beyond 50% the advantage in terms of 𝜂௧௛, 𝜂௢, f, TSFC, 𝐼௔, thrust and 𝜈ேை௓௓௅ா far supersede that of the turbojet with an AB.

Türbin tabanlı birleştirilmiş çevrimler (TBCC), iki farklı termodinamik çevrim konfigürasyonundan faydalarını tekelleştirir. Bu çalışmada ele alınan TBCC bir turboramjet motoru, tersinmez bir Brayton çevrimi sahiptir ve sarmalayıcı konfigürasyonludur. Turboramjet, turbojette (art yakıcı (AB) AÇIK veya KAPALI), ramjette ve hatta çift modlu çalışmada kullanılabilir. Ancak, çift modlu çalışma için turbojet motoru AB'nin AÇIK olduğu kabul edilir. Ek olarak, ramjet termodinamik değerlendirmesi, çoklu eğik şok ve tek normal şok çözümünü ve yanma odası için Rayleigh akış hesaplamasını dikkate alır. Çift modlu çalışma için turboramjet motorunun performans analizi ve karşılaştırması, Mach sayısı ve irtifa değişiklikleri altında maksimum güç yaklaşımına dayanmaktadır. Dahası, çift modlu çalışma, giriş hava kütlesi akışındaki değişiklikleri; hava kütlesi akışının turbojet ve ramjet arasında bölünmesini dikkate alır. Ek olarak, turbojetin, irtifa ve Mach sayısının değişimleri için maksimum güç, EPLOS ve PLOS optimizasyon fonksiyonlarını kullanarak, art yakıcı AÇIK veya KAPALI modundayken kısa bir karşılaştırması sağlanır. Ayrıca, Mach sayısının değişimi için maksimum güç koşulları altında bileşen tabanlı bir değerlendirme sağlanır. AB'li turbojet, daha düşük kompresör oranı parametreleri (𝜃௖) için minimum PLOS'ta maksimum güç çıkışlarına ulaşmanın yanı sıra birlikten yüksek Mach sayısında daha büyük avantaj gösterir. Turboramjet ise, ramjet'e giden giriş hava kütlesi akışının bölünmesi %50'nin üzerine çıktıkça, 𝜂௧௛, 𝜂௢, f TSFC, 𝐼௔, itki ve 𝜈ேை௓௓௅ா açısından avantajın AB'li turbojetin çok ötesine geçtiğini gösterir.