Upload
halil-ibrahim-kueplue
View
227
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
1/114
T.C.
ULUDA NVERSTES
FEN BLMLER ENSTTS
MKRO GAZ TRBN EVRMNN
SMLASYONU VE SSTEM KOMPONENTLERNN
OPTMZASYONU
Tolga AKMAK
YKSEK LSANS TEZ
MAKNE MHENDSL ANABLM DALI
Bursa, 2007
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
2/114
T.C.
ULUDA NVERSTES
FEN BLMLER ENSTTS
MKRO GAZ TRBN EVRMNN
SMLASYONU VE SSTEM KOMPONENTLERNN
OPTMZASYONU
YKSEK LSANS TEZ
MAKNE MHENDSL ANABLM DALI
Tolga AKMAK
Danman: Prof. Dr. Muhsin KILI
Bursa, 2007
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
3/114
ii
T.C.
ULUDA NVERSTES
FEN BLMLER ENSTTS
MKRO GAZ TRBN EVRMNN
SMLASYONU VE SSTEM KOMPONENTLERNN
OPTMZASYONU
Tolga AKMAK
YKSEK LSANS TEZ
MAKNE MHENDSL ANABLM DALI
Bu Tez 14/08/2007 tarihinde aadaki jri tarafndan oybirlii/oy okluu ilekabul edilmitir.
Prof.Dr. Muhsin KILI Prof.Dr.rfan KARAGZ Prof.Dr.Erdoan DLAVEROLU(Danman)
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
4/114
iii
ZET
Bu alma, nesneye ynelik bir simlasyon yazlm kullanarak, geni bir aralktaki
termal ve mekanik yklemeler altnda bir mikro gaz trbininin alma artlarnincelemektedir. Hesaplamalarda kullanlan program olan EcosimPro, basit ve karmakfiziksel sreleri, cebirsel fark denklemleri ile ifade etmektedir.
EcosimPro, bir fiziksel sistemin bileenlerini ifade eden ve yeniden kullanlabilirktphanelerin (termal, kontrol, turbojet vb.) oluturulmas nedeniyle birok alanauygulanabilen bir yazlm trdr. Bu ktphaneler, nesneye ynelik bir programlamadili ile gelitirilmitir. Esnek kullanc ara yz, yeni modellerin tanmlamasnn abukyerine getirilmesini ve hzl sonular elde edilmesini salamaktadr. EcosimPro
programnn kullanm ve modelin nasl oluturulduu kullanc ara yz ve ematikdiyagramlarla bu almada aklanmtr. Gelitirilen mikro gaz trbin modelinin, sabit
hal, parametrik ve zamana bal geici rejim analizleri iin simlasyonlar yaplmtr.
Ayrca, multidisipliner optimizasyon vastasyla elde edilen radyal kompresr geometridizayn anlatlmtr. Radyal akl trbin ve kompresrn karakteristik erileri dahasonra EcosimPro programnda kullanlmtr.
Anahtar Kelimeler: Mikro gaz trbini, optimizasyon, g retimi, termodinamikevrim
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
5/114
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
6/114
v
NDEKLER
SayfaZET ........................................................................................................................................... iii
ABSTRACT................................................................................................................................. ivNDEKLER ............................................................................................................................. vKISALTMALAR DZN........................................................................................................... viiZELGELER DZN .............................................................................................................. viiiEKLLER DZN ..................................................................................................................... ixSMGELER DZN .................................................................................................................... xi
1. GR ....................................................................................................................................... 1
2. KAYNAK ARATIRMASI ................................................................................................... 32.1 Mikro gaz Trbin Sistemi................................................................................................... 32.2 Model ve Simlasyon ......................................................................................................... 5
2.3 Tezin Amac, Katks ve Yenilikleri ................................................................................... 6
3. MATERYAL VE YNTEM.................................................................................................. 73.1 Mikro Gaz Trbinlerinden G retimi............................................................................. 7
3.1.1 Mikro-gaz trbinlerinin avantajlar ............................................................................. 83.1.2 Mikro-gaz trbinlerinin dezavantajlar...................................................................... 113.1.3 Mikro-gaz trbin uygulamalar.................................................................................. 12
3.2 Termodinamikartlar ve lekleme................................................................................ 143.2.1 Mikro-gaz trbininde lekleme (Minyatrletirme) etkisi ...................................... 153.2.2 Minyatrletirmenin komponentler zerindeki etkisi ............................................... 17
3.3 Radyal Kompresrn Multidisipliner Optimizasyonu...................................................... 223.3.1 Optimizasyon metodu ............................................................................................... 24
3.3.2 Geometri tanmlamas ............................................................................................... 243.3.3 Tasarm koullar....................................................................................................... 29
3.4 Mikro-gaz Trbin evriminin Termodinamik Analizi ..................................................... 323.4.1 Mikro-gaz trbin evrimi .......................................................................................... 353.4.2 Mikro-gaz trbininin performans tahmini................................................................. 433.4.3 Mikro-gaz trbininin geici rejim (Transient) davran ........................................... 44
3.5 Mikro-gaz trbinini EcosimPro programnda tanmlama................................................. 463.5.1 EcosimPro program ile almak.............................................................................. 493.5.2 EcosimPro kullanc ara yz detaylar..................................................................... 513.5.3 Modelleme Metotlar................................................................................................. 53
3.5.3.1 Portlar................................................................................................................. 54
3.5.3.2 Komponentler .................................................................................................... 563.5.4 Komponentlerin girdi verisi ...................................................................................... 63
4. ARATIRMA SONULARI ve TARTIMA.................................................................... 654.1 Mikro-gaz Trbin evriminin EcosimPro ile Simlasyonu............................................. 65
4.1.1 Tasarm noktasnda alma ...................................................................................... 664.1.2 Parametrik alma .................................................................................................... 734.1.3 Tasarm d (Off-design) alma durumlar ............................................................ 774.1.4 Geici rejim (Transient) analiz.................................................................................. 774.1.5 EcosimPro ile simlasyon boyunca karlalan problemler..................................... 79
4.2 Sonu ve neriler ............................................................................................................. 80
5. KAYNAKLAR ...................................................................................................................... 82
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
7/114
vi
SayfaEK 1EVRM KOMPONENTLERNN EL KODU .......................................................... 84
EK 2KARARLI HAL SMLASYON UYGULAMASI...................................................... 91EK 3PARAMETRK SMLASYON UYGULAMASI ...................................................... 92
EK 4GEC REJM (TRANSIENT) SMLASYON UYGULAMASI........................... 93
EK 5KOMPRESR VE TRBN KARAKTERSTK ERLER ................................. 94
EK 6MKRO-GAZ TRBNNN EL KODU ERSNDE KULLANILANPOLNOM VE FONKSYON TANIMLAMALARI ................................................... 95
EK 7MKRO-GAZ TRBN EVRMNN EMATK DYAGRAMI .......................... 99
TEEKKR............................................................................................................................ 100
ZGEM............................................................................................................................. 101
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
8/114
vii
KISALTMALAR DZN
ANN Artificial Neural Network (Yapay Sinirsel A)CFD Computational Fluid Dynamics (Hesaplamal Akkanlar Dinamii)CVD Chemical Vapour Deposition (Kimyasal Buharl Depozisyon)DOE Design of Experiments (Denemelerin Tasarlanmas)EDM Electro Discharge Machining (Elektriksel Dearjla leme)EL EcosimPro Language (EcosimPro Dili)FEA Finite Element Analysis (Sonlu Elemanlar Analizi)GA Genetic Algorithm (Genetik Algoritma)HAD Hesaplamal Akkanlar DinamiiLE Leading Edge (Hcum Kenar)MGT Mikro-gaz TrbiniOF Objective Function (Ama Fonksiyonu)
PIV Particle Image Velocimetry (Parac
k Grnt H
z leri)TE Trailing Edge (Firar Kenar)TGS Trbin Giri ScaklYO Yanma Odas
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
9/114
viii
ZELGELER DZN
SayfaTablo 3.1 Optimize edilmi geometrilerin temel geometri ile kyaslanmas 31Tablo 3.2 Hedeflenen Mikro-gaz trbin sisteminin temel zellikleri 53Tablo 3.3 Portlar, deikenler ve denklemler 56
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
10/114
ix
EKLLER DZN
Sayfaekil 3.1 Mikro-gaz trbin tasla ....................................................................................7ekil 3.2 Mikro-gaz trbini ile bataryalarn enerji younluklarnn karlatrlmas ......8ekil 3.3 Farkl seenekler iin g-enerji younluu aralklar. ...................................10ekil 3.4 Mikro s makinelerinin yakt hcreleri ve bataryalar ile karlatrlmas......10ekil 3.5 Mikro-gaz trbin uygulama alanlar ................................................................13ekil 3.6 Mikro-gaz trbininin baz sivil uygulama alanlar ..........................................13ekil 3.7 Kompresrn 5 eksenli frezeleme ile retim testi (ap 20 mm)......................19ekil 3.8 Trbinin 3 eksenli EDM yntemi ile retim testi (ap 26 mm). .....................19ekil 3.9 Optimizasyon algoritmas ................................................................................25ekil 3.10 Bezier kontrol noktalar ile tanmlananak d hatlar .................................26ekil 3.11ile tanmlanm kanat kavis erisi ..............................................................26ekil 3.12 Kanadn kavis erisi boyunca kalnlk dalm ............................................26
