-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
1/264
1
T.C.
NAMIK KEMAL NVERSTES
FEN BLMLER ENSTTS
YKSEK LSANS TEZ
GAZ TRBN ALIMA DONANIMLARININ NCELENMES, AxSTREAMPROGRAMI LE EKSENEL AKILI KOMPRESR VE TRBN DZAYNI -
ANALZ
DouZKAN
MAKNE MHENDSL ANABLM DALI
DANIMAN: PROF. DR. AYEN HAKSEVER
TEKRDA-2009
Her hakk sakldr
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
2/264
i
ZET
Yksek Lisans Tezi
Gaz Trbini almaDonanmlarnn ncelenmesi, AxStream Yazlm ile Eksenel AklKompresr ve Trbin Dizayn - Analizi
Dou ZKAN
Namk Kemal niversitesiFen Bilimleri Enstits
Makine MhendisliiAnabilim Dal
Danman : Prof. Dr. Ayen HAKSEVER
Bu tezde gaz trbinleri donanmlar (kompresr, yanma odas ve trbin) hakkndaokuyucular bilgilendirmek, gaz trbinlerinin alma prensiplerini teorik ve ekillerdesteinde anlatarak zihinlerde, gaz trbinlerinin alma sisteminin canlanmasamalanmtr. Bu amaca ynelik olarak verilen teorik bilgiler bir gaz trbini firmastarafndan retimi yaplm ve halihazrda endstride kullanlmakta olan rnek bir gaztrbininden faydanlarak, gaz trbininin ana blmlerini(hava giri ksm, kompresr, yanmaodas, gaz retici trbin, g retici trbin)inceleyerek, gaz trbininin uygulamadaki alma
prensipleri anlatlmtr. Ayrca ikinci blmde, AxStream adl gaz trbini kompresr vetrbin tasarm program ile eksenel akl kompresr ve trbin tasarm yaplarak, yaplan butasarmn analizi ile ilk blmn drdnc ksmnda verilen teorik bilgilerin pekitirilmesi
salanmaya allmtr.
Anahtar kelimeler: Brayton, kompresr, kademe, difizr, yanma odas, gaz reticitrbin, gtrbini, stator, rotor, kanatk, AxStream, ak paterni, Buri, Euler.
2009, 246 sayfa
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
3/264
ii
ABSTRACT
MSc. Thesis
STUDIENG MAIN WORKING COMPONENTS OF THE GAS TURBINES AND AXIAL
FLOW COMPRESSOR AND TURBINE DESIGNING-ANALYZING WITH THE
AxSTREAM SOFTWARE
Dou ZKAN
Namk Kemal UniversityGraduate School of Natural and Applied Sciences
Main Science Division of Mechanical Engineering
Supervisor : Prof. Dr. Ayen HAKSEVER
In this thesis, it is aimed to inform readers about gas turbine equipments (compressor,
combustor and turbine), and to provide understanding of working principles of gas turbines by
means of theories and diagrams. In doing so, in the process of application, the working
principles of gas turbines are explained through examining the main parts of gas turbines (air
inlet region, compressor, combustor, gas producer turbine, power turbine) by making use of a
currently used gas turbine in industry which is produced by a gas turbine firm. In addition,
with the analysis of the design, in the second part, it is intended to validate the theoretical
information given in fourth chapter of the first part of the thesis through designing an axial
flow compressor and turbine by using AxStream, gas turbine compressor and turbine design
program.
Keywords: Brayton, compressor, stage, diffuzer, combuster, gas producer turbine,
power turbine, stator-rotor, blades, AxStream, flow pattern, Buri, Euler.
2009, 246 pages
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
4/264
iii
NSZ
Gaz trbinlerinin M.. 130lu yllarda skenderiyeli filozof Hero ile balayan icat
yolculuu 1941 ylnda Frank Whittle n patentli ilk Whittle jeti ile tamamlanm, bu
noktadan sonra srekli olarak gelimeler kat ederek gnmze gelmitir.Havaclk alanndakat edilen hzl gelimelerdier uygulama alanlarna ynelik olan gaz trbinlerinde de hzl
gelimelerin salanmasnn yolunu amtr. Gaz trbinleri dier iten yanmal makinelere
gre hafiflik, az yer igal etme, yksek tam yk verimi, ksa srede devreye alnabilme,
gvenilirlik, sessizlik ve modler yap gibi faktrlerden dolay avantajl olurken, dk sl
verim ve yksek yakt tketimi gibi nemli dezavantajlarla da karmza kmaktadr.
Gnmzde gaz trbinlerinin gelitirilmesi zerine yaplan almalar bu dezavantajlar
ortadan kaldrma ve performans arttrma odakldr. Gaz trbininin performansna etki edenalma deikenlerini basn oran, kompresr ve trbin verimleri, trbin vekompresr giri
scaklklar olarak sralamak mmkndr.Gaz trbinleri teknolojisindeki aratrma gelitirme
faaliyetleri performansa etki eden kompresr basn orann arttrma, trbin giri scakln
arttrma ve donanmlarn verimlerini arttrmak konularnda younlamtr.
Gaz trbinleri ile ilgili bu tez iki blmden olumaktadr. Birinci blm ksmdan
olumaktadr ve arlkl olarak yabanc kaynaklardan elde edilen bilgilerin derlenmesi
eklinde hazrlanmtr.Birinci blmn ilk ksmnda, gaz trbinlerinin tanm-tantm, ikinci
ksmda termodinamiksel incelemesi, nc ksmnda gaz trbinleri donanmlarnn
incelenmesi yaplmtr. Donanmlar ksmnda teorik bilgilerin uygulamaya ynelik bir rnei
olan endstriyel tip bir gaz trbininin donanmlar da ilaveten tantlarak anlatmlar
kuvvetlendirilmek istenmitir. kinci blmdezgn bir alma eklindeAxStream yazlm
ile eksenel akl kompresr ve trbin tasarlanp analizi yaplarak teorik bilgilerin
pekitirilmesi ve incelenmesi hedeflenmitir. Hazrlanan bu tezin aratrmac ve okuyuculara
faydal bir kaynak olmas dileklerimle
Tezde her trl almamda yardm ve ynlendirmelerinden tr danman hocam Prof.
Dr. Ayen Haksever e, yabanc kaynak evirilerinde yardmlarndan tr Burcu-eref stn
iftine vedesteklerinden dolay eim Glaya ok teekkr ederim.
Dou zkan
Haziran-2009
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
5/264
iv
BYKLKLER, BRMLER, SMGELER
1. SI Birim Sisteminin Temel BirimleriBoyut Birim Simge
Uzunluk milimetre mm
Zaman saniye s
Termodinamik scaklk kelvin KKtle kilogram kg
2. Tretilmi SI BirimleriFiziksel byklk Byklk SI Birim Birim Sembol
Sembol
G P Watt WKuvvet F Newton N
Basn p Pascal kPaHz V metre/saniye m/sEnerji E,U,W Joule J
Entalpi H joule/kilogram J/kg
Gerilme p Watt W
Celsius scaklk t degree Celsius CDzlemsel a derece Molar ktle M kilogram/mol kg/molKtlesel younluk kilogram/metrekpViskozite kilogram/metre saniye kg/(m.s)
Entropi s joule/kilogram.kelvin J/(kg.K)
Devir hz U rotation per minute rpmKtle debisi kilogram/saniye kg/sHacimsel debi metrekp/saniyeGaz sabiti R joule/kilogram.kelvin J/(kg.K)Elektrik potansiyel fark E, , , , volt V
3. SI Birimleri ile kullanlabilen SI olmayan BirimlerBirim Sembol
Dakika min
Gal galon
FeetkpFahrenayt F
http://www.gordonengland.co.uk/conversion/siderived1.htm#celsius#celsiushttp://www.gordonengland.co.uk/conversion/siderived1.htm#celsius#celsius -
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
6/264
v
NDEKLER
ZET ................................................................................................................................. i
ABSTRACT........................................................................................................................ ii
NSZ. iiiSMGELER ve KISALTMALAR DZN. iv
NDEKLER.... v
EKLLERDZN..... x
ZELGELER DZN... xvii
1. GR 1
2. GAZ TRBNNN TANIMI VE TANITIMI......... 4
2.1 Gaz trbini tanm ve dizayn.. 42.2 Gaz trbinlerinin snflandrlmas.. 7
2.3 rnek bir gaz trbininin tantm 8
2.3.1 alma prensibi. 9
3. GAZ TRBNLERNN TERMODNAMKSEL NCELEMES........ . 11
3.1 Teorik ve ideal evrimlerin incelenmesi.... 11
3.1.1 Brayton evrimi......... 11
3.1.1.1 evrimin sl verimi....... 15
3.1.1.2 Gaz trbinini oluturan elemanlarn evrimdeki verimleri 16
3.1.1.2.1 Kompresr verimi ve gerekli beygir gc.... 16
3.1.1.2.2 Trbin verimi ve retilen trbin beygir gc....... 17
3.1.1.2.3 G trbini verimi ve g retimi. 18
3.1.2 deal rejeneratrl Brayton evrimi.. 203.1.3 deal ara soutmal, stmal, rejeneratrl Brayton evrimi.... 223.2 Gerek gaz trbini evriminin ideal evrimden farkll 243.3 Gerek gaz trbini evrimlerinin incelenmesi. 26
3.3.1 Basit tek aftl gerek evrim... 26
3.3.2 ift aftl basit gerek evrimli gaz trbinleri... 27
3.3.3 Rejeneratrl gerek evrim...... 29
3.3.4 Ara soutmal basit gerek evrim 30
3.3.5 Ara stmal gerek evrim... 31
3.3.6 Ara stmal soutmal rejeneratl gerek evrim.. 32
3.3.7 Buhar enjekteli gerek evrim....................................................... 33
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
7/264
vi
4. GAZ TRBNLER TEMEL DONANIMLARI ve
DONANIMLARIN NCELENMES 36
4.1 Kompresrler... 36
4.1.1 Eksenel akl kompresrler. 37
4.1.1.1 alma prensibi... 38
4.1.1.2 Eksenel akl kompresr aerodinamii ve aerotermodinamii...... 40
4.1.1.2.1 Eksenel akl kompresr kademe hz incelemesi ve vektrel
hz diyagramlar.............................................. 42
4.1.1.2.2 Eksenel akl kompresrlerde reaksiyon oran.......... 44
4.1.1.2.3 Radyal denge....... 47
4.1.1.3 Eksenel akl kompresr kanatklarnn incelenmesi........... 48
4.1.1.3.1 Yayma faktr..... 50
4.1.1.3.2 Giri as..... 50
4.1.1.3.3 Sapma... 52
4.1.1.3.4 Kanatk profilleri... 53
4.1.1.3.5 Kompresr ve kanatk imalat materyalleri 55
4.1.1.4 Eksenel akl kompresrn performans........ 56
4.1.1.4.1 Eksenel akl kompresr performansna etki eden kayplar... 58
4.1.1.4.2 Boulma (Choke)............. 60
4.1.1.4.3 Stall (Duraanlk) durumu.......... 60
4.1.1.4.4 Ak dalgalanmas (Surge).. 61
4.1.2 Radyal Akl Kompresrler........... 63
4.1.2.1 alma prensibi.............. 63
4.1.2.2 Radyal aklkompresr kademesi ve kademe elamanlarnn incelenmesi.... 65
4.1.2.3 Kademe aerodinamii ve hz profillerinin incelenmesi... 73
4.1.2.3.1 mpeller zerindeki akn incelenmesi.. 77
4.1.2.3.1.1 Meridyenel dzlemdeak... 79
4.1.2.3.1.2 ki kanat aras dzlemdeki ak 80
4.1.2.3.1.3 Kayma faktr (Slip)................... 81
4.1.2.3.2 Kademedeki akn termodinamiksel incelenmesi. 85
4.1.2.4 Radyal aklkompresrn performans..... 91
4.1.2.4.1 Gerek ak kayplar............... 92
4.1.2.4.1.1 mpellerde meydana gelen kayplar............................................................. 924.1.2.4.1.2 Difizr ve voltte (stator) meydana gelen kayplar................ 94
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
8/264
vii
4.1.4.2 Ak dalgalanmas (Surge)................ 94
4.1.4.3 Boulma................ 96
4.1.3 Eksenel-radyal akl kompresrler......... 96
4.1.4 Eksenelakl ve radyal akl kompresrlerin karlatrlmas.. 97
4.1.5 rnek gaz trbininin kompresrnn tantm... 99
4.1.5.1 Hava giri manifoldu............ 100
4.1.5.2 Kompresr muhafazas ve stator...... 100
4.1.5.3 Kompresr rotoru. 102
4.1.5.4 Difizr ksm 103
4.2 Yanma Odalar.. 105
4.2.1 Yanma odasnn zellikleri... 105
4.2.2 Yanma odasnn gereksinimleri.... 106
4.2.3 Yanma odasnn blmleri... 106
4.2.3.1 Birinci blge..... 107
4.2.3.2 kinci blge... 108
4.2.3.3 Dilisyon (nc blge) blgesi. 108
4.2.4 Yanma odastipleri... 109
4.2.4.1 Boru eklindeki yanma odalar. 109
4.2.4.2 Halka eklindeki yanma odalar... 110
4.2.4.3 Boru-halka eklindeki yanma odalar... 111
4.2.5 Yanma odasndaki yanmann kimyas.. 112
