سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

طراحی،ساخت و ارزیابی میکروتوربین بر مبنای توربوشارژر با رویکرد تولید توان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
عباس زندی لک
صادق تابع جماعت
میلاد باستانی
سعیدرضا زادسرجان
بهراد کریمی
دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران
10.22034/jfnc.2026.587997.1462
چکیده
در این پژوهش، طراحی، ساخت و ارزیابی عملی یک میکروتوربین گازی بر مبنای توربوشارژر خودرویی با هدف توسعه سامانه‌ای کم‌هزینه، قابل اتکا و کارآمد برای تولید توان پراکنده انجام شد. ابتدا با استفاده از نرم‌افزار ‌GASTurb، سیکل ترمودینامیکی سیستم طراحی و بهینه‌سازی شد. سپس با انتخاب یک توربوشارژر مناسب از برند ‌Holset، اجزای کلیدی شامل کمپرسور، توربین، محفظه احتراق، ماژول روغن‌کاری، سیستم استارت و سامانه داده‌برداری طراحی و یکپارچه‌سازی شدند. نتایج آزمون عملکردی نشان داد که توان محفظه احتراق تا ۲۲۵ کیلووات، و دبی جرمی هوا تا ۳۵۰ گرم بر ثانیه افزایش یافته و راندمان ایزنتروپیک کمپرسور در حالت پایدار در حدود ۷۰ درصد حفظ شده است. همگرایی توان کمپرسور و توربین و تطابق نتایج تجربی با مدل‌سازی نرم‌افزاری، مؤید صحت طراحی و کارایی بالای سیستم است. اگرچه برخی محدودیت‌ها ناشی از استفاده از تجهیزات طراحی نشده به این منظور وجود دارد، اما مزایای قابل توجهی همچون کاهش شدید هزینه‌ها، سادگی پیاده‌سازی و امکان انجام آزمون احتراق در رژیم پر فشار و دبی جرمی هوای بالا(نزدیک به میکروتوربین‌های تجاری)، این رویکرد را به گزینه‌ای جذاب و قابل توسعه در حوزه توان پراکنده بدل می‌سازد.

تازه های تحقیق

در این پژوهش، طراحی، ساخت و ارزیابی عملی یک میکروتوربین بر مبنای توربوشارژر خودرویی با هدف توسعه‌ی بستری کم‌هزینه، قابل‌اطمینان و کارآمد برای تولید مطالعه سیستم‌های تولید توان پراکنده و ارزیابی سوخت‌های جایگزین صورت پذیرفت. نتایج حاصل از آزمون‌های تجربی فشار بالا و تحلیل‌های ترمودینامیکی نشان داد که عملکرد سیستم در شرایط کاری واقعی، هم‌راستا با پیش‌بینی‌های تئوریک و مدل‌سازی‌های سیکل بوده است. 
در این میان، محفظه‌ی احتراق به‌عنوان حساس‌ترین و پیچیده‌ترین جزء، نقشی کلیدی ایفا نمود. تلفیق موفقیت‌آمیز اهداف کلان پروژه با جزئیات دقیق آیروترمودینامیکی، دستاوردهای زیر را به همراه داشته است: 
•    توسعه معماری لاینر ماژولار: طراحی محفظه با ساختار لاینر ماژولار، انعطاف‌پذیری لازم برای اجرای بیش از ۱۲۰ پیکربندی مختلف هوارسانی را بدون نیاز به ساخت مجدد فراهم آورد. این رویکرد، امکان تنظیم دقیق نسبت هم‌ارزی در نواحی سه‌گانه‌ی احتراق و لنگراندازی پایدار شعله را محقق ساخت. 
•    کارایی توربوماشینی و ترمودینامیکی: عملکرد سیستم با ثبت دبی جرمی ۳۵۰ گرم بر ثانیه و توان حرارتی لحظه‌ای ۲۲۵ کیلووات در محفظه‌ی احتراق، کارایی سامانه را به اثبات رساند. علاوه بر این، حفظ راندمان ایزنتروپیک کمپرسور در محدوده ۷۰ درصد و هم‌گرایی دقیق توان کمپرسور و توربین در وضعیت پایا، تأییدی بر تعادل توان در ساختار تک‌محوره و عملکرد بدون اغتشاش روتور است. 
توجیه اقتصادی و توسعه‌ی بستر پژوهشی: استفاده از توربوشارژر تجاری نه‌تنها موجب کاهش چشم‌گیر هزینه‌های توسعه‌ی تست‌استند فشار بالا شد، بلکه نشان داد این تجهیزات با توجه به دوام آیرومکانیکی، می‌توانند اجزایی توانمند برای مطالعه آتی توسعه‌ی میکروتوربین‌ها باشند. 
با درنظرگرفتن این نتایج، سیستم طراحی‌شده پتانسیل بالایی برای مطالعه سوخت‌های جایگزین در رژیم فشار بالاو مطالعه‌های گوناگون در زمینه میکروتوربین در مقیاس محلی داراست. اگرچه عملکرد کلی سیستم رضایت‌بخش بوده، اما باید برخی محدودیت‌ها و کاستی‌های ذاتی ناشی از استفاده از اجزای غیرتخصصی را نیز مدنظر قرار داد. 