ekil 3.13 Dalland
r
c
kanatl
kompresrde negatif ve dengesiz ykleme....................29ekil 3.14 Optimizasyonun yaknsama gemii .............................................................30ekil 3.15 Temel geometri, veritaban ve optimizasyon iin aero-gerilme penaltdalm ...........................................................................................................................31ekil 3.16 Temel geometride merkezka yklemelerden dolay von Mises gerilmedalm ...........................................................................................................................31ekil 3.17 terasyon 25 geometrisinde merkezka yklemelerden dolay von Misesgerilme dalm ..............................................................................................................31ekil 3.18 Basit gaz trbin sistemi..................................................................................32ekil 3.19 Is deitiricili tekaft ak gaz trbin sistemi ..............................................34ekil 3.20 Basit evrim...................................................................................................36
ekil 3.21 Is deitiricili basit evrim ...........................................................................37ekil 3.22 Statik ve durgunluk durumlar aras iliki .....................................................39ekil 3.24 Kompresr giri kanalndaki toplam basn dalm ....................................42ekil 3.25 Kompresr difzr ile kompresr giri kanal detay ..................................42ekil 3.26 Radyal kompresr karakteristik erileri ........................................................44ekil 3.27 Kompresr karakteristiklerinde geici rejimde izlenen yrnge...................46ekil 3.28 EcosimPro ana penceresi ...............................................................................47ekil 3.29 Grafiksel model oluturma (EcoDiagram).....................................................48ekil 3.30 EcosimPro grafiksel sonu penceresi ............................................................49ekil 3.31 EcosimProda komponent oluturma admlar ..............................................50ekil 3.32 Keif Alan 3 farkl grnm.......................................................................51
ekil 3.33 Uygulamalar (Experiments) ..........................................................................52ekil 3.34 Komponent hiyerarisi...................................................................................54ekil 3.35 Karakteristik erilerindenn tanm ...........................................................58ekil 3.36 Yanma odasndan olan s transferi................................................................60ekil 3.37 Trbin ile kompresr arasndaki s transferi.................................................62
ekil 4.1 Mikro-gaz trbininin ematik diyagram .........................................................65ekil 4.2 evrim geliiminin admlar ............................................................................68ekil 4.3 EcosimPro snrartlarnn seimi...................................................................70ekil 4.4 Basit evrimin tamamlanm evrim ile karlatrlmas................................72ekil 4.5 Kararl hal tasarm noktasnda alma sonucu ...............................................72ekil 4.6 Kararl hal tasarm noktasnda alma sonucu ...............................................72
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
11/114
x
ekil 4.7 Kompresr karakteristik erilerinde bir dizi kararl hal alma noktalar......73ekil 4.8 Trbin karakteristik erilerinde bir dizi kararl hal alma noktalar .............73ekil 4.9 Dnme hznn net g ve evrim verimi zerindeki etkisi.............................74ekil 4.10 Trbin giri scaklnn net g ve evrim verimi zerindeki etkisi............75
ekil 4.11 Is deitiricisi etkinliinin net g ve evrim verimi zerindeki etkisi........75ekil 4.12 Kompresr giri scaklnn net g ve evrim verimi zerindeki etkisi.....75ekil 4.13 Yanma odas veriminin net g ve evrim verimi zerindeki etkisi .............76ekil 4.14 Trbin giriinden kompresr kna olan s transferinin net g ve evrimverimi zerindeki etkisi...................................................................................................76ekil 4.15 Is deitiricisi souk taraf basn orannn net g ve evrim verimizerindeki etkisi ..............................................................................................................76ekil 4.16 Is deitiricisi scak taraf basn orannn net g ve evrim verimizerindeki etkisi ..............................................................................................................77ekil 4.17 Mikro-gaz trbininin kompresr karakteristik erisi zerinde almaaral ..............................................................................................................................77
ekil 4.18 EcosimPro monitrnden geici rejim simlasyon sonular .......................79ekil 4.19 Kompresr karakteristik erileri zerine yerletirilmi geici rejimsimlasyon ......................................................................................................................79
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
12/114
xi
SMGELER DZN
A Alan m2cp Sabit basnta zgl s j/kgKcv Sabit hacimde zgl s j/kgK
D ap mDh Hidrolik ap mDHQTJ Dzeltilmemi zgl entalpi j/kgKEPDJ Dzeltilmemi verimG Tork Nm
GG
Geometri vektr
GLP Basn dm katsaysH Entalpi j/kgh Is tanm katsays W/m2K
I Atalet Momenti kg.m2
k Is iletim katsays W/mK
L Karakteristik uzunluk mm Debi kg/sn Dnme hz rpm
Nu Nusselt saysOF Ama fonksiyonu
P G Wp Basn PaPr Prandtl saysPQ EcosimPro programlama dilinde giri/k basn oran
Q Birim zamandaki s transferi Wr Basn oran
Re Reynolds saysT Scaklk KTa Ortam scakl KTIT Trbin giri scakl Ku Hz m/sU Toplam s transfer katsays W/m2KV Hacim m3W Birim zamandaki i-g transferi WWRJ Dzeltilmemi debi kg/s
Younluk kg/m3 Kinematik viskozite m
2/s
Mekanik gerilme MPa zgl slar oran (cp/cv)
Kompresr karakteristik erileri iin tanmlanm parametre Boyutsuz giri toplam scaklk Boyutsuz giri toplam basn Verim Asal ivme
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
13/114
xii
ndeks
c Kompresrcc Yanma odas
D Tasarm noktasartlarin Komponent giriiout Komponent k
sh aft artlarref Referans deerlerbl Ana kanat
sp Dallandrc kanatcorr Dzeltilmi deerlertable Tablodan alnan deerler
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
14/114
1
1. GR
G retiminde kullanlmak zere, bir mikro gaz trbinin gelitirilmesi zerine
almalar devam etmektedir. Ama, gnmzdeki ar bataryalarn yerini alacak hafif
ve kompakt bir g kayna gelitirmektir. G retimi iin mikro gaz trbinlerinden
faydalanma zerine artan ilgi, bu sistemlerin geni bir aralkta iletme artlarn
salayabilmek iin, aratrmaclar ok etkin sistemler tasarlamaya ynlendirmektedir.
Mikro g retim sistemlerini nemli klan neden, yakt bazl g retim sistemlerinin
hala en iyi arj edilebilir g retim sistemlerinden 100 kat daha fazla enerji younluu
iermesidir. Bu tr yakt bazl g retim sistemleri, yakt pilleri, termoelektrik birimler,
yanmal motorlar ve gaz trbinleri gibi geni iletme yntemleri zerine kurulabilir.Yakt pillerinden beklenen yksek verim iken mikro gaz trbinlerinden umulan yksek
g younluunu sunmasdr.
Turbo makinelerin 1 boyutlu analiz sonularndan, g ve verimin dnme hz
arttka artt aka bellidir. Kk boyutlar, trbo makinelerde kanat soutmasn
engeller, bu nedenle ulalabilecek maksimum trbin giri scakl snrlandrlmtr.
Mikro turbo makinelerde snrlandrlm trbin giri scakl ve devir says,
performans ve verimi etkileyen faktrlerdir. Basite yksek performansl bir gaz
trbinini kltme ilemi performans asndan iyi bir sonu vermeyecektir.
Sorun oluturan ana etkenler;
Reynolds saysndaki byk deiiklikler,
Scak ve souk komponentler arasndaki ktlesel s transferi (byk makinelerde
ihmal edilebilir),
Minyatrlemi komponentlerin verimleri, malzeme ve retim zorluklarndankaynaklanan geometrik kstlamalar olarak belirtilebilir.
Bu etkenler, yataklar, elektrik jeneratrn, s deitiricisi vb. komponentlerde yeni
kavramlarn ortaya konulmas gerekliliini gstermektedir.
Yeni bir gaz trbin motoru tasarland zaman, tasarm ve tasarm d (off-design)
alma durumlarn incelemek iin sistemin termodinamik modeli oluturulur. Bu
modelden elde edilen veriler daha sonra dier analizler (gerilme, ak analizi vb.) iin
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
15/114
2
girdi olarak kullanlr. Bu analizler sonucu elde edilen veriler sistemdeki tasarm
deiikliklerine ve yeni eleman performanslarnn ortaya kmasn salar. Bu
deiimler tasarm kriterleri yerine getirilene kadar bir dng halinde tekrarlanr (Peirs
ve ark. 2002a). Bu sre, esnek, ksa srede sonu verebilecek ve hzl gerekli
deiimleri tm sistemi etkilemeden yapabileceimiz bir modl gerektirmektedir.
Geleneksel olarak bu tr motor evrim analizleri Fortran ile yazlmaktadr. Nesneye
ynelik programlama dilleri de kullanlarak (C++, Java, Borland Delphi vb.), modler
tasarm desteklenebilir. Dier bir alternatif de hem kodlamay hem nesneye ynelik
kullanc ara yzn kapsayan bir program kullanmaktr. Bu almada mikro-gaz trbin
modelinin oluturulmas
iin, nesneye ynelik bir programlama dili kullanan ve EAInternational tarafndan gelitirilmi olan EcosimPro program kullanlmtr.
almann amac, mikro-gaz trbin modelinin oluturulmas ve bu model zerinde
sabit hal, parametrik ve geici rejim analizlerin gerekletirilmesidir.
Bu kapsamda 2. blmde konu ile ilgili literatrde bulunan almalar verilmitir. 3.
blmde alma ile ilgili teorik altyap ve tm sistemin kullanlan programda
tanmlanmas anlatlmtr. Ayrca bu blmde kompresr ve trbin geometrilerinin elde
edilmesi iin kullanlan multidisipliner optimizasyon ynteminden bahsedilmitir. Son
olarak 4. blmde program ktlar analiz edilmitir ve sonular tartlmtr.
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
16/114
3
2. KAYNAK ARATIRMASI
Bu blmde, alma kapsamnda incelenen literatr zetlenecektir. Bu almalar 2
balk altnda ele alnacaktr. Mikro gaz trbinleri zerine yaplan almalar, Mikrogaz Trbin Sistemi bal altnda, model ve sistemin oluturulmasnda kullanlan
program iin yararlanlan almalar, Model ve Simlasyon bal altnda
incelenecektir. Tezin Amac, Katks ve Yenilikleri bal altnda mevcut almann
imdiye kadar yaplan almalardan farkll, hedefledii ve gerekletirdii bilimsel
iyiletirme ve gelime zetle sunulacaktr.
