بررسي بازده و مصرف سوخت موتور توربوفن تركيبي با پيل سوختي اكسيد جامد براي استفاده در پهپادها با مداومت پروازي بالا

analysis the engine efficiency and fuel consumption of a turbofan engine combined with a solid oxide fuel cell for use in UAVs with long endurance

در اين مقاله، استفاده از موتور تركيبي پيل سوختي اكسيد جامد (SOFC) با موتور توربين گاز (توربوفن) براي كاهش سوخت مصرفي در هواپيما با بارهاي الكتريكي بزرگ مانند هواپيماهاي بدون سرنشين(پهپاد) داراي گيرنده و با مداومت پروازي بالا مورد بررسي قرار مي¬گيرد. اين سيستم تركيبي داراي تعدادي مزيت است: توربين-گاز بسياري از زيرسيستم و اجزاي پيل سوختي اكسيد جامد (تامين سوخت، هوا و حرارت به سلول سوختي) را حذف مي¬كند و بنابراين تعداد اجزاي سيستم پيل سوختي را كاهش مي¬دهد؛ موتور توربوفن سوخت و هواي تحت فشار را براي پيل سوختي فراهم مي¬كند كه عملكرد سيستم پيل سوختي را به طور قابل توجهي بهبود مي¬دهد. گرما حاصل از پيل سوختي و سوخت¬هاي واكنش نداده در آن توسط سيستم تعادلي توربين¬گاز بازپس گرفته مي¬شوند. اين سيستم مي-تواند توان الكتريكي بيشتري را در مقايسه با سيستم¬هاي موتور ژنراتور فراهم كند با اين وجود چگالي توان آن در حدود 10 درصد كمتر از موتورهاي مرسوم است. مدل¬هاي ترموديناميكي پيل سوختي اكسيد جامد، راكتور خودگرمايي و توربو¬فن جريان مجزا، جداگانه براي فاز تعادل گاز و واكنش الكتروشيميايي در سلول و محاسبات پايا در نقطه عملكرد سطح دريا توسعه يافته¬اند. مدل ها در محيط متلب ايجاد شده¬اند. يكپارچگي سيستم پيل سوختي اكسيد جامد- توربين گاز (GT-SOFC) باعث كاهش 6-8٪ سوزاندن سوخت در سيستم¬هاي 70 كيلو وات در موتور 35 كيلو ولت با افت كمتر از 1٪ مي¬شود. اين سيستم تركيبي همچنين مي¬تواند قبل از رسيدن به محدوديت¬ دماي ورودي توربين، توان الكتريكي بيشتري (در برخي موارد بيش از 3 برابر) از سيستم¬هاي مبتني بر ژنراتور فراهم كند. اين مطالعه نشان مي¬دهد كه سيستم موتورهاي تركيبي عملكرد كلي بهتري را نسبت به سيستم¬هاي منفرد امكان¬پذير مي¬سازند.

This dissertation investigates the use of gas turbine (GT) engine integrated solid oxide fuel cells (SOFCs) to reduce fuel burn in aircraft with large electrical loads like sensor-laden unmanned air vehicles (UAVs). The concept offers a number of advantages: the GT absorbs many SOFC balance of plant functions (supplying fuel, air, and heat to the fuel cell) thereby reducing the number of components in the system; the GT supplies fuel and pressurized air that significantly increases SOFC performance; heat and unreacted fuel from the SOFC are recaptured by the GT cycle offsetting system-level losses. The net result is a system that can supply more electrical power more efficiently than comparable engine-generator systems with only modest (