4.2.6 Gaz trbini yanma odalarnda kullanlan yaktlar 113
4.2.7 Yakt atomizasyonu ve yaktn pskrtlmesi..... 114
4.2.8 Yanma odas performans 115
4.2.8.1 Basn dmesi.... 115
4.2.8.2 Yanma verimi.. 116
4.2.8.3 k scaklk dalm. 116
4.2.8.4 Kararl alma aral...... 116
4.2.9 Yanma odas imalat ve imal materyalleri 117
4.2.10 rnek gaz trbini yanma odasnn tantm.. 117
4.3 Trbinler... 119
4.3.1 Eksenel akl trbinler. 120
4.3.1.2 alma prensibi... 1214.3.1.3 Eksenel akl trbin eitleri 121
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
9/264
viii
4.3.1.4 Eksenel akl trbin aerodinamii ve aerotermodinamii.. 125
4.3.1.4.1 Kademe hz incelemesi ve vektrel hz diyagramlar.. 125
4.3.1.4.2 Kademe reaksiyon oran.. 126
4.3.1.4.3 Eksenel akl trbin kanatlarnn incelenmesi. 128
4.3.1.4.3.1 Kanatk profilleri 128
4.3.1.4.3.2 Kompresr kanatklar ile trbin kanatklar arasndaki farkllklar 131
4.3.1.4.3.3 Kanatk scaklklar ve kanatklarn soutulmas.... 132
4.3.1.4.3.4 Kanatk imalat.. 134
4.3.1.4.4 Eksenel akl trbin performans 136
4.3.1.4.4.1 Performans etkileyen kayplar 138
4.3.1.5 Eksenel akl trbin imalat............................................................................ 139
4.3.2 Radyal akl trbinler. 140
4.3.2.1 alma prensibi.. 141
4.3.2.2 Kademe aerodinamii, aerotermodinamii ve hz profilleri... 141
4.3.2.3 Radyal akl trbin imalat. 144
4.3.3 Eksenel akl trbin ile radyal akl trbinin karlatrlmas... 144
4.3.4 rnek gaz trbini trbininin tantm...... 145
5. AXSTREAM YAZILIMI LE EKSENEL AKILI KOMPRESR
ve TRBN TASARIMI-ANALZ.............................................................. 148
5.1 Tasarm ve Analize Giri. 148
5.2 Eksenel Akl Kompresr Tasarm.... 149
5.2.1 Kompresr termodinamii... 152
5.2.2 Kompresr aerodinamii. 159
5.2.2.1 1. Kademe vektrel hz diyagramlar ve deerleri... 159
5.2.2.2 2. Kademe vektrel hz diyagramlar ve deerleri... 160
5.2.2.3 3. Kademe vektrel hz diyagramlar ve deerleri... 161
5.2.2.4 4. Kademe vektrel hz diyagramlar ve deerleri... 162
5.2.2.5 5. Kademe vektrel hz diyagramlar ve deerleri... 163
5.2.3 Kanatk aerodinamii ve geometrisi.. 167
5.2.4 Eksenel akl kompresrn analizi. 178
5.3 Eksenel Akl Trbin Dizayn ve Analizi 190
5.3.1 Eksenel akl trbin dizayn 191
5.3.1.1 Trbin termodinamii.. 1945.3.1.2 Trbin aerodinamii.... 197
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
10/264
ix
5.3.1.2.1 1. Kademe vektrel hz diyagramlar ve deerleri.. 197
5.3.1.2.2 2. Kademe vektrel hz diyagramlar ve deerleri.. 1985.3.1.3 Kanatk aerodinamii ve geometrisi... 2025.3.2 Eksenel akl trbinin analizi... 210
6. ARATIRMA BULGULARI ve TARTIMA... ........ 234
6.1 Eksenel Akl Kompresr le lgili Aratrma Bulgular 234
6.2 Eksenel Akl Trbin le lgili Aratrma Bulgular... 238
7. SONU... 2448. KAYNAKLAR.. 245
ZGEM. 247
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
11/264
x
EKLLER DZN
Sayfa No
ekil 2.1 Gaz trbinleri prensipte dier iten yanmal makineler gibidir.................. 4ekil 2.2 Gaz trbini tanm.. 5
ekil 2.3 Solar T-1000 S modeli gaz trbini ... 9ekil 2.4 Gaz trbini alma prensibi ve trbindeki hava ak ..... 10ekil 3.1 Ak evrim... 11ekil 3.2 Ak evrim gaz trbini uygulamas..... 12ekil 3.3 Kapal evrim 12ekil 3.4 Kapal evrim gaz trbini uygulamas . 13ekil 3.5 evrim basn-scaklk ilikisi ......... 13ekil 3.6 evrim basn hacim ilikisi 14ekil 3.7 evrim scaklk-entropi ilikisi. 14ekil 3.8 Brayton evrimi ... 16ekil 3.9 evrim basn oran-yanma scakl ilikisi ...... 19ekil 3.10 Rejeneratrl ideal evrim .......... 20ekil 3.11 Rejeneratrl evrimin scaklk entropi deiimi ....... 21ekil 3.12 Basn oran ile verime olan rejeneratr etkisi.... 22ekil 3.13 Ara soutma-stmal, rejeneratrl evrim. 23ekil 3.14 Ara soutma-stmal, rejeneratrl evrim scaklk entropi diyagram.. 23ekil 3.15 Gerek ile ideal evrim scaklk-entropi diyagram. 24ekil 3.16 Gerek Basit Brayton evriminin T-s Diyagram .. 26ekil 3.17 Tek aft gerek evrimli gaz trbinin performans . 27ekil 3.18 ift aftl gerek evrimli gaz trbini.. 28ekil 3.19 ift aftl gerek evrimli gaz trbinin T-s diyagram. 28
ekil 3.20 ift kompresrl rejeneratrl gerek bir evrimde basn orannave trbin giri scaklna bal olarak sl verimin deiimi....... 29ekil 3.21 ift aftl gerek evrimli rejeneratrl gaz trbini performans. 30ekil 3.22 Ara soutmal gaz trbinin performans diyagram....... 31ekil 3.23 Ara soutmal ve rejeneratrl gerek evrimin ift aftlgaz trbininde sktrma ve trbin giri scaklna gre performans diyagram. 31ekil 3.24 Ara stmal gaz trbini evriminin performans 32ekil 3.25 Rejeneratrl ara stmal soutmal ift aftl gerek evrimli
gaz trbini evriminin T-s diyagram. 32ekil 3.26 Ara stmal-soutmal rejeneratrl evrimin performans diyagram... 33ekil 3.27 Buhar enjekteli gerek evrim 33
ekil 3.28 % 5 Buhar enjekteli ve basit gerek evrimin karlatrmas 35ekil 3.29 Buhar enjekteli evrimin trbin giri scaklna ve sktrmaoranna gre performans.... 35
ekil 4.1.1 Endstride ve gemi uygulamalarnda kullanlan tipik bir gaz trbinindehavann ana elamanlar arasndaki scaklk, basn, hz erileri ve deerleri. 36ekil 4.1.2 Yllara gre havaclk ve endstriyel gaz trbinlerinde kompresr sktrmaoranlarndaki gelime diyagram... 37ekil 4.1.3 Eksenel akl kompresr rotor ve statoru.. 38ekil 4.1.4 Eksenel akl kompresr kademesi 39ekil 4.1.5 Eksenel akl bir kompresrde hz, scaklk ve basn deiim
diyagram... 39
ekil 4.1.6 Eksenel akl kompresr kanatklarna etki eden kuvvetler. 40
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
12/264
xi
ekil 4.1.7 Kompresr kanatlarna havann geli asna gre kanat yzeyindekihavann davranlar 41
ekil 4.1.8 Srtnme ve kaldrma katsaylar erileri 42ekil 4.1.9 Eksenel akl kompresr kademesi hz diyagram. 43ekil 4.1.10 Vektrel hz genleri. 44
ekil 4.1.11 % 50 Reaksiyon kademesi iin simetrik vektrel hz genleri. 45ekil 4.1.12 Eksenel akl i ak kademesi (asimetrik) hz diyagram. 46ekil 4.1.13 Eksenel akl d akl kademe hz diyagram... 47ekil 4.1.14 Eksenel akl akl kompresr kanatk profili. 49ekil 4.1.15 Eksenel akl kompresr kanat profili parametreleri. 50ekil 4.1.16 Sfr kavis as diyagram.. 51ekil 4.1.17 m sabiti 51ekil 4.1.18 Dzeltme sabiti K, maksimum kanat kalnn % 10 nundan
farkl deerler iin... 51ekil 4.1.19 Giri as iin Mach says dzeltme katsays... 52ekil 4.1.20 Sapma kontrol deeri.. 53
ekil 4.1.21 NACA 65A010 Serisi kanatk ekli.. 54ekil 4.1.22 NACA 65 serisi kanatk profilleri 54ekil 4.1.23 NACA 65 serisi kanatk profillerine ait kavis as-kaldrma
kuvveti katsays.... 55ekil 4.1.24 Kanat profillerinin rzgar tnellerinde test edilmesi 55ekil 4.1.25 Eksenel akl kompresrn performans enerji ak diyagram. 60ekil 4.1.26 Eksenel akl kompresr performans diyagram... 62ekil 4.1.27 Radyal akl kompresrn alma ekli... 64ekil 4.1.28 Radyal aklkompresr ve kompresrdeki basn hz art 65ekil 4.1.29 Radyal akl kompresrn grn 65ekil 4.1.30 Radyal aklkompresr kademesi 66ekil 4.1.31 Radyal aklkompresr konfgirasyonu.. 66ekil 4.1.32 ift ve tek girili indser 67ekil 4.1.33 Tipik ift ve tek tarafl impellerler.. 68ekil 4.1.34 Kanat eitlerine gre impeller... 68ekil 4.1.35 Geometrilerine gre difizrler. 70ekil 4.1.36 Boru ve kanal tipi difizrler 71ekil 4.1.37 Kanatl difizr ve difizr ak blgeleri.. 72ekil 4.1.38 Volt n grnm 72ekil 4.1.39 Klavuz kanatksz indserdeki hz diyagram.. 73ekil 4.1.40 Klavuz kanatkl indser hz diyagram 74
ekil 4.1.41 Arkaya kavisli kanatl impeller hz diyagram. 75ekil 4.1.42 Radyal kanatkl impeller hz diyagram 76ekil 4.1.43 ne kavisli kanatl impeller ) hz diyagram.. 77ekil 4.1.44 mpeller zerindeki akn paterni... 78ekil 4.1.45 mpellerdeki ak paterninin boyutlu gsterimi. 78ekil 4.1.46 mpeller zerindeki ak alanlar. 79ekil 4.1.47 Kanat meridyenel dzlemindeki ak.. 79ekil 4.1.48 ki kanat aras dzlemdeki ak.. 81ekil 4.1.49 mpeller k asndaki kayma faktr 82ekil 4.1.50 mpeller kanatklarndaki ak.. 83ekil 4.1.51 Arkaya kavisli impeller iin kanatk k hz diyagram 84
ekil 4.1.52 Stadolo nn kayma faktrteoremi ak modeli 84
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
13/264
xii
ekil 4.1.53 mpeller geometrisine gre radyal aklkompresr basn ve akkatsaylar... 86
ekil 4.1.54 mpeller dn hzna karlk sktrma oranlar.. 87ekil 4.1.55 Radyal aklkompresr kademesindeki entalpi-entropi deiimi. 88ekil 4.1.56 Ak katsays-reaksiyon derecesi... 90
ekil 4.1.57 Reaksiyon derecesi-basn katsays... 91ekil 4.1.58 Pozitif ve negatif indser giri alar. 92ekil 4.1.59 mpellerdeki srtnme kayplar. 93ekil 4.1.60 mpellerde meydana gelen sznt kayplar 93ekil 4.1.61 Radyal aklkompresrdeki kayplar diyagram.. 94ekil 4.1 62 Radyal aklkompresr performans diyagram.... 95ekil 4.1.63 Eksenel-radyal akl kompresrler... 97ekil 4.1.64 Eksenel ile radyal akl kompresrlerin basn oran-verim
karlatrmas. 98ekil 4.1.65 Eksenel ile radyal akl kompresrlerin hz verim karlatrmas. 99ekil 4.1.66 Eksenel ile radyal akl kompresrlerin ak ile basnca karlk
gelen verim erileri diyagramlarnn karlatrlmas... 99ekil 4.1.67 Kompresr muhafazas ve stator... 101ekil 4.1.68 Kompresr rotoru.. 102ekil 4.1.69 Difizr keysi.. 104ekil 4.2.1 Gaz trbini yanma odas... 107ekil 4.2.2 Lucas yanma odalarndaki ak paterni.... 108ekil 4.2.3 Yanma odas biimleri.. 109ekil 4.2.4 Tekli boru tipi yanma odas.. 110ekil 4.2.5 oklu boru tipi yanma odas 110ekil 4.2.6 Halka tipi yanma odas. 111ekil 4.2.7 Boru-halka tipti yanma odalar. 112ekil 4.2.8 rnek gaz trbinimizin yanma odasnn grn... 118ekil 4.2.9 rnek gaz trbinin yanma odas.. 119ekil 4.3 1 Eksenel akl trbin nozulu ve rotoru. 120ekil 4.3.2 Eksenel akl tbin ak diyagram. 121ekil 4.3.3 Tekli ve multi tip trbin uygulamas 122ekil 4.3.4 mpals trbin kademesi termodinamii 123ekil 4.3.5 Reaksiyon trbini termodinamii. 123ekil 4.3.6 mpals ve reaksiyon kademelerinin grnm. 124ekil 4.3.7 mpals-reaksiyon tipi trbin kanad.. 124ekil 4.3.8 Gaz retici ve g retici trbinler 125
ekil 4.3.9 Trbin kademesi vektrel hz diyagramlar. 126ekil 4.3.10 eitli reaksiyon oranlarna karlk vektrel hz diyagramlarnndeiimi. 128
ekil 4.3.11 C-4 Trbin kanatk profili 129ekil 4.3.12 T-6 Trbin kanatk profili 129ekil 4.3.13 Temel kanatk geometrisi. 130ekil 4.3.14 mpal tipi trbin kanatk profilleri 131ekil 4.3.15 Eksenel akl kompresr ve trbin kanatlarnn geometrik
olarak karlatrlmas 132ekil 4.3.16 Trbin kademesi soutma aranjman. 133ekil 4.3.17 Trbin rotor kanatklarnn soutulmas.. 134
ekil 4.3.18 Kanatklar iin radyalgerilmeler diyagram.... 134ekil 4.3.19 Eksenel akl trbin vektrel hz diyagram. 136
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
14/264
xiii
ekil 4.3.20 Nozul kolonundaki entalpi-entropi deiimi. 137ekil 4.3.21 Rotor kolonundaki entalpi-entropi deiimi. 137ekil 4.3.22 Ak ve muhafazal tip trbin kanatlar 139ekil 4.3.23 Muhafazal tip kanatklara sahip eksenel akl gaz retici trbinden