2.1 Mikro gaz Trbin Sistemi
Mevcut alma altnda gelitirilmesi planlanan ayn mikro gaz trbin sistemi iin ve
farkl sistemler iin bugne kadar yaplan almalardan burada bahsedilecektir.
Decuypere ve Verstraete (2005) tarafndan yaplan almada mikro gaz
trbinlerinin bataryal sistemlere kar avantajlarndan ve dezavantajlarndan
bahsedilmitir. Ayrca bu tr mikro sistemlerin potansiyel kullanm alanlar
ngrlmtr. Bu alma mikro gaz trbinlerinin genel yaps ve amac hakknda
nemli bilgiler sunmaktadr.
Dumand ve ark. (2005) pilotsuz uaklar ve tanabilir elektrik g sistemlerinde
mikro gaz trbin uygulamalar iin bir takm deneyler ve simlasyonlar yapmlardr.
Bu almada, zellikle yanma konusu zerine younlalm ve tekil eden sorunlar
incelenmitir. Yanma odas bir HAD program kullanlarak simule edilmitir. alma
sonunda mikro yapdaki bu tr sistemlerin gelitirilmesinin uzun zaman alacak ve farkl
disiplinleri bir arada barndran bir sre olaca zellikle vurgulanmaktadr.
Epstein (2003), mikro gaz trbinleri zerine detayl bir alma yapmtr. Bu
almada yakt olarak hidrojen kullanan bir gaz trbin modeli ngrlerek sistemin
boyutlar tartlm, termodinamik ve lekleme artlar irdelenmitir. Geleneksel gaz
trbin komponentleri, mikro lekleri ile karlatrlmtr. Ayrca bu almada yanma,
yataklama ve malzeme konusunda nemli bilgiler verilmektedir. Mevcut almann da
aratrma konusu olan, evrimde s deitiricisi kullanmnn etkileri de bu almada
incelenmitir.
Isomura ve ark. (2005a) Tokyo niversitesinde yaptklar almada 10 mm apl
metal fanlar retmek iin 5 eksenli mikro-frezeleme yntemini kullanmaktadr.
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
17/114
4
Isomura ve ark. (2005b) Tohoku niversitesinde bir mikro gaz trbin makinesi
gelitirilmesi zerine almalar yapmlardr. Bu almada mikro lekteki
makinelerin g ve enerji younluklar, kullanm alanlar gibi bilgiler sunulmaktadr.
100 W enerji retimi iin hedeflenen bir sistemin komponentleri zerinde HAD
analizleri ve deneysel almalar yapmlardr. Tm evrim boyunca hedeflenen
termodinamik zellikler gsterilmitir.
Matsuo ve ark. (2003) Tokyo niversitesinde yaptklar almada 8 mm apl
metal fanlar retmek iin 5 eksenli mikro-frezeleme yntemini kullanmtr.
Peirs ve ark. (2004) 10 mm apnda tek eksenli bir trbin modeli zerinde
aratrmalar yapmlardr. Paslanmaz elikten EDM metodu ile retilen bu trbin
160.000 dev/dakta kadar test edilmitir. %18 verimle alan trbin 28 W mekanik g
k vermitir ve bu bir jeneratre balanarak 16 W elektrik enerjisi elde edilmitir.
Peirs ve ark. (2003) 10 mm apnda bir eksenel trbin ve bir radyal kompresr
ieren bir sistem iin 130.000 dev/dakya varan hzlarda ve 330 Cye varan
scaklklarda bir takm testler yapmlardr. Bu testler sonucunda %20 24 aras verim
ile 50 Wa kadar mekanik g k elde edilmitir. Jeneratre balanan sistem 36 W
elektrik g k salamtr.
Peirs ve ark. (2006) rotor ap 20 mm ve hedeflenen elektrik g k 1 kWcivarnda olan bir sistemin gelitirilmesi zerine almlardr. Bu sistemin boyutlar 95
mm ile 120 mm boyutlarndaki bir silindire edeerdir. Bu alma mevcut tez
almasnn daha nceki almalarn iermektedir. Mevcut tez almasndaki tasarm
artlar irdelenmi ve kullanlabilecek malzeme ve malzeme retim metotlar
aratrlmtr.
Reynaerts ve ark. (2006) yine bu tez almasnn konusu olan ayn sistem zerinde
al
malara devam etmitir. Bu al
mada proje grubunun yapt
yanma odas
iin vetrbinden kompresre olan s transferi HAD analizleri gsterilmitir. Yataklar iin
yaplan testler ve 5 eksenli frezeleme yntemi ile polimer malzemesinden retilen
kompresr rnei almann dier aratrma konulardr.
Tucillo ve ark. (2000) yaptklar almada bir mikro gaz trbinin deiik termal ve
elektrik durumlar altnda davrann incelemilerdir.
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
18/114
5
Tucillo (2005) hem kararl hem geici rejim artlar altnda bir mikro gaz trbin
sistemi zerine almalar yapmtr. Farkl yakt salama yntemlerinin de ele alnd
almada s geri kazanmnn da etkisi aratrlmtr.
Van den Braembussche (2005) yapt almada gaz trbinlerinin mikro boyutlara
indirgenmesiyle karlalabilecek sorunlar aratrmtr. Bu almada, lekleme ile
termodinamik zelliklerdeki deiimler vurgulanmtr. Ayrca kanat kalnlnn
yksek devirlerde merkezka kuvvetlerinin neden olduu gerilmelere olan etkisi sonlu
elemanlar yntemi ile yaplan analizlerle aratrlmtr.
Verstraete ve ark. (2006a) ve (2007) mevcut tez almasnda da anlatlan,
multidisipliner optimizasyon ynteminin sras ile trbin ve kompresr iin
uygulamasn anlatlmtr. Belirli snrartlar altnda gerilme ve ak analizleri sonucu
elde edilen trbin ve kompresr geometrisinin multidisipliner optimizasyon yntemi ile
elde edilmesi bu almalarn temelini oluturmaktadr. Ama trbin ve kompresrde
yksek verim elde ederken merkezka kuvvetlerden dolay oluan gerilmeleri
drmektir. Bu almalar mevcut tez almas boyunca, yeni geometriler elde ermek
iin tekrarlanmtr. Bu nedenden dolay, bu almalar detayl bir biimde Radyal
Kompresrn Multidisipliner Optimizasyonu bal altnda anlatlmtr.
Verstraete ve ark. (2006b) mevcut tez almasnn aratrmas olan mikro gaztrbin sistemi ierisindeki s transferinin performans zerine etkilerini aratrmlardr.
Trbin ve kompresr arasndaki yksek scaklk farknn kk boyutlarda
komponentlerin verimlerinde neden olaca d, almann temel aratrmasdr.
Mevcut tez almas kapsamnda bu almann verilerinden yararlanlmtr.
2.2 Model ve Simlasyon
Alexiou ve Mathioudakis (2005) bir turbofan modelinin kurulmas
nda, mevcut tezalmasnda mikro gaz trbin evriminin simule edebilmek iin kullanlan program
olan EcosimProyu kullanmlardr. Bu almada, evrimin, hem kararl hal hem geici
rejim artlarda analizleri yaplmtr ve programn zellikleri hakknda bilgi verilmitir.
Mevcut tez almasnda mikro gaz trbin evriminin simlasyonu iin EcosimPro
programnn kullanlmasna balanmasyla, programn renilmesinde en ok
faydalanlan ksm programn kullanc klavuzu olmutur. Ayrca sistem benzerlii ile
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
19/114
6
program ierisinde mevcut olan turbojet ktphanesi bu alma boyunca olduka katk
salamtr.
2.3 Tezin Amac, Katks ve Yenilikleri
Literatr taramasndan grlecei zere, mikro gaz trbinlerinden g retimi
zerine birok alma mevcuttur. Bu almalarn birou halen devam etmektedir. Bu
almann da konusu olan sistem iin de getiimiz 3 yl boyunca birok alma
yaplmtr. Fakat bu almalarda, tm evrimin termodinamik analizi henz
incelenmemitir.
Bu almada tm evrimin termodinamik simlasyonu, u ana kadar yaplan ve
gelitirilmekte olan komponentlerin verileri kullanlarak, simlasyon program
(EcosimPro) ile gerekletirilmitir. Bu alma boyunca ayrca, daha ncede
gerekletirilmi olan, multidisipliner optimizasyon yntemi ile geometrilerin elde
edilmesi, geometrilerin iyiletirilmesi amacna ynelik tekrarlanmtr. Tezin amac
gelitirilmekte olan komponentlerin bir araya getirilerek simule edilmesi ve mevcut
alma noktalarnn tespiti olarak nitelendirilebilir. Bu ama dorultusunda farkl
parametrelerin tm evrime olan etkisi de aratrlmtr.
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
20/114
7
3. MATERYAL VE YNTEM
Bu blmde ncelikle mikro gaz trbinleri hakknda genel bilgiler verilecektir.
Termodinamikartlar ve leklemenin sonular yine bu blmde incelenecektir. Dahance bahsedilen multidisipliner optimizasyon yntemi anlatlacaktr. Tm evrimin
termodinamik analizinin incelenmesi ve son olarak sistemin EcosimPro programnda
tanmlanmasndan yine bu blmde bahsedilecektir.
3.1 Mikro Gaz Trbinlerinden G retimi
Son yllarda mikro-gaz trbinleri zerinde artan bir ilgi sz konusudur. Byk enerji
younluklar (Wh/kg) bu tanabilir g retim sistemlerini cazip hale getirmektedir. Isve g retim sistemlerinin birlikte kullanlabilecei bu tr aralarn, gelecekte birok
uygulama iin alternatif g kayna olabilecei dnlmektedir.
