Hybrid wave engine concept and numerical simulation of engine operation

• Autorzy: Piechna J. , Dyntar D.

Warianty tytułu

PL

Koncepcja hybrydowego silnika falowego i numeryczna symulacja jego pracy

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Recent investigations of micro engines have documented the problem of low efficiency of steady compression devices. As a solution, the application of unsteady processes has been proposed. Closer investigations have shown the applicability of pure unsteady devices for gas compression, but it is also shown that they are practically not applicable for torque generation. A new concept of the wave engine has to be developed. This paper presents such a new concept and numerical investigation of the hybrid wave engine. A hybrid wave engine combines in a single machine components realizing unsteady compression, steady expansion, and mixed unsteady and steady scavenging due to the centrifugal force action. MEMS technology requires or prefers a flat geometry. Therefore, the use of a radial type of wave compression device for air compression is proposed. A numerical, two-dimensional complete model of this device was built, and several numerical simulations of engine operations were performed. The numerical model includes the simplified model of the combustion chamber closing the flow loop between the high-pressure compressed air port and the high-pressure hot exhaust gas port. The model represents the complete flow scheme of the hybrid wave engine. A special type of turbine in radial configuration with serial flow layout is used for torque generation.

PL

Badania prowadzone nad mikrosilnikami przepływowymi ukazały ich główną wadę jaką jest niska sprawność stacjonarnego procesu sprężania wynikająca z ich małych wymiarów. Jako rozwiązanie tego problemu proponuje się zastosowanie nieustalonych procesów sprężania. Dalsze badania wykazały ich przydatność w procesie sprężania lecz nieprzydatność do wytwarzania momentu napędowego. Dlatego też opracowano nową koncepcję falowego mikro silnika łączącego korzystne cechy stacjonarnych i niestacjonarnych procesów przepływu. W niniejszej pracy przedstawiono nową ideę hybrydowego silnika falowego i numeryczne symulacje jego działania. W proponowanym hybrydowym silniku falowym zastosowano elementy konstrukcyjne wywołujące nieustalone sprężanie a stacjonarne rozprężanie, mieszanego typu (nieustalone i ustalone) opróżnianie komór sprężająco-rozprężających wspomagane działaniem sił odśrodkowych. Ponieważ technologia stosowana w przypadku urządzeń typu MEMS preferuje a czasem wręcz wymaga płaskiej geometrii, zastosowano układ sprężający typu promieniowego. Zbudowany został numeryczny, dwu-wymiarowy model silnika zawierający wszystkie typowo modelowane jego elementy oraz uproszczony model komory spalania zamykający obieg sprężonego powietrza pomiędzy wylotem z układu sprężającego a wlotem do układu rozprężającego. Do wytwarzania momentu obrotowego wykorzystano promieniową turbinę specjalnego typu z szeregowym układem stopni rozprężania.

Słowa kluczowe

EN

unsteady compression; serial flow radial turbine

PL

sprężanie nieustalone; turbina promieniowa z szeregowym układem stopni rozprężania

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN
• Czasopismo: Archive of Mechanical Engineering
• Rocznik: 2010
• Tom: Vol. LVII, nr 1
• Strony: 69--95
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., rys.

Twórcy

autor

Piechna J.

autor

Dyntar D.

• Warsaw University of Technology, Institute of Aeronautics and Applied Mechanics ul. Nowowiejska 24, 00-665 Warsaw, Poland,