bamszolan g trbini.. 140
ekil 4.3.24 Radyal akl trbinde ak... 141ekil 4.3.25 Dirsekli ie akl tip radyal trbin... 141ekil 4.3.26 Kark ie akl radyal trbin. 142ekil 4.3.27 Kark ie akl radyal trbin donanmlar ve hz profilleri... 142ekil 4.3.28 Radyal trbin evrimindeki entalpi-entropi deiim diyagram.. 144ekil 4.3.29 rnek gaz trbininin trbin ksm 145ekil 5.2.1 Projenin ayarlanmas 149ekil 5.2.2 Eksenel kompresr hesaplama yntemleri.. 150ekil 5.2.3 Preliminary desing ksmna ana parametrelerin girilmesi 151ekil 5.2.4 Tasarm yaplan klavuz kanatl 5 kademeli kompresr. 152ekil 5.2.5 Eksenel akl kompresrn entalpi-entropi diyagram... 153
ekil 5.2.6 Eksenel akl kompresrn ak paterni. 154ekil 5.2.7 1. Kademe akpaterni 154ekil 5.2.8 2. Kademe akpaterni 155ekil 5.2.9 3. Kademe ak paterni 156ekil 5.2.10 4. Kademe akpaterni 156ekil 5.2.11 5. Kademe akpaterni 157ekil 5.2.12 Kompresr termodinamiksel diyagram.. 158ekil 5.2.13 Kompresr termodinamiksel diyagramlar.. 159ekil 5.2.14 1. Kademe vektrel hzlar ve alar .. 159ekil 5.2.15 2. Kademe vekrel hzdiyagramlar 160ekil 5.2.16 2. Kademe vektrel hz diyagramlar ve alar... 160ekil 5.2.17 3. Kademe vektrel hz diyagramlar... 161ekil 5.2.18 3. Kademe vektrelhz diygaramlar ve alar 161ekil 5.2.19 4. Kademe vektrel hzdiyagramlar 162ekil 5.2.20 4. Kademe vektrel hz diygaramlar ve alar 162ekil 5.2.21 5. Kademe vektrel hzdiyagramlar 163ekil 5.2.22 5. Kademe vektrel hz diyagramlar ve alar 163ekil 5.2.23 Stator alar. 164ekil 5.2.24 Rotor alar. 165ekil 5.2.25 Stator hzlar 165ekil 5.2.26 Rotor hzlar. 165
ekil 5.2.27 Mach saylar 166ekil 5.2.28 Kompresr kayplar 166ekil 5.2.29 Reaksiyon oran... 166ekil 5.2.30 Stator profil diyagram 169ekil 5.2.31 Rotor profil diyagram. 170ekil 5.2.32 1. Kademe stator kanatlar 170ekil 5.2.33 2. Kademe stator kanatlar 170ekil 5.2.34 3.Kademe stator kanatlar. 171ekil 5.2.35 4. Kademe stator kanatlar 171ekil 5.2.36 5. Kademe stator kanatlar 171ekil 5.2.37 2. Kademe rotor kanatlar. 172
ekil 5.2.38 3. Kademe rotor kanatlar. 172ekil 5.2.39 4. Kademe rotor kanatlar. 172
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
15/264
xiv
ekil 5.2.40 5. Kademe rotor kanatlar. 172ekil 5.2.41 1. Kademe stator aerodinamik diyagramlar.. 173ekil 5.2.42 5. Kademe stator aerodinamik diyagramlar. 174ekil 5.2.43 2. Kademe rotor aerodinamik diyagramlar... 175ekil 5.2. 44 5. Kademe rotor aerodinamikdiyagramlar... 176
ekil 5.2.45 1D analiz hesaplamas.. 177ekil 5.2.46 Kompresr performans haritasnn karlmas. 178ekil 5.2.47 1D analiz hesaplamalar sonucunda basn oran-ktle debisi iliki 178ekil 5.2.48 1D analiz hesaplamalar sonucunda basnoran-verim ilikisi... 179ekil 5.2.49 2D analiz hesaplamas... 179ekil 5.2.50 2D analiz sonularnda devir-ktle debisi-basnoran arasndaki iliki... 180ekil 5.2.51 2D analiz sonucu devir-g-ktle debisi arasndaki iliki.. 180ekil 5.2.52 Kompresr kanat imal materyalinin zellikleri.. 181ekil 5.2.53 Stator statik durum iin gerilme simlasyonu 181ekil 5.2.54 Stator 246.4 Hz frekans iin gerilme simlasyonu 182ekil 5.2.55 Stator 414.8 Hz frekans iin gerilme simlasyonu 182
ekil 5.2.56 Stator 2287.5 Hz frekans iin gerilme simlasyonu.. 183ekil 5.2.57 Stator 5504.1 Hz frekans iin gerilme simlasyonu.. 183ekil 5.2.58 Rotor statik durum iin gerilme simlasyonu. 184ekil 5.2.59 Rotor 694.4 Hz frekans iin gerilme simlasyonu 184ekil 5.2.60 Rotor 1117.7 Hz frekans iin gerilme simlasyonu. 185ekil 5.2.61 Rotor 3193.9 Hz frekans iin gerilme simlasyonu. 185ekil 5.2.62 Rotor 3787.2 Hz frekans iin gerilme simlasyonu. 186ekil 5.2.63 3. Kademe rotor kanatlar potansiyel ak iin statik basn gsterimi. 187ekil 5.2.64 3. Kademe rotor kanatlar potansiyel ak iin statik basn
dalm diyagram. 187ekil 5.2.65 3. Kademe rotor kanatlar potansiyel ak iin toplam entalpi
deerleri... 188ekil 5.2.66 3. Kademe stator kanatlar potansiyel ak iin statik scaklk
deerleri... 188ekil 5.3.1 Dizayn iin Turbine preliminary design sayfasna
parametrelerin girilmesi.... 191ekil 5.3.2 Dizayn edilen trbinin ak paterni ve deerleri.. 192ekil 5.3.3 Optimize edilmitrbin ak paterni .. 192ekil 5.3.4 Optimizasyonu yaplan trbinin yeni ak paterni ve deerleri....... 193ekil 5.3.5 Entropi-entalpi diyagram.... 194ekil 5.3.6 Tasarm yaplan trbinin termodinamiksel diyagram 195
ekil 5.3.7 1. Kademe optimizasyon sonras kademe ak paterni... 196ekil 5.3.8 1.Kademe vektrel hz diyagramlar... 196ekil 5.3.9 1. Kademe ak vektrel hz diyagramlarnn a ve
kanatlara gre gsterimi.. 197ekil 5.3.10 2. Kademe optimizasyon sonraskademe ak paterni 198ekil 5.3.11 2. Kademe vektrel hz diyagramlar.. 198ekil 5.3.12 2. Kademe ak vektrel hz diyagramlarnn a ve
kanatlara gre gsterimi.. 198ekil 5.3.13 Nozul alar.... 199ekil 5.3.14 Rotor alar. 199ekil 5.3.15 Nozullardan sonraki hzlar.. 200
ekil 5.3.16 Rotorlardan sonraki hzlar... 200ekil 5.3.17 Reaksiyon oranlar... 200
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
16/264
xv
ekil 5.3.18 Rotor ve stator kayplar.. 201ekil 5.3.19 Kademe Mach saylar. 201ekil 5.3.20 Kanak profillerine ait diyagram.... 203ekil 5.3.21 1. Kademe stator ve nozulu X-Y-Z dzleminde gsterimi.. 203ekil 5.3.22 1. Kademe nozul ve rotor kanat dizilimleri. 204
ekil 5.3.23 2. Kademe stator ve nozulu X-Y-Z dzleminde gsterimi.. 204ekil 5.3.24 2. Kademe nozul ve rotor kanat dizilimleri.. 205ekil 5.3.25 1. Kademe nozullar aerodinamik diyagramlar 206ekil 5.3.26 1. Kademe rotoru aerodinamikdiyagramlar.... 207ekil 5.3.27 2. Kademe statoru aerodinamik diyagramlar... 208ekil 5.3.28 2. Kademe rotoru aerodinamik diyagramlar 209ekil 5.3.29 1D Trbin analizi...... 210ekil 5.3.30 2D Trbin analizi.. 211ekil 5.3.31 Performans diyagram.. 212ekil 5.3.32 Performans diyagram.. 213ekil 5.3.33 3D Boyutlu performans diyagram... 214
ekil 5.3.34 1. Kademe nozul kanatlar iin Buri diygaram....... 215ekil 5.3.35 1. Kademe rotor kanatklar Buri diyagram.. 216ekil 5.3.36 1. Kademe rotor kanat profilinin eriler araclyla dzeltilmesi.. 217ekil 5.3.37 Eriler araclyla yaplan dzelme sonucunda rotor kanat profili 217ekil 5.3.38 1. Kademe rotor kanatklarnn dzeltme sonras durumu. 218ekil 5.3.39 1. Kademe rotor kanatlarnn optimizasyon sonras durumu 219ekil 5.3.40 Optimize edilen1. kademe trbin kanatklarnn
3 boyutlu tam grnm... 220ekil 5.3.41 1. Kademe nozul kanad iin statik durum maksimum gerilmeler........ 221ekil 5.3.42 1. Kademe nozul kanad iin 457.3 Hzfrekans gerilmeleri. 221ekil 5.3.43 1. Kademe nozul kanad iin 1400.7 Hzfrekans gerilmeleri.. 222ekil 5.3.44 1. Kademe nozul kanad iin 2537 Hzfrekans gerilmeleri. 222ekil 5.3.45 1. Kademe nozul kanad iin 3252.1 Hz frekans gerilmeleri. 223ekil 5.3.46 2. Kademe rotor kanad iin statik durum gerilmeleri. 223ekil 5.3.47 2. Kademe rotor kanad iin 984.4 Hzfrekans gerilmeleri. 224ekil 5.3.48 2. Kademe rotor kanad iin 2714.0 Hz frekans gerilmeleri... 224ekil 5.3.49 1. Kademe toplam basnlar iinEulerak paterni 225ekil 5.3.50 1. Kademe toplam scaklklar iinEulerak paterni.. 225ekil 5.3.51 1.Kademe bal hzlar.. 226ekil 5.3.52 1.Kademe toplam entalpi deiimleri.. 226ekil 5.3.53 1. Kademe Mach saylar. 227
ekil 5.3.54 2. Kademe statik basnlar iinEulerak paterni.. 227ekil 5.3.55 2. Kademe statik scaklklar iinEulerak paterni 228ekil 5.3.56 1. Kademe statik entalpiler iinEulerak paterni.. 228ekil 5.3.57 2. Kademe statik entalpiler iinEulerak paterni.. 229ekil 5.3.58 1. Kademe entropi iinEulerak paterni.... 229ekil 5.3.59 1. Kademe k alar iinEulerak paterni. 230ekil 5.3.60 1. Kademe bal hzlar iinEulerak paterni. 230ekil 5.3.61 2. Kademe toplam basn iinEulerak paterni. 231ekil 5.3.62 2. Kademe toplam scaklk iinEulerak paterni.. 231ekil 5.3.63 2. Kademe toplam entalpiler iinEulerak paterni... 232ekil 5.3.64 2. Kademe bal hzlar iinEulerak paterni 232
ekil 6.1.1 20 C evre scaklnda rotordaki bal Mach saylar.. 236ekil 6.1.2 -20 C evre scaklnda rotordaki bal Mach saylar. 237
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
17/264
xvi
ekil 6.2.1 Rotor ve nozul kolonundaki tanjaltsal hz deiimi.... 239ekil 6.2.2 Trbin kademelerindeki statik basn.. 240ekil 6.2.3 Rotor ve nozul kolonlarndaki bal hz deerleri... 241
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
18/264
xvii
ZELGELER DZN
Sayfa no:
izelge 4.1 Radyal akl kompresr impelleri avantaj ve dezavantajlar. 69
izelge 4.2 Eksenel ve radyal akl kompresrlerin karlatrlmas 98izelge 5.2.1 Temel dizayn parametreleri... 150izelge 5.2.2 1.Kademe termodinamiksel deerleri 155izelge 5.2.3 2. Kademe termodinamiksel deerleri 155izelge 5.2.4 3. Kademe termodinamiksel deerleri 156izelge 5.2.5 4. Kademe termodinamiksel deerleri 157izelge 5.2.6 5. Kademe termodinamiksel deerleri 157izelge 5.2.7 1. Kademe hz ve a deerleri 160izelge 5.2.8 2. Kademe hz ve a deerleri 161izelge 5.2.9 3. Kademe hz ve a deerleri 162izelge 5.2.10 4. Kademe hz ve a deerleri163
izelge 5.2.115. Kademe hz ve a deerleri164izelge 5.2.121. Kademe kanat profil deerleri 167izelge 5.2.13 2. Kademe kanat profil deerleri 167izelge 5.2.14 3. Kademe kanat profil deerleri 168izelge 5.2.15 4. Kademe kanat profil deerleri 168izelge 5.2.165. Kademe kanat profil deerleri 169izelge 5.3.1 Trbin temel dizayn parametreleri...... 190izelge 5.3.2 1. Kademe termodinamiksel deerler 194izelge 5.3.3 2. Kademe termodinamiksel deerler 195izelge 5.3.4 1. Kademe hz ve a deerleri.. 197izelge 5.3.5 2. Kademe hz ve a deerleri...... 199izelge 5.3.6 1. Kademe kanatk profil deerleri.. 202izelge 5.3.7 2. Kademe kanatk profil deerleri...... 202izelge 5.3.8 Trbin 1D ve2D analizleri 211izelge 6.1 Eksenel akl kompresrde termodinamiksel deerlerin deiimi... 233izelge 6.2 Tasarm yaplan kompresrn termodinamiksel deerleri.. 234izelge 6.3 Kademe ak giria deerleri 235izelge 6.4 eitli trbin giri scaklklarnakarlk verim deerleri 237izelge 6.5 Kompresr ile trbin deerlerinin karlatrlmas.. 238izelge 6.6 Trbin toplam basn deerleri 242
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
19/264
1
1. GR elde etmekte kullanlan doal enerji kaynaklar yaktlardr ve yakc olarak da genellikle
atmosferik havann oksijeni kullanlmaktadr. Gnmzde kullanlan motorlar genel olarak
iten yanmal ve dtan yanmal motorlar olmak zere ikiye ayrlmaktadrlar.Dtan yanmal motorda, kimyasal ya da atomik reaksiyonlar sonucunda elde edilen s,
, helyum veya baka bir termodinamik maddeye aktarlr ve bu maddenin hareketli bir
piston veya trbin kanatklarna etki ettirilmesi ile i retilir. rnein, kapal sistem gaz
trbinleri dtan yanmal motorlardr.