Bu almann konusu olan mikro-gaz trbin sistemi temel olarak ekil 3.1de
gsterildii gibi kompresr, s deitiricisi, yanma odas, trbin ve elektrik
jeneratrnden olumaktadr.
ekil 3.1 Mikro-gaz trbin tasla
Byk gaz trbinleri ile mikro-gaz trbinleri arasndaki temel fark, neredeyse hi
deimeyen termodinamik evrim boyunca kullanlan gazn miktardr. Bu nedenle
hzlar, scaklk ve basn deerleri kltme yaplrken ayn kalmaktadr. Kompresr
veya trbinin akkan ile arasndaki i ilikisi evresel hz ile orantldr. Bu durum devir
ile ap arasnda ters orant olduunu gsterir ve 20 mmden daha dk apl rotorlarda
500.000 dev/dakdan daha fazla dnme hz sonular ortaya karmaktadr.
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
21/114
8
3.1.1 Mikro-gaz trbinlerinin avantajlar
Kk gaz trbinlerinin en byk avantaj, yakt bazl sistemlerde yksek enerji
potansiyeli salayan bir g sistemi olmas
d
r. Bununla birlikte, iletme esneklii,sistemdeki fazlalk ve sistem dayankll iin de avantajlar sunar. Kompaktlk ve
tanabilirlik dier avantajlar olarak saylabilir.
Yksek enerji younluu potansiyeli
Daha nce belirtildii gibi kk bir gaz trbinin, gnmzdeki bataryalara kar en
nemli avantaj, yksek enerji younluk potansiyelidir. Aslnda bu avantaj, hidrokarbon
ve hidrojen bazl yaktlarn enerji younluundan kaynaklanmaktadr. rnek olaraku
andaki modern arj edilebilir bataryalarn enerji younluu 100-150 Wh/kg
civarndadr. Bununla beraber gvenlik nedenlerinden dolay lityum bazl sistemler iin
teorik olarak ulalabilecek maksimum enerji younluu 1400-2000 Wh/kg
civarndadr. ekil 3.2den grld gibi yakt bazl sistemlerin potansiyeli ok daha
fazladr. Bu grafikte modern bataryalar, %10 verimli yakt bazl g retim sistemleri
ile karlatrlmtr.
ekil 3.2 Mikro-gaz trbini ile bataryalarn enerji younluklarnn karlatrlmas
Kaynak: Decuypere ve Verstraete 2005.
ekil 3.2den hidrojenin, yksek enerji younluundan dolay, gaz trbinlerinde
kullanlabilecek en yksek potansiyele sahip yakt tr olduu aktr. Her eyden
nemlisi hidrojenin evre dostu olmas, yakt olarak tercih edilmesinde en nemli
etkenlerdendir. Ancak bu sadece sistemin arl snrlandrldnda geerlidir.
Sistemin hacmi nemli bir konu ise, hidrojenin yksek enerji younluu avantaj
yannda, dk younluu byk dezavantaj olacaktr. Sv hidrojenin younluu,
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
22/114
9
hidrokarbon yaktlarnkinin yaklak sadece %10u kadardr. Her eyin tesinde
hidrojenin kullanlmas, kolay alevlenebilmesi ve tutumas iin dk enerji yeterlilii
nedenlerinden dolay beraberinde gvenlik sorunlarn ortaya karmaktadr. Yksek
arlk ve hacimde enerji younluu elde edebilmek iin bir hidrokarbon yakt
gereklidir. Propan kararl karakteristii ve yksek enerji younluu dolaysyla parlak
bir alternatif olarak grlmektedir.
Enerji younluu avantaj haricinde, yakt bazl g retim sistemleri g
younluu avantajna da sahiptir (ekil 3.3). Daha yksek enerji younluklu bataryalar,
normalde yksek i dirence sahiptirler. Bu yksek i direnten dolay daha uzun mrl
olurlar. Mar sistemi veya tanabilir elektrik aralar gibi, kW byklndeki elektrik
motorlar ieren uygulamalarda, mikro-gaz trbinleri olduka iyi bir alternatif
sunmaktadr. Fakat pistonlu motorlar gibi yksek termal verimin gerekli olduu
sistemlerde alternatif g sistemi olarak dnlemez. Bunlarn tesinde, yaktl
sistemler g kaybetmeden uzun sre alabiliyorken, bataryalarn mrleri kstldr ve
bir zaman sonra arj edilmeleri gerekir. Fakat bu tam olarak hidrojen iin geerli
deildir. Kriyojenik depolanmasndan tr hidrojen baz ktlesini ve dolaysyla
potansiyelini kaybedecektir.
ekil 3.3ten grld gibi, iten yanmal motorlar genelde dier g retimsistemlerine kar ak bir avantaja sahiptir. Gaz trbinleri de bunun iin zel bir
uygulama olarak nitelendirilebilir. Yanmal motorlara kar en yar sistem, yakt
pilleri olarak gzkmektedir. Bununla beraber ekil 3.4ten grlecei zere yakt
pilleri yksek sistem arlndan dolay, g younluu bakmndan, yanmal motorlara
kyasla daha dk bir deere sahiptirler. Ayrca yine ayn ekilden mikro s
makinelerinin, yksek enerji gereklilii olan sistemlerde en kk sistem arln
ortaya koyaca
a
kt
r. Bunlara ek olarak, yak
t pillerinin mrleri k
s
tl
d
r ve pahal
platinyum ihtiyalar vardr.
Gaz trbininin, mmkn olan tek mikro s makinesi uygulamas olmad aktr.
ten yanmal mikro motorlar gibi birok mikro s makinesi uygulamalar dnya
apnda ngrlmektedir. Tm bu kavramlar g retiminin bir yaktn yanmas ile elde
edilmesine dayand iin, farkl sistemler iin avantaj ve dezavantajlar benzer olarak
dnlebilir.
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
23/114
10
Arttrlm sistem fazlal ve dayankll
Doal olarak mikro-gaz trbinleri kk boyutlarndan dolay avantaj salar. Nispeten
artan s kayplar ve dk komponent verimlerini ihmal edersek, birim gaz trbin
motor hacmi bana retilen g, geometrik olarak zde motorlar iin kompaktlk ile
ters orantldr.
ekil 3.3 Farkl seenekler iin g-enerjiyounluu aralklar.
ekil 3.4 Mikro s makinelerinin yakt hcrelerive bataryalar ile karlatrlmas.
Kaynak: Decuypere ve Verstraete 2005.
1PV L
(3.1)
P; motorun g k, V; motor hacmi,L; motorun karakteristik uzunluk lsdr.
Aka belli ki, yksek s kayplar ve dk komponent verimleri bu eilimi negatif
ynde etkilemektedir. Bununla beraber, byk gaz trbinlerine kyasla, birim hacim
bana retilen g, belirli bir optimum minyatrletirmeye kadar mmkn olmaktadr.
Ayn evrim koullarna (basn ve scaklk deerleri) sahip, geometrik olarak
benzer iki motor dnelim. Eer b motoru a motorundan 4 kat daha kk ise, b
motoru teorik olarak sadece a motorunun 1/16s kadar g retmektedir. Aslnda,
iletme koullarnn motor iinde ayn kald kabul edilirse, motorun gc, motordaki
yakt debisi ile orantldr. Dier bir deyile, byk motorlarn rettii ayn gc
retmek iin 16 tane kk motora ihtiya vardr. Fakat bu 16 motorun hacmi, byk
motorun hacminin sadece n oluturmaktadr. Eer, iyapdaki ykseks transferi
ve dk komponent verimlerinden dolay, kk motorun gcnn iki kat azald
dnlrse, byk motorla ayn gc elde etmek iin, sadece byk motorun hacminin
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
24/114
11
yars kadar toplam hacme sahip olan kk motorlara ihtiya vardr. Bu hacim kazanc,
sistem fazlal ve gvenilirliinin salamak iin, daha fazla kk motorun eklenmesi
iin kullanlr. rnek olarak eer fazladan eklenen motor says 4 ise, btn sistem,
ancak en az 5 motorda hata oluursa bozulmaktadr.
Sistem fazlalndan baka, g retim sorumluluunun birok motora datlmas dier
bir avantajdr. Son olarak, ksmi yklemede ( dk TGS ve dk devir saylarnda),
btn motorlar altrlmayp sadece gerekli olanlar altrlabilir ve bylece tm
sistem veriminde, byk bir motorun ksmi yklemede alma durumuna gre, daha
yksek verime ulalabilir(Decuypere ve Verstraete 2005).
Artan ilevsel esneklikMikro-gaz trbinlerinin, tanabilir g retim sistemlerinde, bataryal sistemlere gre
salad dier avantajda, bataryal sistemlerin arlnn artmasna neden olan yedek
batarya tama gereklilii olduu durumlardr. Yedek batarya tanmamas durumunda
ise mevcut bataryann tekrararj olmas zaman almaktadr. Mikro-gaz trbini gibi yakt
bazl g retim sistemleri kullanld zaman, orijinal kartu yenisiyle kolayca
deitirilebilir. Doal olarak tanacak ilave kartu sisteme ek arlk getirecektir, fakat
bu ek yk bataryalara kyasla ok daha kk olacaktr. Baz uygulamalarda da merkezi
bir yakt tank kullanlarak, birok kk motorun ayn anda altrlmas avantaj
olarak kullanlabilir(Decuypere ve Verstraete 2005).
3.1.2 Mikro-gaz trbinlerinin dezavantajlar
Dier g retim sistemlerine kyasla mikro-gaz trbinlerinin en byk dezavantaj
yksek g k iin gerekli olan yksek iletim scakldr. Basn oran 3 civarnda
kabul edildiinde, pozitif evrim verimi elde edebilmek iin minimum trbin giri
scaklnn 1200 K civarnda olmas gerekmektedir (http://www.powermems.be, 2006)
Baz askeri uygulamalarda ok nemli sorun tekil edebilecek, yksek trbin giri
scakl, tm sistemin kk boyutlarndan dolay ykseks enerjisi yaymasna neden
olabilir. Yakt pillerin dk iletim scakl bu konudaki en nemli avantajdr. Dier
nemli sorunlardan biri, minyatrletirmeyle beraber yksek viskoz kayplar ve dk
genel evrim veriminin ortaya kmasdr.