کلیدواژه‌ها
میکروتوربین
محفظه احتراق
توربوشارژر
تولید توان پراکنده
موضوعات

عنوان مقاله English

Design, fabrication and evaluation of microturbine based on turbocharger with power generation purpose

نویسندگان English

Abbas Zandi lak
Sadegh Tabe jamaat
Milad Bastani
Saeed Reza Zadsirjan
Behrad Karimi
Faculty of Aerospace Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
چکیده English

This study presents the design, fabrication, and experimental evaluation of a cost-effective micro gas turbine platform based on an automotive turbocharger for distributed-power and advanced combustion research [3], [4]. The thermodynamic cycle was modeled in GasTurb and optimized through a uniform random-search procedure to minimize specific fuel consumption while maintaining a nominal shaft-power target near 100 kW. The optimized solution yielded a pressure ratio of 5, a corrected air mass flow rate of 0.618 kg/s, a predicted shaft power of 110.93 kW, and a specific fuel consumption of 0.3356 kg/kW·h, providing the basis for selection of a Holset HX55 turbocharger. The experimental system integrated the compressor–turbine assembly with a modular combustion chamber, an independent lubrication unit, a blower-based starting system, and a multi-sensor data-acquisition architecture. Propane-fueled tests were conducted through start-up, transient acceleration, imposed fuel-flow disturbance, and steady-state operation [7]. The rig achieved a maximum measured air mass flow rate of 0.35 kg/s and a peak combustion-chamber thermal power of approximately 225 kW. During steady operation, the compressor isentropic efficiency stabilized at about 70%, while the compressor discharge temperature increased from 332 to 369 K as the system moved to the higher-load condition. The asymptotic convergence of calculated turbine and compressor powers at steady state supported the expected single-shaft power balance. The modular combustor also remained stable through the imposed transient disturbance. The results demonstrate that an appropriately selected and integrated automotive turbocharger can provide a technically robust and economically attractive high-flow test platform, with clear potential for future investigations of biofuels, hydrogen, recuperated cycles, and distributed-generation concepts

