Μέτρηση και μοντελοποίηση αέριων ρύπων αεριοστροβιλών και διερεύνηση διαγνωστικής τους χρησιμότητας

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζονται τα καυσαέρια των αεριοστροβίλων, οι μονάδες μέτρησης τους και η αναγωγή των μετρήσεων. Περιγράφονται οι βασικοί κανονισμοί που πρέπει να ακολουθηθούν πριν, κατά τη διάρκεια και μετά τη διεξαγωγή μίας μέτρησης καυσαερίων. Στη συνέχεια παρουσιάζεται μία συσκευή μέτρησης ρύπων και πιστοποιείται η ακρίβειά της λαμβάνοντας μετρήσεις από βιομηχανικό αεριοστρόβιλο. Αναλύεται ακόμη ο τρόπος υπολογισμού του λόγου αέρα καύσης καθώς και του βαθμού απόδοσης του θαλάμου καύσης με την βοήθεια των καυσαερίων. Παρουσιάζονται ημιεμπειρικές σχέσεις εκτίμησης καυσαερίων οι οποίες χρησιμοποιούν θερμοδυναμικά δεδομένα της μηχανής. Επίσης παρουσιάζεται διαδικασία προσαρμογής των σχέσεων αυτών σε πειραματικά δεδομένα. Ειδικά για αεροπορικούς κινητήρες, περιγράφονται οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες μέθοδοι εκτίμησης, οι οποίες κάνουν χρήση δεδομένων από την πιστοποίηση των αεροσκαφών (ICAO). Οι παραπάνω ημιεμπειρικές σχέσεις και μέθοδοι εκτίμησης μοντελοποιούνται και στη συνέχεια εισάγονται στο πρόγραμμα PROOSIS. Για απλές και συνδυασμένες βλάβες προσδιορίζεται η συμπεριφορά των καυσαερίων σε έναν κύκλο προσγείωσης- απογείωσης. Στη συνέχεια γίνεται διερεύνηση της δυνατότητας χρήσης των εκπομπών για διαγνωστικούς σκοπούς. Στα πλαίσια αυτά έγινε ανάλυση ευαισθησίας των εκπομπών σε μεταβολές των δεικτών υγείας του κινητήρα. Η ανάλυση αυτή επέτρεψε να εξαχθούν συμπεράσματα όσον αφορά την καταλληλότητα συγκεκριμένων μετρήσεων για την εκτίμηση συγκεκριμένων δεικτών υγείας της μηχανής, τόσο σε επίπεδο συνιστώσας όσο και για ολόκληρη την μηχανή. Παρατηρείται ότι οι εκπομπές του μονοξειδίου του άνθρακα παρουσιάζουν την καλύτερη συμπεριφορά από τις υπόλοιπες εκπομπές καυσαερίων για διαγνωστικούς σκοπούς για τον συμπιεστή υψηλής, ενώ οι εκπομπές των οξειδίων του αζώτου είναι πιο κατάλληλες για τη διάγνωση των στροβίλων. Για τη διάγνωση του FAN μπορούν εξίσου να χρησιμοποιηθούν και τα NOx και τα CO. Τέλος, για ολόκληρη την μηχανή μπορεί να γίνει χρήση του NOx ή του CO αντικαθιστώντας μια εκ των μετρήσεων της εξόδου του συμπιεστή υψηλής.

This Diploma Thesis presents the gas turbine emissions, their measurement units and their standardization. The basic rules are described before, during and after taking a measurement. Α device which measures the concentration of gas emissions, is presented and it certifies its accuracy by taking measurements from an industrial gas turbine. The air to fuel ratio and the efficiency of combustion chamber are calculated using the concentration of gas emissions. The semi-empirical correlations, which use thermodynamic data from the engine, are also described. Especially for aircraft engines, semi-empirical methods are presented, which make use of data from aircraft certification (ICAO). For the above correlations, an adaptation method is used to reduce the deviation from the experimental values. These correlations are modeling in PROOSIS. For simple and combined faults, we determine the behavior of gases in a Landing and Take off CYCLE. Finally it is investigated if gas turbines emissions can be used for diagnostic purposes. Sensitivity analysis for gas emissions was held to changes in health indices of the engine. In this analysis, we concluded of how appropriate are these specific measurements for the assessment of the health indices, not only for each component but also for the whole engine. Carbon monoxide emissions behave better for diagnostic purposes in the high pressure compressor, whereas nitrogen oxides behave better for diagnostic purposes in turbines. To estimate health indices for FAN, both nitrogen oxides and Carbon monoxide measurements can be used. Finally, for the whole engine, NOx and CO can be used replacing one of the measurements of high pressure compressor.