ten yanmal motor ileminde ise, reaksiyon rnleri termodinamik maddenin kendisidir.
bu rnler ya bir pistona veya trbin kanatklarna etki ederek yada bir k aznda (nozul)
genilemeleri srasnda kazandklar yksek hzn salad jet itme kuvvetiyle (thrust) iyaparlar. (etinkaya-1999)
Gaz trbinlerialma havas atmosfer havas olan bir trbin motorudurve gnmzde ok
eitli uygulama alanlarna sahiptirler. Havaclkta kullanlan jet motorlar ve helikopter
motorlarnn yan sra gemilerin ana ve yardmc tahrik mekanizmalarn oluturmak zere
deniz (marine) gaz trbinleri, kara aralarnda ise kamyon, hzl tren ve tanklarda, endstride
elektrik retiminde ve pompa evirme gibi alanlardagaz trbinleri kullanlmaktadr.
Gaz trbininin temel tanmn yapacak olursak, gaz trbini dnen kompresrde havay
sktran, yanma odasndayakt-hava karmnyakarak yanm gazlarn elde edilmesini ve
bunlarn trbinde genilemesini salayarak i elde edeniten yanmal bir makinedir.
Gaz trbinleri kompresr, yanma odas ve trbin olmak zere ana donanmdan
olumaktadr. Gaz trbinlerinin g/arlk ve g/hacim oranlarnn yksek olmas ve
modler yaplar ile dier iten yanmal makinelere gre daha fazla g elde etmelerine
ramen sl verimlerinin dk olmas ve yksek zgl yakt tketimlerine sahip olmalar bu
tip makinelerin en byk problemi olmaktadr. Gnmzde mhendisler bu problemin
stesinden gelmek amacyla youn almalar yapmaktadrlar.
Gaz trbinleri donanmlarnn verimleri gaz trbininin alma performansn nemli lde
etkilemektedir. Performansn daha iyi anlalmas iin bu kavram aacak olursak,
performans, gerek retici gerekse operatrlerin persfektifinden bakldnda gaz trbininin
ekonomik ve yaamsal kabiliyetinin odanda olmaktadr. Performans itme veya aft gc,
verilmi yakt ak, arlk, emisyon, makine ap ve nit maliyetlerinden olumaktadr. Bu
temelde reticinin ne sattna ve operatrn en aldna baldr. Eer retici dk
performansl bir gaz trbini tasarlarsa bu tip rn satmak iin mcadele edecek belki de
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
20/264
2
projesinde maddi kayplara urayacaktr. Eer operatr de dk performansl bir gaz trbini
alrsa maddi kayba uramas kanlmaz olacaktr. Mhendisler modern ekonomik artlar
altnda gaz trbinlerine teknik bak alarndan ok fazla odaklanamamaktadrlar. (Walsh ve
Fletcher-2004)
Dier nemli iki performans parametresi ise kompresr basn oran ve trbin giri
scakldr. Her trbin giri scakl iin verim, belirli bir basn orannda en yksek
deerine ulamaktadr. Yksek basn oranlarnda verimin azalmasnn nedeni; yksek
sktrma sonu scakl ve sabit olan trbin giri scakl nedeniyle, fazla yakt
kullanlamay ve buna kar, yksek basn oranl kompresr evirmek iin gerekli iin
fazla olmasdr. Basn oran-verim ile trbin giri scakl-verim ilikileri donanmlar
ksmnda daha detayl olarak incelenecektir.
Gnmzde malzeme bilimindeki gelimelere paralel olarak, scaa dayankl trbin
kanatklarnn yaplabilmesi sonucu trbin giri scakl ve basn oran arttrlabilmekte,
bylelikle verim ve net iin artmas salanmaktadr. (etinkaya-1999)
evre scakl ise gaz trbini performansna etki eden baka bir unsurdur. evre scakl
hem kompresr iini hem de yakt tketimini etkilemektedir. Gaz trbinleri en yksek evre
scaklnda en yksek gc verecek ekilde dizayn edilmekte ancak iyi bir sl verimin souk
ortamlarda alnd da gz ard edilmemesi gereken bir etkendir. Bu nedenle havaclk gaz
trbinlerinde irtifa arttka atmosferin soumasndan dolay uaklarda kullanlan gaz
trbinlerinde verim ve performans art olmaktadr. (Walsh-Fletcher-2004)
Bir gaz trbininin yaam saykln incelediimizde yaam srecinde maliyetlerin % 15-20 lik
bir ksmn bakm tutum, % 70-80nini ise yakt maliyetlerinin oluturduu karmza
kmaktadr. Bu nedenle yakt ekonomikliinin gaz trbinlerinde byk nem arz ettii,
ykselen petrol fiyatlarn da gz nne alacak olursak dikkatlerden kamamaldr. (idem-
1977)
Gaz trbini teknolojisinde gelimeler ise aada belirtilen faktrn paralelindeolmutur. Bu faktraada belirtilmitir:
1-Malzeme biliminde yaanan gelimeler ile trbin donanm materyallerinin yksek slaradayanm artm, kompresrlerinkiler ise d etkilere kar daha dayankl ve direnli hale
gelmitir.
2-Aerodinamik ve termodinamik bilgisinin giderek artmas gaz trbinleri dizaynlarnn dahaiyi yaplmasn ve verimlerinin artmasn salamtr.
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
21/264
3
3-Gaz trbini trbin, kompresr kanat, yanma odalarnn dizayn, simlasyon ve analizlerininbilgisayar yardm ile yaplmas gaz trbinlerinin teknolojik olarak gelimesinde byk katk
salamtr. (Giampaolo-2006)
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
22/264
4
2. GAZ TRBN GENEL TANIMI VE TANITIMI2.1 Gaz Trbini Tanm ve Dizayn
Gaz trbinleri boyut ve arlklarna gre yksek miktarlarda g retimi yapan , yaktn
kontroll bir ekilde yanmas ile g reten dier iten yanmal makineler gibi makinelerdir
ve son krk ylda g endstrisinde nemli bir ticari ara konumuna gelmilerdir. Gnmzde
gaz trbinleri turbo makineler snfna girmektedir. Bir turbo makinenin tanmn yapacak
olursak mekanik enerjinin aft iine, srekli akan bir akkann rotor kolonlarnda oluturduu
dinamik hareketler vastasyla evrildii makinelerdir. Turbo makineler fonksiyonlarna gre
i alan (kompresr veya fan) ve i reten (gaz trbini) turbo makineler olmak zere ikiye
ayrlmaktadr. Kompaktbir makine olmalar, dk arla sahip olmalar ve yakt eitlilii
gibi avantajlara sahip olmalar gaz trbinlerinin kullanm alanlarn eitlendirmektedir.
(Baskharone-2006)
ekil-2.1 Gaz trbinleri prensipte dier iten yanmal makineler gibidir(Subcourse No: AL0993)
Gaz trbininin dnen kompresrde havay sktran, yanma odasnda sktrlm havaya
yakt pskrtlmesi ile yanmann olduu ve yanm gazlarn trbinde genilemesini
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
23/264
5
salayarakg reten bir makine olduu daha nce belirtilmiti. Gaz trbinlerinde trbin k
gc kompresrn ve balanm herhangi bir ykn hareket ettirilmesinde kullanlr. Bu
anlatm aada ekil-2.2 de gsterilmitir.
ekil-2.2 Gaz trbini tanm
Gnmzde gaz trbinlerinin dizaynnda esas olarak alnan baz nemli kriterler
mevcuttur. Bu nemli kriterleri:
1- Yksek verim2- Uzun mr ve dayankllk3- Servis ve bakm yetenei4- Kolay montaj ve iilik5- evresel kabullere uygunluk6- Yardmc sistemlerile kontrol sistemi arasndaki uyumluluk7- Servis iiliindeve yakt kullanmnda kolaylk eklinde sralayabiliriz.
Bu kriterleri biraz irdelemek dizayn kriterlerini daha anlalmas kolay hale getirecek ve
zihinlerde daha kolay yer edinecektir.
1-Yksek verim: Gaz trbinlerinde verimi etkileyen iki nemli faktr vardr. Bunlar
kompresr sktrma (basn) oran ile trbin giri scakldr. Gaz trbinlerinde eksenel
akl kompresr kullanm sktrma orann 7:1 oranndan 40:1 oranna kadar ykseltmekte
bu da trbine yanma sonunda yksek basnl gazlarn girmesine neden olarak sl verimi ve
trbin giri scakln arttrmaktadr. Yanma scakln her 100 F (55.5 C) arttrmak kan
ite %10 luk, sl verimde ise % 1-1,5 lik bir arta neden olmaktadr. Basit evrimli gaz
trbinlerinde kompresr sktrma orann ve trbin giri scakln arttrmak sl verimi
arttrmaktadr. Isl verimi arttrmann baka bir yntemi de gaz trbininde rejeneratr
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
24/264
6
kullanmdr. Gnmz gaz trbinleri alma scaklklarnda rejeneratr kullanm sl verimi
%10-15 civarlarnda arttrmaktadr. Rejeneratrl sistemlerde kompresr optimum sktrma
oran 20:1 iken basit evrimli gaz trbinlerinde ise 40:1 orannda olmaktadr. Gnmzde
trbin giri scakllar 3000 F (1649 C) derecelere kadar ulamaktadr. Kompresrler ile ilgili
detayl bilgiler 4 nc ksmda gaz trbinleri evrimleri ile ilgili bilgiler 3 ncksmda daha
detayl olarak anlatlacaktr.
