Exergetic, exergoeconomic and sustainability assessments of piston-prop aircraft engines

Abstract

Bu çalışmada, piston-prop uçak motorlarının ekserji, ekserjoekonomi ve sürdürülebilirlik yönleri kapsamlı bir şekilde gözden geçirilmiştir. Bu analiz ve değerlendirme araçları, 4-zamanlı, hava soğutmalı, 4-silindirli ve doğal emişli bir piston-prop uçak motoruna, uçuş operasyonunun bir bölümü olan iniş–kalkış (LTO) safhasında uygulanmıştır. LTO safhası; kalkış, tırmanma, yaklaşma ve taksi olmak üzere dört fazdan oluşur. Enerji analizi sonuçları, 111.90 kW ile en yüksek iş akımına ihtiyaç duyulan fazın kalkış olduğunu göstermiştir. Aynı fazda, yakıt enerji ve ekserji akımlarının da, sırasıyla 444.30 kW ve 476.51 kW değerleriyle, en yüksek olduğu görülmüştür. En düşük enerji ve ekserji kayıpları taksi fazında bulunurken, en yüksek enerji ve ekserji verimleri sırasıyla %26.76 ve %24.95 olarak tırmanma fazında bulunmuştur. Maliyet analizleri sonucunda, taksi fazının en yüksek ekserji yıkım maliyetine sahip olduğu görülmüştür. Bu değerler, sabit ürün yaklaşımıyla 23.41 $/h olarak hesaplanırken, sabit yakıt yaklaşımıyla 2.96 $/h olarak hesaplanmıştır. En yüksek sürdürülebilirlik indeksi (SI) ise 1.332 ile tırmanma fazında bulunmuştur.

In this study, the exergetic, exergoeconomic, and sustainability aspects of piston-prop aircraft engines are comprehensively reviewed. These analysis and assessment tools are applied to a four-cylinder, spark ignition, naturally aspirated and air-cooled piston-prop aircraft engine in the landing and takeoff (LTO) phases of flight operations. LTO consists of four parts: takeoff, climb out, approach, and taxi. The results of energy analysis indicate that takeoff is a phase requiring high power with a maximum work rate of 111.90 kW. Maximum fuel energy and exergy rates are calculated to be 444.30 kW and 476.51 kW, respectively. The minimum total loss is found in the taxi phase, while maximum energy and exergy efficiency values are 26.76% and 24.95% in the climb out phase, respectively. Based on the results of the cost analysis, the taxi has the maximum exergy destruction cost rate with 23.41 $/h at a fixed production and 2.96 $/h at a fixed fuel. Maximum sustainability index (SI) is found to be 1.332 at the climb out phase.