Bibliografia

• [1] Akbari, P.: "Performance Prediction and Preliminary Design of Wave Rotors Enhancing Gas Turbine Cycles", Ph.D. Dissertation. Mechanical Engineering, Michigan State University, East Lansing. MI, 2004.
• [2] Epstein A.H.: "Millimeter-scale, MEMS gas turbine engines," GT-2003-38866,Proc of ASME Turbo Expo 2003, June 16-19, 2003, Atlanta. GA, 2003.
• [3] Frąckowiak M., Iancu F., Potrzebowski A., Akbari P., Müller N., Piechna J.: "Numerical simulation of unsteady flow processes in wave rotors, "IMECE2004-60973, 2004.
• [4] Frechette L.G.: "Development of a Microfabricated Silicon Motor-Driven Compression System", Ph.D. Dissertation, Mass. Inst. of Technol., Cambridge, MA, 2000.
• [5] Hoerler H.U.: "Abschätzung der Verluste in Instationär-Gasdynamischen Kanal-Trommel- Druckauschern." Ph.D. thesis, No 4402, ETH Zurich, Switzerland, 1969.
• [6] Iancu, F.: "Integration of a Wave Rotor to an Ultra-Micro Gas Turbine (UmGT)," Ph.D. Diss., Mechanical Engineering, Michigan State University, East Lansing, MI, 2005.
• [7] Iancu F., Piechna J., Dempsey E., Müller N.: "Ultra-Micro Wave Rotor Investigations", Technical Digest PowerMEMS 2005, The Fifth International Workshop on Micro and Nanotechnology for Power Generation and Energy Conversion Applications, Nov. 28-30, 2005 Tokyo, Japan, pp. 93-96.
• [8] Iancu F., Piechna J., Dempsey E., Müller N.: "The Ultra-micro Wave Rotor Research at Michigan State University", The 2nd International Symposium on Innovative Aerial/Space Flyer Systems (Dec. 2-3, 2005 The University of Tokio) PL-12, pp. 65-70.
• [9] Iwase S., Saito Y., Matsuda Y.: "Cluster Fan VTOL", International Symposium on Innovative Aerial/Space Flyer Systems (Dec. 10-11, 2004, The University of Tokyo) G-6, pp. 73-80.
• [10] Kentfield J.A.C.: " Nonsteady, One-Dimensional, Internal, Compressible Flows - Theory and Applications", Oxford University Press, New York, 1993.
• [11] Lee C., Frechette L.G.: 2005, "Experimental Development of the Rotating Subsystem for a Micro Rankine Power System", Technical Digest Power MEMS 2005, The Fifth International Workshop on Micro and Nanotechnology for Power Generation and Energy Conversion Applications", Nov. 28-30, Takeda Hall, The University of Tokyo, Tokyo, pp. 37-40.
• [12] Mayer A.: "The Free Running Comprex - A New Concept for Pressure Wave Supercharger," SAE Document PC 55, 1988.
• [13] Nagashima T., Okamoto K.: "Experimental investigation of the wave discs." Personal communication, 2005.
• [14] Pearson R. D.: "A Gas Wave-Turbine Engine Which Developed 35 HP and Performed Over a 6:1 Speed Range", Proc. ONR/NAVAIR Wave Rotor Research and Technology Workshop, Report NPS-67-85-008, pp. 403-49, Naval Postgraduate School, Monterey, CA., 1985.
• [15] Piechna J., Akbari P., Iancu F., and Müller N.: "Radial-flow wave rotor concepts, unconventional designs and applications", IMECE2004-59022, 2004.
• [16] Piechna J.: "Wave Machines, Models and Numerical Simulation", Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2005.
• [17] Piechna J.: "Feasibility Study of the Wave Disk Micro-Engine Operation, "Technical Digest PowerMEMS 2005, The Fifth International Workshop on Micro and Nanotechnology for Power Generation and Energy Conversion Application, Nov. 28-30, 2005, The University of Tokyo, Tokyo, Japan pp. 69-72.
• [18] Piechna J.: "The micro jet wave engine idea, "The 2nd International Symposium on Innovative Aerial/Space Flyer Systems (Dec. 2-3, 2005 The University of Tokio) PL-12, pp. 71-78.
• [19] Piechna J.: "Numerical Study of the Wave Disc Micro-Engine Operation", The Archive of Mechanical Engineering, vol. XLV, Nr 4 pp. 305-323, 2006.
• [20] Piechna J.: "Feasibility study of the wave disk micro-engine operation", Journal of Micromechanics and Microengineering, 16 (2006), 270-281.
• [21 ] Piechna J., Dyntar D.: "Two-Dimensional Numerical Analysis of the Wave Jet Micro-engine Operation", Power MEMS 2007, 28-29 November 2007. Freiburg, Germany.
• [22] Piechna J., and Dyntar D.: "Numerical investigation of the Wave Disk Micro-Engine features" (to be published).
• [23] Ribaud Y., Dessornes O., Guidez J., Courvoisier T., Dumand C., Kozanecki Z., Helin P., Le Moal P., Minotti P.: "The experience gained on the ultra microturbine: from energetics to component bricks studies, "Technical Digest PowerMEMS 2005, The Filth International Workshop on Micro and Nanotechnology for Power Generation and Energy Conversion Application, Nov. 28-30, 2005, The University of Tokyo, Tokyo, Japan pp. 21-24.
• [24] Shapiro A.H.: "The Dynamics and Thermodynamics of Compressible Fluid Flow", John Wiley and Sons, 1958.
• [25] Schneider B., Bruderer M., Dyntar D., Zwyssig C., Diener M., Boulouchos K., Abhari R.S., Guzzella L., Kolar J.W.: "Ultra-High-Energy-Density Converter for Portable Power," Technical Digest PowerMEMS 2005, The Fifth International Workshop on Micro and Nanotechnology for Power Generation and Energy Conversion Application. Nov. 28-30, 2005. The University of Tokyo, Tokyo, Japan pp. 81- 4.
• [26] Weber H. E.: "Shock Wave Engine Design", John Wiley & Sons, New York, 1995.