2-Uzun mr ve dayankllk: Uzun mr, gaz trbini dizayn parametrelerinden nemli bir
tanesidir. Burada uzun mrden kast verilen bir zaman diliminde gaz trbininin g
retimine devam edebilme kabiliyetidir. Dayankllk ise kapsaml bakm (overhol)
periyoduna kadar geen zaman dilimidir. Bir gaz trbininin uzun mr tanmn formlize
etmek istersek;
(1)
Zaman dilimi, saat bazndaki bu saatler bir yl olarak tahmin edilir ve bir ylda 8760 saate
tekabl etmektedir.
Planlanan bakm sresi iin belirlenmi zaman gecikmesiOnarmdan kaynaklanan zorunlu ya da planlanmam gecikmeler
Dayankll tanmlamak istersek: olmaktadr. (2)
Gaz trbinlerinde dayankllk, kullanlan yakt tipine, uygulanan bakm tutum
programlarna, alma modlarna, kontrol sistemi ve yanma scakl gibi parametrelere
bamldr. Gaz trbini dizaynnda uzun mr ve yksek dayankll elde etmede gz nne
alnacak nemli parametreleri; kanat ve aft gerilmeleri, kanat ykleri, materyal uygunluu,
yardmc sistemler ve kontrol sistemleri eklinde sralayabiliriz.
3-Servis ve bakm yetenei: Servis ve bakm kolayl gaz trbini dizaynnn nemli
blmlerinden birini oluturmaktadr. Servis beceri ve yetenei egzozscakln grntleme
ve kontrol etme, aft titreim testlerini icra etme ve surge olaylarn kontrol ve gzlemleme
gibi yaplan genel kontrollerdeki uygunluk becerisi eklinde tanmlanabilmektedir. Bunun
yan sra dizaynda, scak blmlerin gzle kontrolnn yaplmas maksadyla boroskop testi
iin uygun ksmlarn belirlenmesi de nemli faktrlerden biridir.
4-Kolay montaj ve iilik: Kolay montaj ve iilik bir baka dizayn parametresidir. Gaz
trbinleri sat ncesi fabrikada test edilir ve yine burada paketlenerek kuruluma hazrlanr.
5-evresel kabullere uygunluk: Gaz trbini dizaynnda evre dikkat edilmesi gereken kritik
bir husustur. Gaz trbinlerinin evreye olan ektileri yasal snrlar ierisinde olma
zorunluluklar dizaynerleri bu konuda dikkatli olmaya itmektedir. Yanma odalar bu konudaen ok dikkat eken eler olmaktadr ve yanma odasnda duman ve azot oksit retimi
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
25/264
7
dk olmaldr. Yksek scaklk gaz trbinleri azot oksit emisyonunu arttrmaktadr.
Bu emisyona kar, yanma odasnda evrime su veya buhar enjekte edilerek mcadele
edilmeye allmaktadr ve bu konuda kuru dk azot oksit emisyonlu yanma odalar
gelitirilmeye allmaktadr.
6-Yardmc sistemler ile kontrol sistemi arasndaki uyumluluk: Yardmc sistemler ve kontrol
sistemleri dizayn edilirken ok dikkatli olunmaldr. Yalama ya sistemi yardmc
sistemlerin en kritik olanlarndan biridir, sistemin geri beslemesi hata kabul etmeyecek
derecede iyi olmaldr. Gnmzde gelimi gaz trbinleri dijital kontrol ile on-line izleme
sisteminin ok iyi entegre edilmi halidir.
7-Servis iiliinde ve yakt kullanmnda kolaylk: Servis iiliinde ve yakt kullanm esnek
bir kriter olup trbin sistemlerinin gcn arttrmaktadr fakat tm uygulamalarda zorunlu bir
uygulama deildir. (Giampaolo, Meherwan-2006)
2.2Gaz Trbinlerinin SnflandrlmasGaz trbinleri, eit zellikleri bakmndan aada belirtildii ekilde sralanabilir:
(etinkaya-1999)
1. Isnnverilii bakmndan;a. Sabit hacim gaz trbinlerib. Sabit basn gaz trbinleri
2. evrimin trne gre;a. Ak sistem gaz trbinlerib. Kapal sistem gaz trbinleric. Birleik sistem gaz trbinleri
3. Mekanik dzenleri bakmndan;a. Tek aftl gaz trbinlerib. ki veya daha ok aftl gaz trbinleric. Ayr g trbinli (ara stc yok, alma esneklii) gaz trbinlerid. Seri akl gaz trbinlerie. Paralel akl gaz trbinleri
4. Kullanlan elemanlara gre;a. Basit gaz trbinlerib. Rejeneratrl gaz trbinleric. Ara soutuculu trbinlerid. Ara stcl gaz trbinlerie. Kompleks (ara soutucu, rejeneratr, ara stc birlikte)
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
26/264
8
5. Kullanm alanlarna gre;a. Sabit tesis gaz trbinlerib. Endstriyel gaz trbinleric. Jeneratr gaz trbinlerid. Pompa gaz trbinlerie. Tat gaz trbinleri
1. Otomotiv gaz trbinleri2. Lokomotif gaz trbinleri3. Denizcilik gaz trbinleri4. Havaclk gaz trbinleri
a. Ram jetlerb. Pulse jetlerc. Turbo jetlerd. Turboaftlare. Trbofanlarf. Trboproplar
2.3 rnek Bir Gaz Trbininin Tantm
Bu ksmda ama, balca gaz trbini reticilerinden olan Solarfirmasnn endstride
elektrik retiminde kullanlan 1000 Beygir gcndeki T-1000 S modelini, rnek bir gaz
trbini olarak tantarak bu tr uygulamalarn anlalabilirliini arttrmak asndan fayda
salamaktr.
Bu gaz trbininin zerinde bulunan eitli paralar; baa, arkaya, sol ve saa olmak zere 4
tarafa yerletirilmitir. Bu ynler gaz trbininin egzoz tarafnda durup hava giriine doru
baklarak tarif edilmilerdir. Hava giri ksm gaz trbininin ba taraf olarak kabul
edilecektir. Solar T-1000 S gaz trbini alt esas ksmdan meydana gelmitir. Bu ksmlar ve
dnen paralar ayn eksen etrafnda yerletirilmilerdir. Bu esas ksmlar batan arakaya doruaada belirtildii ekilde sralanmaktadr:
1- Hava giri ksm2- Kompresr3- Yanma odas4- Gaz retici trbin5- G trbini6- G aktarm ksm
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
27/264
9
Yukarda belirtilen bu 6 esas eleman, gaz trbini donanmlar ksmnda daha detayl olarak
anlatlacaktr. Yukarda bahsi geen gaz trbinini oluturan6 esas elaman aada ekil-2.3
te gsterilmitir. (Peterson Builders, Inc-1967)
ekil-2.3 Solar T-1000 S modeli gaz trbini (Peterson Builders, Inc-1967)
2.3.1 alma PrensibiYukarda tantm yaplan gaz trbininin alma prensibini incelemek gaztrbini tanm ve
tantm anlatmnn zihinlerde daha kolay yer edinmesini salayacaktr.
Gaz trbini kompresr ksmnda devaml sktrlm hava ak,yanma odasnda devaml
yanma ile trbin ksmndan devaml bir g retir. Atmosfer havas, kompresr tarafndan,
kompresrn mar motorunun hareketi ve daha sonra yanmann balamas ile trbinksmnn
hareketi ile emilir. Kompresr havay 6,5/1 orannda bir basnca sktrr. Sonra difizr
kompresrden gelen havay yanma odasna sevk eder. Yanma odas ierisinde yakt basnlapskrtlr. lk altrma esnasnda bu yakt atelemek iin bir buji yerletirilmi olup,
yksek voltaj ile almaktadr. Yeteri derecede hava ve yakt ak olduu mddete yanma
odasnda srekli yanma mevcuttur. Gaz trbini deniz seviyesinde ve 80 F (26.7 C) ortam
scaklnda nominal hznda alrken, kompresre yaklak olarak dakikada 10500 ft-kp
hava girmektedir. alma prensibi ve hava ak aadaki ekilde gsterilmitir. (Peterson
Builders, Inc-1967)
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
28/264
10
ekil-2.4 Gaz trbini alma prensibi ve trbindeki hava ak (Peterson Builders, Inc-1967)
Yanma odasnda genleen gazlar, trbin ksmndan geerken kanatlara arparak gaz retici
trbinini ve g trbinini tahrik ederler. Gaz retici trbininin aft kompresr ksmn tahrik
etmek iin gerekli gc verir. G trbininin aftndaki g ise anzuman vastasyla yke
verilir. Trbinden kan egzoz gazlar bir egzoz kollektr tarafndan toplanr. Egzoz
kollektr dakikada yaklak olarak 25200 ft-kp (normal almada en fazla 850 F(454 C)
scaklkta) egzozu atmosfere atar.
Bu gaz trbini maksimum 22300 rpm ile almakta ve g aktarm ksmnda ise bu devir 2
kademede 1800 devire drlerek maksimum devirde 380 volt 5000 amper DC elektrik
akm retmektedir. (Peterson Builders, Inc-1967)
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
29/264
11
3. GAZ TRBNLERNN TERMODNAMKSEL NCELEMESGaz trbinleri, g reten bir makine olduu iin birok g reten makinede olduu gibi,
bir termodinamiksel evrime dayanr. Gaz trbinleri evrimlerini teorik ve gerek evrimler
olarak ikiye ayrmamz mmkndr. Gaz trbinlerinin teorik evrimi, balangta bir pistonlu
motor evrimi olan Brayton evrimidir. Bununla birlikte, verim deerlendirmesinde referans
olarak alnan dier balca evrimler, Stirling ve Ericsson evrimleridir. Gerek gaz trbini
evrimi ile teorik evrimler arasndaki farklar aadabelirtilmitir.
3.1 Teorik ve deal evrimlerin ncelenmesi
3.1.1 Brayton evrimi
Temel gaz trbini evrimine baktmzda karmza Boston (A.B.D.) lu mhendis olan
George Braytonun 1870 li yllarda ortaya att evrimi karmza kar.Brayton evrimi,genel olarak gaz trbinlerinde kullanlan, periyodik bir prosesdir. Dier iten yanmal g
evrimleri gibi ak bir sistem olmasna ramen; termodinamikanaliz iin egzoz gazlarnn
ieri alnp tekrar kullanld farz edilir ve kapal bir sistem gibi analize uygun hale gelir.Ayn zamanda Joule evrimi olarak da bilinir. Bugn ise Brayton evriminin kullanm,
sktrma ve genilemenin eksenel kompresrler ve trbinlerde olduu gaz trbinleriylesnrldr ve gnmz gaz trbinlerinin teorik evrimi olarak kullanlmaktadr. Brayton
evrimi iki adet izentropik (kompresrde) ve iki adet sabit basnl (trbinde) hal
deiiminden oluur ve gaz trbinleri genellikle aadaki ekilde gsterildii gibi ak
evrimde alrlar. (engel-1996)
ekil-3.1 Ak evrim (engel-1996)
http://ansiklopedi.turkcebilgi.com/t%EC%B2%A2inhttp://ansiklopedi.turkcebilgi.com/termodinamikhttp://ansiklopedi.turkcebilgi.com/termodinamikhttp://ansiklopedi.turkcebilgi.com/t%EC%B2%A2in -
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
30/264
12
ekil-3.2 Ak evrim gaz trbini uygulamas (Horlock-2003)
Ak evrimden kast, evre koullarndaki hava, kompresr tarafndan sktrlr, basnc
ve scakl artar. Yksek basnl hava daha sonra, yaktn sabit basnta yakld yanma
odasna girer. Yanma sonunda oluan yksek scaklktaki gazlar trbinde evre basnca
genilerken trbin kanatlarn evirerek i yapar. Trbinden kan egzoz gazlar tekrardan
evrime girmeyecek ekilde atmosfere atlr. alma maddesinin ktlesel debisi evrim
boyunca deimemektedir.
Yukarda aklanan gaz trbini evrimi, hava standard kabulleri uygulanarak aadaki
ekilde gsterildii gibi kapal bir evrim olarak da dnlebilir. Kapal evrimde sktrma
ve genileme ilemleri deimemektedir. Yanma ileminin yerini evrime sabit basnta s
geii, egzoz ileminin yerini ise evreye sabit basnta s verilmesi almaktadr. Arac
akkann kapal bir evrimde dolat ideal evrim Brayton evrimi olarak adlandrlr.
(engel-1996)
ekil-3.3 Kapal evrim(engel-1996)
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
31/264
13
ekil-3.4 Kapal evrim gaz trbini uygulamas (Horlock-2003)
ekil-3.5 evrim basn-scaklk ilikisi (Giampaolo-2006)
ekil-3.5 de Brayton evriminin basn-scaklk ilikisi grlmektedir.