Byk gaz trbinlerinde, kanatlar i soutma ile soutulmaktadr. Fakat mikro
boyutlardaki (birka mm veya cm) trbinlerde soutma gnmzde mmkn deildir.
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
25/114
12
Bu yzden 1200 K ve daha st scaklklara gnmzde ancak seramik bazl
malzemeler kullanlmas ile ulalabilir. Kk boyutlardan kaynaklanan dier nemli
sorun, scak trbin ve daha souk kompresr arasndaki ar scaklk farkdr. Bu
scaklk fark, trbinden kompresre s aksn meydana getirir ve bu durum
komponentlerin verimlerinin ihmal edilemeyecek boyutlarda dmesinde rol oynar.
Ayrca gnmzde bu boyutlardaki aero-termodinamik hakknda ok az bilgi
mevcuttur. Mevcut trblans modellerinin ve ak zclerin bu kadar dk Reynolds
saylarnda ne kadar doru sonular verdii hala belirli deildir.
Yksek scaklk ve gvenlik nlemlerinden baka, yanm atk gazlarn teneffs
edilmesi sal
k a
s
ndan sorun douraca
ndan, kapal
ortamlarda havaland
rmasistemlerinin kullanm gereklidir. Ayrca, srekli hava akndan dolay meydana
gelecek ses seviyeleri de sorun olabilir. Son olarak, uzaktan kontroll yakt tanklar
kullanldnda tama da sorun olabilir. Aka belli ki, mikro-gaz trbinlerinde
kullanmdan kaynaklanan sorunlardan nce, sistem veriminde nemli gelitirmeler
yaplmas gerekmektedir.
3.1.3 Mikro-gaz trbin uygulamalar
Mikro-gaz trbinlerinin uygulama alanlarn 2 ana grupta toplamak mmkndr.
Birincisi bu almann da amac olan tanabilir g retim sistemleri dieri ise itki
gc veya bir tat ilerletmek iin kullanlabilecek g retim sistemleridir.
Tanabilir g retim sistemleri
Daha nceden belirtildii gibi, bataryal g retim sistemlerine kyasla, mikro-gaz
trbinlerinin en byk avantaj ulalabilecek yksek g ve enerji younluudur. Fakat
birok gvenlik durumlar bu durumu snrlandrmaktadr (rnein, gvenliin ok
nemli olduu askeri veya bina yaplarnda olduu gibi). Gnlk hayatta bu tr
sistemlerin, tanabilir g retim sistemi olarak kullanm gnmzde kstl
gzkmektedir.
Askeri uygulamalar
Askeri uygulamalar iin yeni teknolojiler (gece gr, kzltesi, bilgisayar
ekranlar, iletiim vb. ) beraberinde tanabilir g retim sistemlerinin geliimini de
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
26/114
13
zorunlu klmaktadr. Baz zel durumlarda, yksek g ihtiyac ve bataryalarn dk
enerji younluundan dolay, bir askerin 50 kga yakn tehizat ile donanmas
gerekebilir. Mikro-gaz trbinlerinin kullanm, bu ykn azalmasnda yardmc olabilir.
Bununla birlikte, bataryalarn pekte baarl olamad birok askeri uygulamalarda bu
a kapatacak yeni bir g retim sistemi olarak dnlebilir. Bu uygulamalarn
bazlarekil 3.5te gsterilmitir.
ekil 3.5 Mikro-gaz trbin uygulama alanlar
Kaynak: Isomura 2005.
Sivil uygulamalar
Yksek scaklktaki egzoz gazlarndan ve gvenlik sorunlarndan dolay, mikro-gaz
trbinlerinin sivil uygulamalar snrlandrlm olacaktr. Hastane ve konut gibi yerlerde
ncelikle kullanm uygun grlmemektedir. Gvenlik nedenlerinden dolay yakt
pillerinin bu alanda daha faydal olaca gzkmektedir. Mmkn olabilecek baz sivil
uygulamalarekil 3.6da gsterilmitir.
ekil 3.6 Mikro-gaz trbininin baz sivil uygulama alanlar
Kaynak: Decuypere ve Verstraete 2005.
ekil 3.6da sol tarafta kablosuz bir matkap varken sa tarafta ise cep telefonu arj
nitesi gsterilmitir. Eer gvenlik sorunlarnn stesinden gelinebilirse, diz st
bilgisayar, cep bilgisayarlar vb. sistemler direkt veya harici batarya arj mekanizmas
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
27/114
14
ile mikro-gaz trbini kullanlarak glendirilebilir. Matkap, testere, byk kartrc
makineleri vb. bu alanda byk bir market oluturmaktadr.
Dier mmkn olan nemli uygulamalardan biri uu kontroldr. Bir dieri henz
gnmzde mikro-gaz trbinlerinden yararlanamadmz itki gc olabilir. Kompakt,
hafif, yksek g ve enerji younluu ieren itki g sistemleri gnmzde nemli bir
ihtiyatr.
3.2 Termodinamikartlar ve lekleme
Termal g retim sistemleri birok disiplini bir arada iermektedir. Sistem tasarm
komponentlerin akkan tarafndan etkilenmesi, yapsal mekanik gerilmeler, malzeme,
elektriksel ve retim yntemlerini ierirken, btn sistemin yaps termodinamik
yasalarna bal olarak gelimektedir. Mikro leklerde, mekanik ve elektronik
komponentlerin tasarmndaki fiziksel kstlamalar, geleneksel lekteki sistemlere gre
olduka farkldr.
Kavramsal olarak gnmzdeki hibir termodinamik sistem mikro lekli
sistemlerle gerekletirilemez. Brayton ve Rankine evrim makineleri srekli ak
cihazlar iken Otto, Diesel ve Stirling evrimli motorlar kesikli akldr.
Genel olarak mikro-gaz trbinleri, bir kompresr, bir yanma odas ve yanma sonucu
oluan gaz akmnn trbinde geniletilmesi ile kompresrn evrilmesi iin gerekli
gcn salanmas eklinde alrlar. Bu makinelerde izlenen proses, hava girii,
sktrma, genileme ve egzoz kanalndan olumaktadr. Atmosfer havas kompresrde
emilir ve sktrlr. Sktrmadan dolay scaklk ve basn artacaktr. Hava bundan
sonra yanma odasna geer ve burada yakt tankndan pskrtlen yakt ile karr.
Yanan yakt gaz scakln ykseltir ve gazlar mekanik iin elde edilecei trbin
boyunca geniler. Elde edilen iin bir ksm kompresr altrmak iin kullanlrken
geri kalan i ise dier amalar (bu almada elektrik enerjisi elde etmek iin jeneratre
iletilir) iin kullanlr. Bu almann da konusu olan enerji elde etmek iin kullanlan
sistemlerde, trbinin rettii g kompresr altrmak iin gereken gten daha
fazladr. Mikro-gaz trbininin verimini arttrmak iin s deitiricisi kullanm bu
almann aratrma konularndandr.
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
28/114
15
Bir makro lekli (giri ap metre byklnde olan) gaz trbini yaklak olarak 100
MW g retebilmektedir (Epstesin 2003). Bylece, bu makine milimetre lekli olacak
ekilde minyatrletirildiinde g bana birim hava ak sabit kalsayd, onlarca watt
enerji elde edilebilirdi. Bu denli bir g younluu, yanma odas k scaklnn
1200-1600 K ve rotor evresel hznn 300-600 m/s civarnda olmasn gerektirmektedir.
Bunun sonucu olarak, dnel komponentler (kompresr, trbin) merkezka
kuvvetlerinden dolay yzlerce MPa gerilmeye maruz kalmaktadr.
3.2.1 Mikro-gaz trbininde lekleme (Minyatrletirme) etkisi
Mikro-gaz trbin komponentlerinin aerodinamik tasarm boyunca, byk turbo
makineler iin kullanlan bilgisayar yazlmlarnn, bu denli kk Reynolds saylar,
adyabatik olmayan ak ve nispeten byk yzey przllnde ne kadar geerli
olduu tartma konusudur. Bu alanda zel almalar devam etmektedir.
Minyatrletirmenin turbo makinelerin performans ve yapsnda ve yakt seimi
zerinde birok etkileri vardr. Bu etkiler aada sras ile detayl bir ekilde
incelenmitir.
Minyatrletirme ile artan g younluu
Boyut analizleri, turbo makinenin rettii gcnP, gaz younluu ile doru, apn
(D) 5. derecesi ile ve dnme hznn 3. derecesi ile orantl olduunu gstermektedir
(Peirs ve ark. 2002).
5 3P D n (3.2)
Birim hacim bana g (V D3) bylece;
2 3PD n
V (3.3)
Trbin boyutundan bamsz olarak ayn termodinamik deiimleri istenmektedir, bu
nedenle trbin evresel hz sabittir. Bu en uygun alma artlarnda, boyut ve hz ters
orantldr.
D x n = sabit (3.4)G younluu bylece akkan younluu ile ters orantldr.
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
29/114
16
1P
V D (3.5)
Bylece minyatrletirme ile turbo makinelerin g younluu artmaktadr. Bir
turbo makineyi k tane her birinin gc turbo makinenin gcnn kda biri olan kk
turbo makineler ile yer deitirildiinde, toplam hacim ve ktle k faktr ile
azaltlabilir. Bu ktle azalm havaclk ve uzay uygulamalarnda son derece nemli bir
avantajdr. u ana kadar belirtilen lekleme kurallar ancak sabit Reynolds saysndan
bahsedildii zaman deerlendirilebilir. Minyatrletirme ile Reynolds says azalmakta
idi, buda g younluu zerinde negatif bir etkiye sahiptir. Ayrca minyatr turbo
makinelerin g younluu teknolojik nedenlerden dolay snrlandrlmtr. Kk
turbo makineler, byk makineler gibi ayn hassasiyette yaplamaz, bu nedenle
performanslar lekleme kurallar ile tahmin edilenden daha az olacaktr. Boyutlarn
klmesi ile bnyedeki s transferi artmaktadr ve kanatlarn soutmas mmkn
olmamaktadr. Performans dmne neden olan dier etkenler sonraki balklarda
incelenmitir.