کلیدواژه‌ها English

microturbine
combustion chamber
turbocharger
distributed power generation
[1] K. Sadovskaia, D. Bogdanov, S. Honkapuro, and C. Breyer, “Power transmission and distribution losses – A model based on available empirical data and future trends for all countries globally,” International Journal of Electrical Power and Energy Systems, vol. 107, pp. 98–109, May 2019, doi: 10.1016/j.ijepes.2018.11.012.
[2]    M. S. Ismail, M. Moghavvemi, and T. M. I. Mahlia, “Current utilization of microturbines as a part of a hybrid system in distributed generation technology,” 2013, Elsevier Ltd. doi: 10.1016/j.rser.2012.12.006.
[3]    A. Canova, G. Chicco, G. Genon, and P. Mancarella, “Emission characterization and evaluation of natural gas-fueled cogeneration microturbines and internal combustion engines,” Energy Convers. Manag., vol. 49, no. 10, pp. 2900–2909, Oct. 2008, doi: 10.1016/j.enconman.2008.03.005.
[4]    M. Molière, “The Fuel Flexibility of Gas Turbines: A Review and Retrospective Outlook,” May 01, 2023, MDPI. doi: 10.3390/en16093962.
[5]    A. K. Saha, S. Chowdhury, S. P. Chowdhury, and P. A. Crossley, “Modeling and performance analysis of a microturbine as a distributed energy resource,” IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 24, no. 2, pp. 529–538, 2009, doi: 10.1109/TEC.2009.2016123.
[6]    C. Rodgers, “‘LOW COST’ MICROTURBINES VIA THE TURBOCHARGER ROUTE,” 2011. [Online]. Available: http://asme.org/terms
[7]    K. Isomura et al., “DEVELOPMENT OF MICRO-TURBO CHARGER AND MICRO-COMBUSTOR AS FEASIBILITY STUDIES OF THREE-DIMENSIONAL GAS TURBINE AT MICRO-SCALE,” 2003. [Online]. Available: http://www.asme.org/about-asme/terms-of-use
[8]    R. E. P. Silva and P. T. Lacava, “Preliminary Design of a Combustion Chamber for Microturbine Based in an Automotive Turbocharger,” in Proceedings of the 20th International Congress of Mechanical Engineering (COBEM 2009), Gramado, Brazil: ABCM, 2009, pp. 1–10. [Online]. Available: https://www.researchgate.net/publication/267334902_Preliminary_Design_of_a_Combustion_Chamber_for_Microturbine_Based_in_an_Automotive_Turbocharger
[9]    ramon eduardo pereira silva, “preliminary design of a combustion chamber for microturbine based in automotive turbocharger,” international congress of mechanical engineering, May 2013.
[10]    C. Rodgers, “‘LOW COST’ MICROTURBINES VIA THE TURBOCHARGER ROUTE,” 2011. [Online]. Available: http://asme.org/terms
[11]    W. Visser, S. Shakariyants, and M. Oostveen Micro Turbine Technology MTT bv, “GT2010-22007 DEVELOPMENT OF A 3KW MICRO TURBINE FOR CHP APPLICATIONS,” Power for Land, 2010. [Online]. Available: http://www.asme.org/abo
[12]    C. Kalathakis, N. Aretakis, and K. Mathioudakis, “Solar hybrid micro gas turbine based on turbocharger,” Applied System Innovation, vol. 1, no. 3, pp. 1–14, Sep. 2018, doi: 10.3390/asi1030027.
[13]    U. Butt and M. Faizan, “Development of an LPG fueled micro gas turbine using automobile turbocharger.”
[14]    K. A. Al-attab and Z. A. Zainal, “Turbine startup methods for externally fired micro gas turbine (EFMGT) system using biomass fuels,” Appl. Energy, vol. 87, no. 4, pp. 1336–1341, 2010, doi: 10.1016/j.apenergy.2009.08.022.
[15]    M. Fikri, M. Ridzuan, and H. Salleh, “Preliminary study of Low-Cost Micro Gas Turbine,” in IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Institute of Physics Publishing, Dec. 2016. doi: 10.1088/1757-899X/160/1/012036.
[16]    D. V. Pinto, C. R. Altafini, D. A. Gonçalves, and G. D. Telli, “Comparative analysis of vehicle turbochargers in energy microgeneration for different compoundings,” Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, vol. 43, no. 1, Jan. 2021, doi: 10.1007/s40430-020-02752-1.
[17]    Saravanamuttoo and cohen, Gas turbine theory. Pearson, 2017.
[18]     inc cummins, “cummin.turbocharger,” 2025. Accessed: Mar. 01, 2025. [Online]. Available: https://www.cummins.com/components/turbochargers
[19]    A. H. Lefebvre and D. R. Ballal, Gas Turbine Combustion: Alternative Fuels and Emissions, 3rd ed. Boca Raton, FL: CRC Press, 2010.
[20]    P. P. Walsh and P. Fletcher, Gas Turbine Performance, 2nd ed. Blackwell Science Ltd., 2004. doi: 10.1002/9780470774533.
[21]    Talita Mitsue Onose Araujo Cunha and Ramon Eduardo Pereira Silva, “DIMENSIONING-OF-A-COMBUSTION-CHAMBER-FO...E-BASED-ON-AUTOMOTIVE-TURBOCHARGER,” 17th Brazilian Congress of Thermal Sciences and Engineering, Sep. 2018.
[22]    A. A. Oliva and A. Jemcov, “Method for Efficient Evaluation of Temperature Using the NASA Polynomials,” AIAA Journal, vol. 62, no. 1, pp. 405–408, 2024.
[23]    Capstone Green Energy, “C65 Microturbine – Digester Gas Data Sheet,” 2021, Van Nuys, California, USA. [Online]. Available: https://www.capstonegreenenergy.com
[24]    Capstone Green Energy, “C65 Microturbine – Digester Gas Data Sheet,” 2021, Van Nuys, California, USA. [Online]. Available: https://www.capstonegreenenergy.com