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
32/264
14
ekil-3.6te Brayton evriminin basn-hacim ilikisi grlmektedir.
ekil-3.6 evrim basn hacim ilikisi (Giampaolo-2006)
ekil-3.7de Scaklk-entropi ilikisi grlmektedir.
ekil-3.7 evrim scaklk-entropi ilikisi (Giampaolo-2006)
a-b Kompresr de izantropik sktrma
b-c Sisteme sabit basnta (P=sabit) s geii
c-d Trbinde izantropik genileme
d-a evreye sabit basnta (P=sabit) s geii
Gaz trbinleri srekli akl makineler olduklarndan termodinamiksel incelemesi en iyi
birince yasa ile yaplabilir ve Brayton evriminin drt hal deiiminin de srekli akl
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
33/264
15
sistemlerde olduu gz nne alnrsa, her birinin srekli akl ak sistem olarak
zmlenmesi daha faydal olacaktr. (Giampaolo-2006)
Birinci yasa denklemini yazacak olursak;
(1)h=entalpi deiimi
ke=kinetik enerji deiimi
pe=potansiyel enerji deiimi
Birok gaz trbini uygulamasnda kinetik ve potansiyel enerji deiimleri denklemlerde
ok kk deerler verdiinden trkinetik ve potansiyel enerji deiimi ihmal edilebilir.
Kinetik ve potansiyel enerji deiimleri ihmal edildii zaman srekli akl ak sistem iin
birinci yasa;
olur. Birim ktle iin ise dir. (2)
zgl slarnda oda scaklnda sabit kald kabul edilirse sisteme ve sistemden s geii
aadaki gibi yazlabilir.(engel-1996)
(3)
3.1.1.1 evrimin sl verimi
Bu denklemler kullanlarak Brayton evriminin verimini bulabiliriz:
(4)
veya kompresrde yaplan i;
(5)
Trbinde yaplan i;
, (6)
Toplam elde edilen i;
olur. Aada Brayton evrimini bir kez daha hatrlarsak (7)
yukardaki denklemlerin daha rahat kavranmasn salam oluruz. (Meherwan-2006)
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
34/264
16
ekil-3.8 Brayton evrimi (Meherwan-2006)
Eer sisteme s ilavesi olursa s geii;
olur. (8)
Bylece Brayton evriminin sl verimi;
olur. (9)
ya da 1-2 ve 3-4 hal deiimlerinin izentropik ve olduu not edilirse
olur. Bu bantlar, sl verim iin yazlan (10)
denklemde yerine konursa,
elde edilir. (11)
Burada basn orandr ve deeri dir. :zgl slarn orandr. (12)
(11) numaral denklem bize souk hava standard kabulleri altnda ideal Brayton evriminin
sl veriminin, gaz trbininin basn oranna ve arac akkann zgl slarnn oranna bal
olduunu gstermektedir. Isl verim bu iki parametre ile doru orantl olarak artmaktadr,
gerek gaz trbinlerinde olan da budur. (Meherwan-2006)
3.1.1.2 Gaz trbinini oluturan elemanlarn evrimdeki verimleri
Gaz trbinini oluturan elemanlarn verimini tek tek incelemenin amac ve bize olan
faydas gaz trbininde oluan problemlerin bulunmas ve zmlemesinde bize yardmc
olmasdr. Ayrca elamanlarn verimlerini bulmak gaz trbini optimum basn orann
bulmamzda da bize yardmc olur.
3.1.1.2.1 Kompresr verimi ve gerekli beygir gcKompresr verimi
k, kompresr basn oran ile doru, kompresr k scakl ile
ters orantldr. Bu tanm aadaki denklemde gsterilmektedir.
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
35/264
17
1
1
TTr
g
k
k(13)
Yukardaki denklemde;k
k 1
rk Kompresr basn oran,PP
g
k zgl slarn oran,
cc
v
p
P Kompresr toplam k basnc, kPa T Kompresr k scakl
Pg Kompresr toplam giri basnc, kPa Tg kompresr giri scakl
Gerekli kompresr beygir gc tanm; kompresrn havay sktrrken veyanma odasna
verirken ihtiya duyduu gtr ve aada belirtildii ekilde ifade edilmitir. (Giampaolo-
2006)
TJ
g
JcW
P
PTcWBG pa
k
g
pak550
1550
(14)
Wa =Kompresre giren hava akdr.
3.1.1.2.2 Trbin verimi ve retilen trbin beygir gcTrbin verimini izlemek ve trendlerini takip etmek, trbin nitesinin salkl almas
hakknda bize en doru bilgiyi vermektedir. (Giampaolo-2006)
r
T
T
S
t
trbingiri
egzost
t1
1
(15)
Tegzost=Trbin toplam k scakl T trbingiri =Trbin toplam giri scakl
rt=Trbin toplam giri basnc/Trbin toplam k basnc
rr
t
k
1olduundan trbin verimini aadaki gibi yazabiliriz.,
r
TT
k
trbingiri
egzost
t
11
1
(16)
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
36/264
18
Trbinin rettii toplam gce retilen trbin beygir gc ad verilir ve tek aftl gaz
trbinlerinde kompresr evirmede de kullanlr. G trbininin ayr olduu modellerde
retilen bu g kompresrn kulland g ile kayplarn toplamna eittir.
TT
TcWP
PTcWBG
g
gpggtpgt
J
g
J1
5501
550(17)
Burada
Wg Trbine giren gaz ak cp =Sabit basntaki zgl s
tGaz retici trbinin adyabatik verimi P =Gaz retici trbin toplam k basnc
Pg Gaz retici trbin toplam giri basncT Gaz retici trbin toplam k scakl
Tg Trbin toplam giri scakl
3.1.1.2.3 G trbini verimi ve g retimiGenelde ift aftl trbinler iin geerlidir. Bu tip trbinlerde g trbini ayr bir aft ile
tahrik edilen sistem veya cihaza baldr. Faydal iin retilip tahrik nitesini
hareketlendirmede kullanlan, gcn retildii bu ksmda verimde yaanan dmelerin
balca sebepleri trbin materyelinin anmalardan dolay zelliini kaybetmesi, korozyon
veya yabanc maddelerin verdii zararlardan kaynaklanmaktadr.
P
P
TT
g
T
g
gtrbini
1
1
(18)
Tg G trbini giri toplam scakl T G trbini toplam k scakl
PT Toplam atmosferik basn
Not: Basit ve tek evrimli gaz trbinleri uygulamalarnda PT , kombine evrimli gaz
trbinleri uygulamalarnda P alnr.
G trbininde retilip tahrik sistemine verilen g aada verilmitir.
P
PTcWBG
g
TJ
gtrbinigpggtrbini1
550(19)
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
37/264
19
Yukarda gaz trbinini oluturan ana elemanlarn verimlerini ve g retimlerini veren
bantlar yazldktan sonra sl verim, trbin giri scakl, toplam basn oran ve toplam
elde edilen i arasnda genel bir bant yazmamz mmkndr. evrimin maksimum toplam
sl verimi iin aadaki bant sabit giri scaklklarnda, kompresr ve trbin verimlerinde
en uygun (optimum)basn orann vermektedir. (Giampaolo-2006)
ttktkt
t
t
p
TTTTTTTTTT
TT
TT
TTTTT
r
k
k
optimum
313123
213131
31
2
31
2131131
11
(20)
Yukardaki denklem, trbin ve kompresrdeki kayplar ihmal edildiinde yani trbin ve
kompresr verimlerik
=t
=1 olduunda;
T
TTr
k
k
optimump 21
31
1
olur. (21)
ekil-3.9 evrim basn oran-yanma scakl ilikisi (Meherwan-2006)
(eitli yanma scaklklar ile maksimum i ve sl verime dayal basn oranlarna ait rnekbir diyagram. Bu diyagramda kompresr verimi %87 ve trbin verimi %92 olarak alnmtr.)
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
38/264
20
Yukardaki diyagram bize gaz trbinine giren 1 kglik havaya karlk maksimum sl
verimde veya ite en uygun (optimum) basn orann vermektedir. Ayn yanma
scaklklarnda maksimum iin optimum basn orannn maksimum sl verimin basn
oranndan dk olduu grlmektedir. (Meherwan-2006)
3.1.2 deal rejeneratrl Brayton evrimi
Basit gaz trbini evriminde trbin k scakl kompresr k scaklndan kayda
deer derecede yksektir. Gnmzde fosil yakt rezervlerinin azald ve maliyetinin artmas
nedeniyle rejeneratrl evrimler gze arpmaktadrlar.
Gaz trbinlerinde yakt tketimini drmek maksadyla trbinden kan scak gazlarn
kompresrden kan havay starak kullanlmas ilemine rejeneratr etkisi ad
verilmektedir. Brayton evriminin sl verimi rejeneratr kullanmyla artar, nk evrimde
yanma sonu gazlaryla evreye verilen snn bir blm yanma odasna giren havay stmak
iin kullanlr. evrimdeki bu olay aadaki ekilde gsterilmitir. (Meherwan-2006)
ekil-3.10 Rejeneratrl ideal evrim (Meherwan-2006)
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
39/264
21
ekil-3.11 Rejeneratrl evriminscaklk entropi deiimi (Meherwan-2006)
Rejeneratr ancak trbin scakl, kompresr k scaklndan byk olduu zaman
yarar salamaktadr aksi takdirde s geii havadan yanma sonu gazlarna olacak ve verim
azalacaktr. Bu durum ok yksek basn oranlarnda alan gaz trbinlerinde ortaya kar.
Rejeneratrdeki en yksek scaklk, trbinden kan ve rejeneratre giren yanma sonu
gazlarn scakl olmaktadr. Uygulamada hava rejeneratrden daha dk bir scaklkta,
scaklnda kar. Rejeneratrl Brayton evrimi bantlar ekil-3.10 ve ekil-3.11 e
bal olarak aada verilmitir.
(22)
(23)
Rejeneratr etkinlii , bu denklemler kullanlarak aadaki gibi tanmlanabilir:
(24)
Oda scaklnda sabit zgl slar alndnda:
(25)
Rejeneratrl ideal Brayton evriminin sl verimi aadaki gibi eitli ekillerde
gsterilebilir.
(26)
Rejeneratrl ideal Brayton evriminin sl verimi, (26) numaral denklemden de
grlebilecei zere evrimin en dk scaklnn en yksek scaklna oranyla evriminbasn oranna baldr.(engel-1996)
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
40/264
22
ekil-3.12 Basn oran ile verime olan rejeneratr etkisi(engel-1996)
ekil-3.12dende grld zere rejeneratrl ideal Brayton evriminin sl verimi, evrimin
en dk scaklnn enyksek scaklna oranyla evrimin basn oranna baldr.
evrimin sl verimini baka ifadeyle gsterimi aada verilmitir.
(27)
Rejeneratrl sistemin toplam ve ayrntl verimini yazmak istersek:
(28)
Rejeneratrl evrimde iki eit s deitirici kullanlmaktadr. Kompresrden kan yksek
basnl hava, rejeneratr veya rekuperatr ad verilen ters akl bir s deitiricisinde
trbindenkan scak yanma sonu gazlaryla stlabilir.
3.1.3 deal ara soutmal, stmal, rejeneratrl Brayton evrimi
Bir gaz trbini evriminin net iini bulmak iin, kompresr ii trbin iinden karlr. Bu
nedenle net iin artmas trbin iinin artmas veya kompresr iinin azaltlmasyla
gerekleebilir. (engel-1996)
(29)
Bir gaz trbinin k gcn arttrmak mmkn olmakla birlikte bu ilem ara soutma ve
stma ilemleri ile gerekletirilebilir.
Gaz trbinlerinde kompresrn ihtiya duyduu ii azaltmak maksadyla ve emi havasn
soutmay salamak amacyla multi-kademe kompresrler kullanlabilmektedir. Buradan
kast bir gaz sktrmak iin gerekli i, sktrma ilemini kademelerde yaparak ve
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
41/264
23
kademeler arasnda gazda soutma yaparak azaltlabilir. Bu ileme ara soutma ad
verilmektedir. leriki blmlerde gerek evrim konusunda ara soutma, ara stma ve
rejenerasyon konularna ayr ayr deinilecektir.
Benzer ekilde belirli basn aralnda alan bir trbinin yapt i, genilemeyi
kademelerde yaparak ve kademeler arasnda gazda stma yaparak arttrlabilir. Bu ileme ara
stma ad verilir. Ara soutmal, ara stmal ve rejeneratrl, iki kademeli ideal gaz trbini
evriminin izimi ve T-s diyagram aada verilmitir.
ekil-3.13 Ara soutma-stmal, rejeneratrl evrim(engel-1996)
ekil-3.14 Ara soutma-stmal, rejeneratrl evrim scaklk entropi diyagram (engel-1996)
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
42/264
24
Daha ok kademenin teorik olarak gaz trbininin verimini arttrmasna karn, gaz trbinin
dizayn karmaklamakta ve ilemlerin tersinmezlii nedeniyle olan kayplar artmaktadr.