Yksek devir says
Termodinamik byklklerin (T,P) evrim boyunca korunumu, devir saysnn ap
ile ters orantl deiimini beraberinde getirmektedir. 10 mm apl bir trbin iin bu
deer 650.000 dev/dakya kmaktadr (Peirs ve ark. 2002). Bu hz ayn zamanda
rotorun patlamasna neden olacak hz ile snrlandrlmtr. Bu patlama hz belirli bir
rotor geometrisi ve malzemesi iin sabit bir deerdir ve dolaysyla boyuttan
bamszdr.
Dk Reynolds says
Reynolds says ak karakterize eder ve u ekilde tanmlanr;
uLRe
= (3.6)
Burada u; karakteristik hz, L; karakteristik uzunluk ve ; kinematik viskozitedir.
Hz basn oran ile ifade edildiinden boyuttan bamsz olarak dnlebilir. Bylece
Reynolds say
s
boyutla doru orant
l
d
r ve bu nedenle minyatrletirme ile
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
30/114
17
azalmaktadr. Kk trbinler iin ak daha az trblansl ve daha fazla laminer
olacaktr. Bu da demektir ki, viskoz srtnme kayplar daha fazladr ve hava yakt
karm daha yavatr. Bunlarn her ikisi de verim ve g younluu zerinde negatif
etkiye sahiptir.
Hzl kalk ve durma
Rotorun kk ataleti, trbinin ksa srede durup kalkmasna olanak vermektedir.
Bu, gcn dzenlenmesini kolaylatrmaktadr. Bu durumda, trbin en uygun hzda
altrlabilir ve jeneratrden sabit voltaj retilmesi salanabilir.
Artan s transferi
Artan yzey/hacim oran beraberinde bnye ierisinde daha yksek s transferini
meydana getirmektedir. Artan termal kayplar, trbin verimi zerinde negatif etkiye
sahiptir. ok kk boyutlarda yanma ile oluan s ve s kaybnn fark daha fazla
karm tututurmak iin yeterli olmayacaktr. Dier etki ise, scak ve souk paralar
arasndaki s yaltmnn ok byk bir sorun haline gelmesidir.
Kanat kalnl ve przll
ok kk boyutlandrlmalarda turbo makineler iin kullanlan nceki kurallar herzaman geerli olmayabilir. Daha kk geometriler iin gerekli olan farkl retim
tekniklerine, iletme veya mekanik nedenlerden dolay kullanlan yeni malzemelere
bal olarak kstlamalar meydana gelebilir. Kanat kalnln, fan apna orantl olarak
leklemek, oklara veya dier mekanik zorlanmalara kar yeterli mekanik dayanm
olmayan ok ok ince kanat kalnlklarna neden olur.
Sonlu elemanlar hesaplamalar (FEA) ayrca gstermitir ki, kanatlar kalnlatrmak ve
daha byk apl
kanat kkleri, gerilmeleri azaltmak iin gerekebilir. Bununla beraberakkanlar mekanii hesaplamalar (CFD) ise, kanatlarn belirli bir katsay ile
kalnlatrlmasnn, verimde yaklak %6 civarnda bir dme neden olduunu
gstermitir (Van den Braembussche 2005).
3.2.2 Minyatrletirmenin komponentler zerindeki etkisi
Dk Reynolds saylarnda dnel bir kanalda, ak PIV (Particle Image Velocity)
yntemi ile incelemek iin bir dzenek hazrlanm ve lmlere gre geleneksel
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
31/114
18
trblans modellerinin dnel efektleri hesaplamada yetersiz kald grlmtr. Kk
boyutlar kompresr ve trbinin verimini azaltmaktadr. retim toleranslar
ulalabilecek minimum boluklar kstlamaktadr. Bu yzden gerekli basn oranna
ulaabilmek iin yksek evresel hzlar gereklidir (Reynaerts ve ark. 2006).
Yanma odas iin kstlamalar
Yanma odasnn kk olmas beraberinde 3 zel problemi ortaya karmaktadr.
Yakt ve hava arasnda dk karma neden olan dk Reynolds says (sonu
olarak laminer ak)
Yanma istikrar iin elverisiz kk Damkhler says (yanma odas konaklama
sresi / karakteristik kimyasal reaksiyon sresi oran
) Yksek yzey/hacim oranndan dolay darya olan yksek kayplar
Kompresr ve trbin
Daha ncede bahsedildii gibi, btn komponentlerin verimi kritik bir unsurdur. Bu
zellikle verimlerinin %60 70 civarnda olmas gereken kompresr ve trbin iin
geerlidir. Dolaysyla dk Reynolds saylarnda, artan s transferinde ve nispeten
dk doruluktaki geometrilerde gerekli verime ulaabilmek gerekten zordur. Mikro
boyutlarda, 3 boyutlu yeterli derecede hassas ve dk przllkte fan retmenin
zorluu apak ortadadr.
Kompresr ve trbin retimi
Bu almada basit tek kademeli radyal kompresr tasarm seilmesinin nedeni,
radyal kompresrlerin tek kademede daha yksek basn oran salamasndandr (Peirs
ve ark. 2003). Eksenel kompresrler ise gerekli basn orann salayabilmek iin birden
fazla kademeye ihtiya duyarlar ve kanatlar
n
n geometrisi daha kritiktir. retimdekitemel zorluk hem kompresrn hem trbinin 3 boyutlu fanlardr. Hassasiyet ve
znrlk asndan litografik teknikler en iyi sonular verse de, bu teknik trbin iin
daha iyi performans salayan 3 boyutlu rotor geometrisinde baarl olamamaktadr. Bu
nedenlerden dolay litografi sadece en kk mikro-trbinlerde (4-10 mm)
kullanlmtr. Mesoskopik (mikro ve makro aras) trbinlerde (8-20 mm) dier
prosesler kullanlmtr. Stanford 12 mm apnda silikon-nitrit bir rotor retmek iin,
geici balmumu kalb ieren jel dkme tekniini kullanmaktadr (Kang ve ark. 2003).
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
32/114
19
Kalp SPM (Shape Deposition Method) yntemi ile tabaka tabaka oluturulmutur.
Tokyo ve Tohoku niversitesi 8 ve 10 mm apl metal fanlar retmek iin 5 eksenli
mikro-frezeleme yntemini kullanmaktadr.
Bu projede bir metal kompresr ve bir seramik trbin kullanlmaya karar verilmitir.
Kompresr, 5 eksen mikro-frezeleme ile retilecek ve aft ile birlikte yekpare metal
paradan olumaktadr. ekil 3.7 kompresr iin, ap 1mmye kadar drlen
frezeleme aralar ile yaplm ilk test almalarn gstermektedir. Bu balang
numunesinde dallandrc kanatlar eklenmemitir. Son kompresr geometrisinde
dallandrc kanatlar olacaktr. Dallandrc kanatlarn amac, daha sonra anlatlacak olan
alkant
ak
hatt
ndan uzaklamak ve boulmaya daha yak
n olabilmek iindir.
ekil 3.7 Kompresrn 5 eksenli frezeleme ileretim testi (ap 20 mm).
ekil 3.8 Trbinin 3 eksenli EDM yntemiile retim testi (ap 26 mm).
Kaynak: Peirs ve ark. 2006.
Trbin iin kullanlan Si3N4 TiN seramik kompozit (Kersit 601) malzemesinden
dolay, trbin fan retimi daha zordur. Bugnlerde seramik prototiplerin retimi iin
aratrlan teknolojilerden biri EDM (Electro Discharge Machining) metodudur. ekil
3.8 tek bir trbin kanadnn 3 eksenli EDM frezeleme yntemi ile retilmi bir test
numunesini gstermektedir. Burada, 3, 2 ve 1 mm apl bakr elektrotlar kullanlmtr.
EDM metodu ile retilebilir olmann tek art, malzemenin yeteri kadar iletken
olmasdr. Kersit 601 titanyum nitrid fazn iletkenliinden (0.0013 W.cm) dolay EDM
metodu ile kolayca ilenebilir. Bununla beraber, bu malzeme bu tr uygulamalarda 2 tr
problemle karlar. Birincisi, EDM kvlcmlarnn plazma kanallarndaki yksek
scaklndan dolay, silikon nitridin ayrmas ve nitrojen kabarcklarn olumas ve
bunun sonucu olarak ak kayplarnda negatif etkisi olan ok yksek yzey
przllnn olumasdr. kinci problem, yksek scaklklarda bileikteki
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
33/114
20
titanyumun okside olmasdr. TiN ierisindeki titanyum, yzey boyunca yaylarak,
neredeyse saf TiO2 tabakasmeydana getirir. Oksijen ieriye doru nfuz ederek TiO2 ve
SiO2 oluturur. Dikkat edilmesi gereken husus, etkilenen bu tabakada ve zellikle TiO2
tabakasnn hemen altnda meydana gelen boluklardr. Zamanla bu boluklar TiO2
tabakasndan ayrlarak artacaktr. Bu nedenden dolay Kersit 601 rnekleri, 3 m
kalnlndaki saf silikon nitrid (CVD Chemical Vapour Deposition) ile kaplanmaktadr.
leride seri retim iin ngrlen retim ekli seramik toz enjeksiyon kalp yntemidir.
Daha sonra kaplama gereini ortadan kaldran saf silikon nitrid kullanlabilir (Peirs ve
ark. 2003).