Bu tr bir evrimde, atmosferik hava, bamsz kompresr kademelerinde sktrlr (1) ve
kademeler arasnda bulunan soutucular tarafndan soutulur. (2-3) zentropik sktrma
ilemi izotermale yaklamaktadr. (4) Yksek bir basnca sktrlan hava, birinci yanma
odasna girerek, maksimum evrim scaklna kadar stlr. (5) Birinci trbinde genileyen
alma maddesi, (7) yine sabit basnta ve maksimum scakla kadar olmak zere ikinci
yanma odasnda stlr, (8) ikinci trbinde genileyerek atmosfere atlrlar. (9-10) (engel-
1996)
3.2 Gerek Gaz Trbini evriminin deal evrimden Farkll
Gerek gaz trbini evrimi ideal Brayton evriminden baz bakmlardan farkllklar
gsterir. Bunlardan biri s geilerinden az da olsa meydana gelen basn kayplardr. kinci
olarak, srtnme ve sanki dengeli olmayan hal deiimlerinden kaynaklanan tersinmezlikten
dolay kompresr ii daha ok, trbin ii daha az olur. Gerek trbinin ve kompresrn
almasyla izantropik genileme ve sktrma arasnda bir iliki, trbin ve kompresr iin
adyabatik verim tanmlarndan yararlanarak kurulabilir. Bu iliki, kompresr ve trbin sl
verimleri olarak aadaki ekilde ve formllerde gsterilmitir. (engel-1996)
ekil-3.15 Gerek ile ideal evrim scaklk-entropi diyagram(engel-1996)
ekil-3.15da grlen gerek gaz trbini evriminin ideal Brayton evriminden sapmas
aadaki ekilde ifade edilir:
(30)
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
43/264
25
(31)
Gerek evrimler ile ideal evrimler arasndaki farklar daha detayl olarak incelemek
istersek; aadaki nedenlerden dolay gerek evrimler, ideal evrimlerden farkldr:
a. Turbo makinelerde akkan hzlar yksek olduu iin her bir elemann giri ve karasnda kinetik enerjideki deime ihmal edilemez. Yine ayn neden ile srtnme, trblans,
cidardan ayrlma, ok, vs. den doan kayplar olduu iin trbin ve kompresrdeki genileme
ve sktrma izantropik deildir. Giri ve k arasnda bir entropi artmas olur. Bunun
neticesi olarak da k scaklklar izantropik hale karlk gelenden yksektir. Bu scakln
artma miktar ise trbinin veya kompresrn izantropik verimine baldr.
b. Akkann srtnmesinden dolay yanma odalarnda s-deitirgelerinde, giri ve kkanallarnda basn kayplar meydana gelir. Ayrca eitli elemanlar balayan kanallarda da,
parazit kayplar diyebileceimiz basn kayplar vardr. Bunlar genellikle eleman kayplar
iinde gz nne alnrlar.
c. Is deitirgelerinde (rekparatr, ara soutucu) s iletimi hibir zaman tam deildir;souk taraftaki scaklk artmas, scak taraftaki scaklk azalmasna eit deildir. rnein
kompresrde sktrlm hava, hibir zaman trbinden kan gazlarn scaklna kadar
stlamaz.
d. evrimden elde edilen faydal iin bir ksm da yataklarda, kompresr ile trbin arasndakikavramalarda, ya pompas, yakt pompas gibi yardmc elemanlarn tahrikinde kullanlr.
e. Kompresrde sktrlan havann bir ksm trbin diski, lle ve kanatlarn ve elemanlardakullanlan eitli yataklar soutmada kullanlr. rnein, termik santrallerde toplam debinin
%1-2si bu i iin harcanr. Dier taraftan yanma odasnda 0,01-0,02 yakt/hava orannda
yakt ilave edildiinden yanma odas giri ve k arasnda da bir debi artmas olur. Normal
evrim hesaplarnda kompresrdeki bu kayp ile yanma odasndaki kazancn birbirini
dengeledii kabul edilir ve hesaplar trbin ve kompresrde akkan debisi eit kabul edilerekyaplr. ok yksek trbin giri scaklklarnda alan, modern uak gaz trbinlerinde
soutma amac ile kanatlarda bulunan soutma kanallarna ok miktarda hava gndermek
gerekir. Bu durumda, yaplan bu kabul, son imal hesaplar iin geersiz olur.
f. Kullanlan akkann termodinamik zellikleri (Cp, k), evrim boyunca scaklkla vekimyasal bileimin deimesine neden olan yanma ile deiir. Bunun dnda giri
havasndaki nem miktarnn deimesi de Cp ve k nn deimesine neden olur. Havada
bulunan toz paracklarnn da etkisi vardr ve bu etkiyi hesaplamak ok zordur. Yaplan
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
44/264
26
deneylere gre tozlu bir ortamda ksa bir sre alan eksenel bir kompresrn izantropik
veriminde % 2 mertebesinde bir azalma grlmtr.
g. Yanma odasndaki yanma hibir zaman tam deildir. Bundan dolay evrim verimi
hesabnda yanma veriminin de gz nne alnmas gerekir.ten yanma nedeniyle; trbinden
geen alma maddesi miktar, kompresrden geen hava miktarndan, pskrtlen yakt
miktar kadar daha fazladr. Ayrca, kompresrden geen havann % 1-2 kadar, trbin disk ve
kanatklar soutmak zere szdrlmaktadr. Gaz trbinlerinin toplam hava/yakt oranlar
genelde 100/1 ile 50/1 arasndadr. (etinkaya-1999)
3.3 Gerek Gaz Trbini evrimlerinin ncelenmesi
3.3.1 Basit tek aftl gerek evrim
Basit Brayton evrimine dayal gerek evrim gnmz gaz trbinlerinde geni bir ortak
kullanm alanna sahiptir. ekil-3.16de bu evrimin T-s diyagram verilmi olup evrimdeki
kompresr ve trbinde meydana gelen verim kayplar ile yanma odasnda meydana gelen
basn kayplar grlmektedir.
ekil-3.16 Gerek Basit Brayton evriminin T-s Diyagram (Meherwan-2006)
Kompresr ve trbinin gerek evrim termodinamiksel bantlar aada verilmitir.
Kompresr gerek ii;
(32)
Trbin gerek ii;
(33)
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
45/264
27
Toplam gerek net i;
(34)
Bu evrimi incelediimizde trbin giri scakln arttrdmz sl veriminde buna bal
olarak artt grlmektedir. Trbin giri scakl iin optimum sktrma oranna
baktmzda bunun 15.1:1 de 816 C ve 43:1 sktrma orannda giri scaklnn 1316 C
olduu yaplan deneylerde grlmtr. Maksimum i iin sktrma oranna baktmzda
11.5:1 ile 35:1 oranlarnn ayn scaklklara tekabl ettii grlmtr. (Meherwan-2006)
ekil-3.17 Tek aft gerek evrimli gaz trbininperformans (Meherwan-2006)
3.3.2 ift aftl basit gerek evrimli gaz trbinleri
ift aftl gerek evrimli gaz trbinleri yksek tork ve yksek yk ihtiyacn karlamak
zere kullanlrlar. Bu tip gaz trbinlerinde ilk trbin yalnzca kompresr ev irmek, ikinci
trbin ise g ihtiyacn karlamakta kullanlr. ekil-3.18deift aftl gerek evrimli gaz
trbini devre emas, ekil-3.19 da daevrimin T-s diyagram gsterilmektedir.
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
46/264
28
ekil-3.18 ift aftl gerek evrimli gaz trbini (Meherwan-2006)
ekil-3.19 ift aftl gerek evrimli gaz trbinin T-s diyagram (Meherwan-2006)
evrim ile ilgili termodinamiksel bantlar aada verilmitir.
(35)
(36)
k gc ise;
(37)
ift aftl trbinlerde birinci aft kompresr altrarak kompresr iin gerekli ii salar.
kinci aftn olduu trbin ise g retimini yaparak gerekli k iini salar. ki aft
tamamyla farkl devirlerde alabilirler. ift aft kullanmnn avantaj dk devirle yksek
torkun elde edilmesidir. (Meherwan-2006)
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
47/264
29
3.3.3 Rejeneratrl gerek evrim
Gerek evrimde de ideal evrimde olduu gibi kompresrden kan havag trbini k
egzoz gazlar stlarak sl verimin arttrlmas hedeflenir. Rejeneratrl gerek evrim iin
termodinamiksel bantlar:
(38)
Burada gerek evrimde kompresr k scakldr. Dier bantlar ift aftl gerek
evrim ile ayndr. Rejeneratr yanma odasna giren havann scakln arttrrken hava-yakt
orann drmekte ve sl verimi arttrmaktadr.
Rejeneratrl evrimin sl verimi basit evrimden % 40 daha fazladr. ekil-3.20 de ift
aftl bir gaz trbininde sktrma ve trbin giri scaklna bal olarak sl verimin deiimi
grlmektedir. (Meherwan-2006)
ekil-3.20 ift kompresrl rejeneratrl gerek bir evrimde basn oranna ve trbin giriscaklna bal olarak sl verimin deiimi (Meherwan-2006)
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
48/264
30
ekil-3.21 ift aftl gerek evrimli rejeneratrl gaz trbini performans (Meherwan-2006)
ift aftl rejeneratrl gerek evrim, ift aftl gerek evrim ile hemen hemen ayndr.
Daha ncede deinildii gibi yksek tork dk devir talebini karlamaktadr. Isl verimleri
hemen hemen ayndr. ekil-3.21 de bahse konu evrimin sktrma oranna ve trbin giri
scaklna bal olarak performans erileri verilmitir.
3.3.4 Ara soutmal basit gerek evrim
Kompresrn ihtiya duyduu i miktarn azaltmak ve net k iini arttrmak maksadyla
kullanlr. Soutma ilemi kompresrler arasnda yaplr. Bu evrimdeki termodinamiksel
kabuller u ekildedir:
1- Kompresr ara kademe scaklklar kompresr giri scaklna eittir.2- Kompresr sl verimleri eittir.3- Her iki kompresrde de sktrma oranlar eittir ve ye eittir.
Kompresrn ihtiya duyduu ii azaltma ilemi birinci kademe kompresrden kan
havann ikinci kademede kompresrde veya onu takip eden kademelerdeki kompresrlerde
ayn sktrma orannda havann ilk giri scaklna ve kompresr scaklna eit olacak
ekilde soutulmas ile yaplr. Kompresr ii bu soutmadan sonra aadaki gibi ifade
edilebilir:
(39)
Bu evrim normal gerek evrime gre % 30lukbir art salar fakat ortalama verim de az
bir miktarda de neden olur. Bu iliki ekil-3.22de gsterilmitir. (Giampaolo,
Meherwan-2006)
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
49/264
31
ekil-3.22 Ara soutmal gaz trbinin performans diyagram (Meherwan-2006)
ekil-3.23 Ara soutmal ve rejeneratrl gerek evrimin ift aftl gaz trbininde sktrmave trbin giri scaklna gre performans diyagram (Meherwan-2006)
3.3.5 Ara stmal gerek evrim
ift aftl gaz trbinlerinde rejeneratr kullanm sl verimi arttrmakta fakat ie herhangi
bir katks olmamaktadr. Bu durumu ortadan kaldrmak zere ara stmal evrim konsepti
gelitirilmitir. Ara stmal evrimde iki kademelitrbin ve bu her bir trbin kademesinden
ncede yanma odas kullanlmtr. Bu evrimdeki kabul, yksek basn trbininin (dier bir
deyi ile gaz retici trbin) yalnzca kompresr evirdii ve bu trbinden kan gazlarn ara
stma ile g trbinine girmeden nce, yanma odas k scaklna stlmas eklindedir.