Is deitiricisiGaz trbinlerinin tasarmnda, ortalama yakt tketimini azaltmak iin, enerjinin
verimli kullanlmas son derece nemlidir. Isdan geri kazanm gaz trbinlerinde genel
evrim verimini arttrmak iin sklkla kullanlan bir yntemdir. Fakat kk boyutlarda
bu gelitirme soru iaretidir. Bilindik gaz trbinleri ile kyaslandnda, ulalabilir
basn oranlar ve trbin giri scakl nemli derecede dk, basn kayplar da
olduka yksektir. Sisteme s deitiricisi eklendiinde elde edilen avantajlar, s
deitiricisi kanallarndaki basn vb. kayplarn dezavantajlarndan fazla olmaldr ki
sisteme bu ilave gz nnde bulundurulsun. deal olarak, ulalabilir maksimum hacim
kstlamalar dorultusunda kanallar ksa ve olabildiince fazla olmaldr.
Gaz trbin boyutundan bamsz olarak, termodinamik analiz ilk nce s
deitiricisinin basn kayplarnn, tercihen souk tarafta (hava taraf) olmasn
gerektirmektedir. Nispeten dk basn ve yksek scaklktan dolay, scak taraftaki
(gaz taraf) kanallar, souk taraftakilerden byk olmal. nk hacimsel ak ok daha
fazladr (=p/RT). zellikle kk boyutlarda yksek etkinlik ve dk basn
kayplar ile mikro s deitiricisi gelitirilmesi bal bana zor bir aamadr.
Geleneksel boyutlardaki s deitiricilerinde, gaz-hava s transferini daha iyi
salayabilmek iin iyi dizayn edilmi kanal biimleri kullanlmaktadr. Mikro lekteki
uygulamalar iin bu pahal ve retimi zor kanal biimlendirmelerinin yerine alternatif
tasarmlar gerekmektedir. u ana kadar mikro-gaz trbinlerinde, dier komponentler ile
bileik ekilde alacak uygun mikro s deitiricisi henz test edilmemitir. Genel
verimin mikro s deitiricileri ile arttrlmasna ynelik literatrde henz deneysel bir
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
34/114
21
alma sonucu rapor edilmemitir. Bu almada, s deitiricisinin genel verim
zerindeki etkisi aratrlmtr.
JeneratrTrbine balanan elektrik makinesi iki amaca ynelik olarak tasarlanmtr. Bu
amalarlardan biri trbin iin ilk altrma, dieri ise trbin kararl hale ulatnda
jeneratr grevi grmek zeredir. Bu makinenin iletme artlar 500.000 dev/dakya
kadar hzlarda ve 450-570 Ke kadar ulaan scaklklarda olacaktr. Bu nedenle
makinenin pozisyonu ve imalat nemli bir konudur. Yksek hzlar yksek mekanik
gerilmelere neden olmaktadr, bu nedenle rotorun geometrisi basit ekillere
indirgenmitir. Yksek h
z
n dier bir sonucu, yksek iletme frekans
d
r. Yksekfrekans elektrik devresinde eper etkisine ve manyetik devrede eddy akmlarna neden
olmaktadr. Mknatslar 400 K civarnda zelliklerini kaybettiinden, srekli soutma
kanlmazdr. Bakrn yksek zdirencinden dolay, bobinlerdeki kayplarda yksek
olacaktr. Hz ve scakln birbiri ile etkileimli olduu da aktr.
Prensip olarak radyal ve eksenel makineler (manyetik alan izgilerinin yn)
arasnda bir seim sz konusudur. Eksenel makineler, rotor ve stator arasnda, yataklar
tarafndan karlanmas gereken, yksek eksenel ekim kuvvetleri oluturmaktadr.
Radyal makineler iin, manyetik kuvvetler byk oranda birbirine kar koymaktadr. 2
radyal makine u anda aratrlmaktadr. Bunlar, srekli mknats senkronize makine ve
diren makinesidir. Birincisi rotor ierisinde srekli mknatsa sahipken, ikincisi
dayankl elik rotora sahiptir. Bu nedenden dolay diren makinesi doal olarak
merkezka gerilmelerine kar dayankldr. Makine boyunca manyetik akm, harici bir
enerji kayna veya srekli mknats ile harekete geirilebilen bobinler vastasyla
oluturulabilir. Yksek evre scaklklarnda bobinlerin kullanm ilgin olabilir, fakat
beraberinde ilave enerji tketimi getirmektedir. Mknatslarn scaklk sorunu,
jeneratrn, gaz trbininin kompresr tarafna konulmas ve giri havasnn soutma
kanallarndan geirilmesiyle, zlmesi dnlmtr (Peirs ve ark. 2006a).
Yataklar
Yataklar mmkn olan tm scaklk artlarndan etkilenmeden almaldrlar.
100C ve 1000C arasndaki scaklklarda yataklarn dzgn almas beklenebilir. Bu
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
35/114
22
yksek scaklklarda, ilk almadaki geici rejim scaklkartlar gibi, srekli ve kararl
alma artlar da yataklardan beklenen zelliktir. Statik yatak yk, balca hem
kompresrn hem trbinin giri ve k basn farklarndan ve rotor arlndan dolay
artmaktadr. Dinamik yk ise, manyetik jeneratr kuvvetleri, rotorun dengesizlii ve
titreimlerinden meydana gelmektedir. Yksek iletme hzlar, scaklklar ve dk
boyutlardan tr, uygun yataklarn tasarm, geleneksel yataklara gre olduka zordur
(Peirs ve ark. 2006a).
u ana kadar bahsedilenler zetlendiinde, mikro-gaz trbinleri iin ksaca unlar
syleyebiliriz; iyi mikro-gaz trbinleri, byk gaz trbinlerinin minyatrletirilmesi ile
elde edilenler deildir. Adyabatik olmayan s
k
t
rma ve genleme, tm termodinamikevrimi olumsuz etkilemektedir. Yanma sresi gibi, leklenemeyen zelliklerden
dolay, yanma odalar byk trlerinden olduka farkl olacaktr (Van den
Braembussche 2005).
Gaz trbin evrim boyunca meydana gelen entalpi ve basn deiimlerini elde
etmek iin gerekli olan ok yksek devir says ana mekanik problemdir. Yeni
malzemeler ve yeni retim teknikleri gerekmektedir. retim maliyetleri dk
olmaldr, nk yerini almas planlanan bataryalar ar fakat ucuzdur. nemli
problemlerden biri, minyatrletirme ile den kompresr ve trbin verimleridir.
Malzeme ve retim tekniklerinden kaynaklanan yksek przllk bu verim dmn
daha da arttrabilir. evrim verimindeki d mikro-gaz trbinlerini ekolojik ara
haline getirememektedir (Van den Braembussche 2005).
3.3 Radyal Kompresrn Multidisipliner Optimizasyonu
3 boyutlu ak nedeniyle radyal turbo makinelerin aerodinamik tasarm olduka
karmaktr. Bu tasarm srecini iki aamal olarak deerlendirebiliriz; makinenin genel
dzenini ortaya koymak iin ilk tasarm ve bunu takiben detayl tasarm. Btn kanat
geometrisi ve makine bir takm analizler sonucu gelitirilmektedir. Sonu olarak bu
tasarm sreci zaman alan ve pahal bir sre olabilir. Yeni tasarm metodu
gelitirilmesinin nedeni budur. Bununla beraber, turbo makinelerin verimlerini daha da
iyiletirmek iin, gvenilir ve ileri dzey HAD (Hesaplamal Akkanlar Mekanii)
yazlmlarn kullanmak en uygun geometriyi bulmak iin gerekli hale gelmitir. Bunun
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
36/114
23
dnda tasarm dngsnn ksaltlmas, multidisipliner kriterlerinde hesaba katlmas
iin yapay zeka ierisinde en son teknikleri kullanan neredeyse tam otomatik tasarm
srecinin de kullanlmas gereklidir.
Turbo makinelerin geometrisini optimize edebilmek iin birok farkl yntem
vardr. Hangi teknik seilirse seilsin, uygulanacak teknik minimum hesaplama eforu ile
en uygun geometriyi bulabilmelidir. Fakat dikkat edilmesi gereken bir husus, tm
sistemin yapsal salaml garanti altna alnmadan, elde edilen aerodinamik
performansn bir anlam olmaddr. Bu nedenle turbo makinelerin geometrisinin
optimizasyonu, multidisipliner yaklam ve minimum hesaplama sresini iermesi
gereken, olduka karma
k bir konudur.
Radyal kompresr geometrisinin multidispliner optimizasyonu iin kullanlan
metod, tasarm sresini ksaltmak iin, genetik algoritma ve yapay sinirsel a
kullanmaktadr. Ama yksek verim elde etmeye alrken ayn zamanda kanatlarda
merkezka kuvvetlerden dolay meydana gelen yksek gerilmeleri drmektir. Uzun
sren iteratif tasarm yaklamnn yerine, aerodinamik performans ve gerilme
ngrlerinin e zamanl analizi kullanlmtr. Aerodinamik performans, 3 boyutlu
Navier-Stokes analizleri ile maksimize edilirken, sonlu elemanlar yntemi ile
hesaplanan mekanik gerilmeler snrlandrlmtr. Gerilmeler, kanat kavisini, kanat
eilimini ve gbekteki kanat kalnln dzenleyerek kontrol edilmitir. Sonular
gstermitir ki, performans penalize etmeden merkezka gerilmelerinde nemli bir
d elde etmek mmkndr. Kompresr ve trbin karakteristik erileri,
multidisipliner optimizasyon sonucu elde edilen geometriler iin yaplan ak analizleri
ile elde edilmitir. Belirli bir hz (r: 375.000 dev/dak) izgisinde HAD analizleri farkl
basn oranlar iin yaplarak, belirli bir hzdaki eri elde edilmitir. Hem trbin hem
kompresrn dier hz erileri iin bir varsaym yaplarak karakteristik erileri
oluturulmutur. Karakteristik eriler daha sonra EcosimPro programnda, tm sistemin
termodinamik analiz hesaplamasnda girdi verisi olarak kullanlmtr.