Bu evrim k gcnde % 35 lik bir art, kazanm salamaktadr. (Meherwan-2006)
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
50/264
32
ekil-3.24 Ara stmal gaz trbini evriminin performans (Meherwan-2006)
3.3.6 Ara stmal soutmal rejeneratl gerek evrim
Bu evrim maksimum sl verim ve k iine ulama noktasna ok yakndr. Pratikte tm
evrimlerin yaklamak istedii Carnot evrimine ok yaklaan bir evrimdir. Kompresre ara
soutmann yaplarak maksimum sl verime ulamak iin sktrma orannn arttrlmas
ekil-3.26dagsterildii gibi sl verimi ok yksek oranlara tamaktadr.
ekil-3.25 Rejeneratrl ara stmal soutmal ift aftl gerek evrimli gaz trbinievriminin T-s diyagram(engel-1996)
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
51/264
33
ekil-3.26 Ara stmal-soutmal rejeneratrl evrimin performans diyagram (Meherwan-2006)
3.3.7 Buhar enjekteli gerek evrim
Bu evrim evre kirlilii ve dk verim endielerinin cevabn bize vermektedir. Bu
evrimlerde ise korozyon almas gereken byk bir engel olarak karmza kmaktadr. Bu
evrimin konsepti basittir, kompresr k havasna su buhar enjekte edilmekte ve trbine
doru olan ktle ak ekil-3.27 de gsterildii zere arttrlmaktadr.
ekil-3.27 Buhar enjekteli gerek evrim (Meherwan-2006)
Burada kompresrn ihtiya duyduu ite herhangi bir artma olmamaktadr. Su buhar,
kompresr ile trbinden kan scak gazlar tarafndan buhar jeneratrnde suyunbuharlatrlmas ile elde edilmekte ve kompresr k havasna enjekte edilmektedir. Tipik
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
52/264
34
olarak su, onu basan pompaya ve buhar jeneratrne 14.7 psia (1 Bar) basn ve 80 F (26.7
C) scaklkta girmekte, 60 psia (4 Bar) basn ve kompresr giri scaklnda karak,
kompresr k havasna enjekte edilmektedir. Buhar enjekteli evrim ozon tabakasna zararl
olan azot oksit gaz salmn drmekte ve yanma odasnda yanmann bir blgede
younlamasn engelleyerek iyi bir yanma olmasn salamaktadr. evrimde 3 konumunda
entalpi su buhar ve hava karmndan olumaktadr. Aktaki bu durum aadaki
bantlarda verilmitir. (Meherwan-2006)
(40)
Trbine giren entalpi ise;
(41)
Bu evrim iin gerekli yakt miktar:
(42)
Trbinden kan entalpi:
(43)
Trbinin toplam yapt i:
(44)
evrimin sl verimi:
(45)
Aadaki ekil-3.28deki diyagramda basit gerek evrim ile % 5 miktarda buhar enjekteli
gerek evrimin karlatrlmas yaplmtr. Trbin giri scakl olarak 1316 C, sktrma
oran olarak 17:1 alndnda trbin k iinde % 8,3 ve sl verimde % 19luk bir art
olduugrlmtr.
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
53/264
35
ekil-3.28 % 5 Buhar enjekteli ve basit gerek evrimin karlatrmas (Meherwan-2006)
ekil-3.29 Buhar enjekteli evrimin trbin giri scaklna ve sktrma oranna greperformans (Meherwan-2006)
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
54/264
36
4. GAZ TRBNLER TEMEL DONANIMLARI VE DONANIMLARIN
NCELENMES
Gaz trbini temel ve ana donanmlar; kompresr, yanma odas ve trbin olarak ana
elemana ayrlmaktadr. Bu ksmda gaz trbinini oluturan ana elamanlar detayl olarak
inceleyerek gaz trbininin alma eklinin daha iyi anlalmasn salamaya alacaz.
Ayrca yine Solar T-1000 S rnek modelimiz zerinde ana elemanlar inceleyerek konunun
uygulanm halini gzler nne sererek pekimesini salayacaz.
4.1 Kompresrler
Kompresrleri incelemeye balamadan nce genel kompresr tanmn yapacak olursak;
kompresr, iinden geen gaz eklindeki akkana evrim boyunca enerji transfer ederek
akkann basncn arttran aleteklinde ifade edebiliriz. Gaz trbinlerinde ise kompresrlerin
temel grevi, hava giri ksmndan ald havay, trbinde genileyerek i yapacak ekilde
sktrarak basncn, hacmini ve scakln arttrarak, yanmann meydana geldii yanma
odasna sevk etmek, trbinde kullanldktan sonra egzoz ksmndan atlmasn salamaktr. Bu
ilem aadaki ekilde gaz trbinin her bir ana donanmnn giren havaya yapt etkiyi,
havann scaklk, basn ve hz gibi parametrelerine karlk gelecekekildebize ok iyi ifade
etmektedir.
ekil-4.1.1 Endstride ve gemi uygulamalarnda kullanlan tipik bir gaz trbininde havannana elamanlar arasndaki scaklk, basn, hz erileri ve deerleri (Giampaolo-2006)
Gaz trbinlerinde kompresr dizaynlar genel olarak eksenel ve radyal olmak zere ikiye
ayrlmaktadr. Fakat Amerikan hava kuvvetlerinde baz helikopterlerde eksenel ile radyalakl kompresrlerin kombinasyonu olan eksenel-radyal akl kompresrlerde
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
55/264
37
kullanlmaktadr. Gnmzde eksenel akl kompresrler 25 kademeye kadar dizayn
edilebilmektedirler. Radyal akl kompresrler ise bir veya iki impelden oluan kademeler
halinde olmak suretiyle dizayn edilmektedirler. Son krk ylda kompresr dizaynnda nemli
ilerlemeler kaydedilmitir. Bu ilerlemeleri kompresr kanat dizayn, bu kanatlarn retim
malzemesindeki ilerlemeler ile kompresr sktrma oranlarnn arttrlmas eklinde
sralayabiliriz. rnein, II. Dnya Sava yllarnda kompresrlerdeki sktrma oran 5:1
iken gnmz endstriyel gaz trbinlerinde bu oran 30:1 ve hatta havaclkta kullanlan gaz
trbinlerinde ise 40:1 oranna kadar karlmtr. Havaclkta kullanlan trbin
kompresrlerinde sktrma oranlarnda kaydedilen bu ilerlemeler sl verimde de % 35 lere
varan bir art salamtr. Bu nedenle havaclkta kullanlan gaz trbini aratrma ve
gelitirme almalar hzl olmu, dier uygulama alanlarndaki gaz trbinlerinin de ayn
oranda gelimesine katkda bulunmutur.
ekil-4.1.2 Yllara gre havaclk ve endstriyel gaz trbinlerinde kompresr sktrmaoranlarndaki gelime diyagram (Meherwan-2006)
Yukarda gaz trbinleri kompresrlerinden ksaca bahsettikten sonra imdi daha ayrntl
olarak eksenel akl, radyal akl ve eksenel-radyal aklkompresrleri inceleyelim.
4.1.1 Eksenel Akl Kompresrler
Gnmzde gaz trbinlerinde en ok kullanlan kompresr tipidir. Havaclk ve endstriyel
gaz trbini uygulamalarnda yksek verim ve tek aft ile daha yksek sktrma oranlar elde
etmeleri nedeniyle radyal akl kompresrler yerine eksenel akl kompresrler
kullanlmaktadr. Bunun en temel nedeni radyal akl kompresrlerde ktle aknn iki
dzlemde (eksenel-radyal) olmas eksenel akl kompresrlerde ise ktle aknn birdzlemde (sadece eksenel) ve ortalama hzlarn ok dk seviyede olmasdr. Ayrca yine
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
56/264
38
birok gaz trbini uygulamasnda 5 MW (mega-watt) n zerinde bir g elde edilmek
isteniyorsa eksenel akl kompresrler tercih edilmektedir. Havaclkta zellikle eksenel
akl kompresrler,byk uaklarn motorlar iin, gemilerde ise havaclk gaz trbinlerinden
tretilen pervane tahrikgaz trbinlerinde tercih edilmektedirler. Bunun nedeni; n alanlarnn
kk, debilerinin yksek olmas ve ii yapan radyal akl kompresrlere gre %3-4
civarlarnda daha verimli olmalardr.
Eksenel akl kompresr tanmn yapacak olursak; eksenel akl kompresr, havann
kompresrn dn eksenine paralel bir biimde gaz trbinine girip sktrlarak ve yine ayn
ekilde gaz trbinini terk ettiikompresr biimidir.
4.1.1.1 alma prensibi
Eksenel akl kompresr, alma akkann nce ivmelendirmekte ve sonrada difzyon
yoluyla basncn arttrmaktadr. Bu tip kompresrler; kademe ad verilenekil 4.1.3 ve ekil
4.1.4 tende grlebilecei zere, birbirine kart konumlu, hareketli (rotor) ve sabit (stator)
kanatk dizilerinden olumaktadr. Kompresrde bir rotor ve bir stator kanad bir kademeyi
oluturmaktadr. ekil 4.1.5 ten de takip edersek, eksenel akl kompresrde hareketli
kanatklar (rotor) havann kinetik enerjisini ve statik basncn arttrrken, sabit kanatklar
arasndaki gei aralklar ise havann kinetik enerjisini azaltp, scaklk ve basncn arttran
difizr gibi grev yapmak zere tasarlanmaktadrlar. Difizyon, k alannn geniletilmesi,
klavuz kanatklar kullanlmas (IGV) veya her ikisinin birlikte uygulanmasyla
gerekletirilebilirse de, genellikle kanatk kullanm tercih edilmektedir. Klavuz kanatklar
eksenel akl kompresrn giri ksmna monte edilirler ve kompresre giren havann
basncn arttrmazlar bunun yerinegiren havay eksenel yne evirip, hzn arttrarak uygun
giri as ile kompresr rotor kanatlarna arpmasn salamakla grevlidirler.Eksenel akl
kompresrlerde havann basnc kompresr boyunca her bir kademede yavaa
arttrlmaktadr.
ekil-4.1.3 Eksenel akl akl kompresr rotor ve statoru (Mattingly-2006)
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
57/264
39
Gaz trbinlerinin en byk sorunlarndan biri dk sl verimdir ve sl verimi arttrp bu
sorunun zmne ynelikte temel iki yntem bulunmaktadr. Bu yntemleri,
kompresrlerdeki sktrma oranlarn ve yanma scakln (trbin giri scakl)arttrmak
eklinde sralayabiliriz. Bu saydmz nedenlerden tr gaz trbininin kompresrnde elde
edilen sktrma oran sl verim asndan sonderece nem tamaktadr. lerleyen ksmlarda
kompresr sktrma oranlarn daha ayrntl olarak inceleyeceiz. Gaz trbinlerinde eksenel
akl kompresr kullanmnda, kompresr rotoru bir aft vastas ile gaz retici trbin
tarafndan evrilmektedir ve ayr bir aftl g retici bir trbin yoksa bu tip uygulamalar tek
aftl gaz trbin uygulamalar olarakbilinmektedir. Eksenel akl kompresrlerin kullanld
bu tip gaz trbinlerinde, trbinde retilen gcn, % 55-65 aras oranlardaki miktarlarda
kompresr tarafndan harcanmaktadr. Gnmzde kullanlan eksenel akl kompresrler 17-
25 kademelerden olumakta ve yksek sktrma oranlarn salayarak gelimiveya yksek
g retengaz trbinlerinde sktrma ilevini gerekletirmede kullanlmaktadrlar.
ekil-4.1.4 Eksenel akl kompresr kademesi (Baskharone-2006)
ekil-4.1.5 Eksenel akl bir kompresrde hz, scaklk ve basn deiim diyagram(Meherwan-2006)
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
58/264
40
4.1.1.2 Eksenel akl kompresr aerodinamii ve aerotermodinamii
Eksenel akl kompresrlerin alma prensibini daha iyi anlamak iin kompresr kanat
aerodinamik yapsn incelemek gerekmektedir. Kompresr kanatklar zerinden akan hava,
kanatk yzeyleri zerinde dikey ve yatay olmak zere kaldrma ve srtnme kuvvetlerine
neden olmaktadr.
Bu kuvvetleri neden olduklar etkenleri iki bileen halinde zmlemek mmkndr.
1-Kompresr eksenine paralel olan bileeni, hava zerinde ona eit ve ters ynl arka blgekuvveti, (ki bu kuvvet basn artna neden olmaktadr)eklinde tanmlayabiliriz.
2-Dn dzlemi zerindeki kuvvet bileeni kompresr hareket ettiren bileendir ve torkolarak adlandrlmaktadr.
ekil-4.1.6 Eksenel akl kompresr kanatklarna etki eden kuvvetler(Giampaolo-2006)
Aerodinamik noktadanbaktmzda bir kompresrn baarl bir ekilde almas iin iki
adet limit faktr bulunmaktadr. Bunlar kanata hcum eden havann geli a ve hzdr.
Eer kanata hcum eden havann as ok dik ise, hava ak kanadn ibkey yzeyini
takip etmeyecektir. Bu durum kaldrma kuvvetini oluturacak ve srtnmeyi arttracaktr.
Eer kanada gelen hava ok dar bir a ile gelirse de, hava ak kanadn ibkey yzey
yapsnda dalacaktr ve bu da srtnmeyi arttracaktr. Kanata gelen havann as
maksimum deerine yaklarsa artan srtnme kuvvetini yenmek iin byk oranlarda enerji
kayplar meydana gelecek ve bu da verimde azalmaya neden olacaktr. Bu anlatm ekil
4.1.7 zerinde grmek mmkndr.
-
8/3/2019 gaz trbini alma donanmlarnn incelenmesi axstream programyla eksenel akl kompresr ve trbin dizayn an
59/264
41
ekil-4.1.7 Kompresr kanatlarna havann geli asna gre kanat yzeyindeki havanndavranlar (Giampaolo-2006)
Deneysel yntemlerle bu kaldrma ve srtnme kuvvetleri eitli kanat ekillerine, ak
hzna ve kanata akn geli asna gre hesaplanabilmektedir. Bir kanata etki eden
kuvvetlerden srtnme kuvvetini ile, kaldrma kuvvetini indisi ile gsterecek olursak
bu kuvvetleri deneysel yntemlerle karlm formllerden hesaplamamz mmkn olacaktr.
(1)
(2)
Burada;
ve katsaylar akkann belirli bir yzeye geli asna gre rzgar tnellerinde test
edilip plotlanarak hesaplanmaktadr. rnek bir plotlamalar sonucu elde edilen eriler