Burada sadece kompresr geometrisi optimizasyonu anlatlmtr. Benzer admlar
trbin geometrisi iin de geerlidir. Detayl bilgi (Verstraete ve ark. 2006a, 2007)
kaynaklarndan bulunabilir. Bu almada radyal kompresr geometrisi seiminin
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
37/114
24
nedeni, tek kademede radyal turbo makinelerin daha yksek basn oranlar
salayabilmesidir (Isomura 2005).
3.3.1 Optimizasyon metodu
Optimizasyon metodu, von Karman Enstitsnde radyal akl fanlar iin
gelitirilmi bir aerodinamik optimizasyon yazlmnn uzantsdr. Optimizasyon
Algoritmas (ek. 3.17), Genetik Algoritma (GA), Yapay sinirsel a ( Artificial Neural
Network, ANN), veri taban (Database), Ak zc (Navier-Stokes Solver,
TRAF3D), ve Sonlu Elemanlar Gerilme Analiz yazlm (Stress Analysis, SAMCEF)
iermektedir. Bu metodun temel fikri, iki aamal optimizasyondur. nce, Genetik
Algoritma tarafndan oluturulan geometrilerin hesaplanmas ve aralarndan en iyisini
seilmesi iin hzl, fakat daha az doru analiz metodu (ANN) ve daha sonra ANN
ngrlerine gre seilen optimum geometriyi, ANN ngrlerini dorulamak iin,
daha doru fakat daha ok bilgisayar zaman alan Navier-Stokes ve gerilme
hesaplamalar ile analiz edilmesidir.
lk optimizasyondan elde edilen geometri veritabanna eklenmektedir. Her yeni
ANN uygulamasndan sonra, sonraki ngrlerin daha fazla bilgiye dayal olmasndandolay daha doru olmas beklenmektedir. Bu optimizasyon dngs Navier-Stokes ve
sonlu elemanlar analiz sonular, ANN ngrlerini dorulayana kadar devam
etmektedir.
3.3.2 Geometri tanmlamas
3 boyutlu radyal kompresr, gbek ve rtdeki d hatlar (ek. 3.10), ana ve
dallandrc kanat kavis erisi (ek. 3.11), ayn konumdaki kalnlk dalm (ek. 3.12)ve kanatlarn says ile tanmlanmtr. Gbek ve rt ksmndaki ak d hatlar hcum
kenarndan firar kenarna 3. dereceden Bezier erileri ile tanmlanmtr (ek. 3.10).
Kontrol noktalarnn koordinatlar, optimizasyon program tarafndan deitirilebilen
parametrelerdir. Tekil olarak bu noktalarn deiimleri ekil 3.10da gsterilmitir.
Birok kontrol noktas sadece 1.dereceden serbestlik derecesine sahiptir. nk bu
noktalar, eksenel giri veya radyal k garanti etmek iin dier parametrelere
balanmtr.
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
38/114
25
ekil 3.9 Optimizasyon algoritmas
rt hcum kenar ap, fan giri kanat yksekliini belirtmektedir. 3.dereceden Bezier
erileri ayn
zamanda giri k
vr
m
n
belirtmektedir. Radyal giri ve fan aras
nda dzgnbir balant elde edebilmek iin Bezier erisinin kontrol noktalar otomatik olarak
dzenlenmitir. Kanadn gbek ve rt kavis izgileri, meridyonel dzlem ve kanat
kavisi arasndaki (u) asnn dalm ile belirtilmitir. Gbek ve rtdeki
dalmlar kbik polinomlar ile belirtilmitir.
3 2 2 30 1 2 31 3 1 3 1( u ) ( u ) u( u ) u ( u ) u = + + + (3.7)
u [0,1], (hcum kenarnda 0, firar kenarnda 1)
Kavis izgisi evresel pozisyonu (ek. 3.11) u ekilde tanmlanmtr.
Rd dmtan = (3.8)
0 ve 3 hcum ve firar kenarndaki kanat alardr. Bu tanmlama gbek ve
rtdeki hem ana hem de dallandrc kanatlar iin kullanlmtr. Dallandrc firar
kenar alar, gbek ve rtdeki btn kanat deerleri ile ayndr. Buda kavis erisi
tanm iin 14 tasarm deikeninin olduu sonucunu ortaya karr. Dallandrc
kanadn ak yn pozisyonu da bir tasarm parametresidir. Ana kanat kavis
uzunluunun bir oran olarak tanmlanmtr ve %20 - %35 arasnda deiebilmektedir.
Gbek ve rtdeki kanat kalnlnn dalm 2 parametrenin fonksiyonuydu;
hcum kenarn ifade eden elipsin kalnl LE ve firar kenar kalnl TE (ekil
3.12). rtde kanat kalnl sabit tutulmutur (LE=TE=0.3 mm). Kanat kalnln
gbekte belirtilen bu 2 parametre tasarm parametreleridir ve deerleri 0.3 ile 0.6 mm
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
39/114
26
arasnda deiebilmektedir. Ayn deerler ana ve dallandrc kanatlar iin
kullanlmtr.
ekil 3.10 Bezier kontrol noktalar ile tanmlananak d hatlar
ekil 3.11ile tanmlanmkanatkavis erisi
Kaynak: Vertstraete ve ark. 2007
ekil 3.12 Kanadn kavis erisi boyunca kalnlk dalm
N.S. zc
Radyal kompresrn aerodinamik performansn belirleyebilmek iin TRAF3D Navier-
Stokes zc kullanlmtr. Btn hesaplamalarda veritabanndaki rneklerin
doruluunu karlatrmay garanti altna alabilmek iin yapsal H-grid elemanlar
(2x216x48x52 yaklak 1,080,000 hcre) kullanlmtr. Btn hesaplamalar belirtilen
duvar scaklna gre dayabatiktir.
FE Gerilme Analizi
Gerilme hesaplamalarnda ticari kod SAMCEF kullanlmtr. Eleman kalitesi ve
otomatik a yaps iin ikinci dereceden drt yzl (tetrahedral) elemanlar
kullanlmtr. Benzer grid yaps (250000 dm noktas ve 160000 eleman) btn
rnekler iin kullanlmtr. Gerilmenin byk kaca ngrlen alanlarda grid yaps
younlatrlmtr. Periyodik snr art kullanlarak geometrinin 1/7sine analiz
yaplmtr.
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
40/114
27
Yapay Sinirsel A (Artificial Neural Network, ANN)
Bu almada kullanlan yapay sinirsel a sistemi Stutgart niversitesinde gelitirilen
bir sistemdir. 8 ayr parametre kullanlmtr, biri verimi tahmin etmek iin, 2 tane
dallandrc kanadn her iki tarafndaki debiyi tahmin etmek iin, 4 tane tm ana ve
dallandrc kanatlarn gbek ve rtdeki Mach saysn tahmin edebilmek iin ve bir
tane geometrideki maksimum gerilmeyi tahmin edebilmek iin.
Genetik Algoritma
Bu almada kullanlan genetik algoritma Illinois niversitesinden David L. Carroll
tarafndan gelitirilmi olan bir algoritmadr. GAnn parametreleri daha nceki
al
malarda optimize edilmiti.
Veritaban
ANN ngrlerinin doruluu nemli lde veritabannda ierilen bilgiye
dayanmaktadr. DOE (Design of Experiments) metodu balang veritabann
oluturmak iin kullanlmtr. Bu metot veritabanndaki snrl saydaki geometriler
hakknda bilgi miktarn maksimize etmektedir. Her bir tasarm deikeninin iki deer
alabildii, A2k-p tasarm faktr kullanlmtr (k=23, p=17). Veritabanndaki
geometrilerin tasarm noktalarnn (ekil 3.10) aralklar %25 - %75 arasndadr.
Performans
Kompresr geometrisi optimizasyonu, aero dinamik performansn dmesiyle ve aero
ve mekanik gereksinimler gereklemediinde artan bir ama fonksiyonu (OF)
tarafndan srdrlmektedir. Ama fonksiyonu birok penalty iermektedir.
( ) . ( ) ( ) . ( ) . ( )gerilme gerilme n n debi debi Mach MachOF G w P G w P G w P G w P G= + + +G G G G G
(3.9)
lk penalt mekanik gerilmeler ile ilgilidir;
lim
lim
,0.0maks it gerilmeit
P maks
=
( )( )t c lG G G G basit tek aftlgaz trbini = +
(3.10)
Burada maks geometrideki maksimum gerilmedir. Bu penalt, geometrideki
maksimum gerilme, limit gerilme olarak tanmlanan limitin altnda olduu zaman
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
41/114
28
sfrdr ve von Misses gerilmeleri bu deeri atka lineer olarak artmaktadr. Bu zayf
formlasyon btn gereksinimleri garanti edememektedir. Bununla beraber, optimum
geometriyi bulabilmek iin analiz edilmi btn geometrilerin katlmnn avantajna
sahiptir. Ama fonksiyonundaki ikinci terim verim penaltsdr ve artan verimle birlikte
azalmaktadr.
0 0n reqP max( , . ) = (3.11)
Gerekli olan verim req, genellikle ulalamayacak deerlere gre (r: 1)
ayarlanmaktadr, bu nedenle dier penaltlarn aksine, bu penalt asla 0 olamamaktadr.
Bu da u demektir ki; dier btn gereksinimler yerine getirilse de, verim hala
maksimize edilebilir. 3. penalt
debi ile ilgilidir ve iki farkl
katk
salamaktad
r. Biridebideki hatay tehis ederken dieri debideki deiimi bulmaya yarar. lk penalt, debi
gerekli olandan %0,33den fazla deiim gsterdiinde artmaktadr.
2
,0.0300
req req
debi
req
m m mP maks
m
=
(3.12)
kincisi ise, dallandrc kanadn her iki tarafndaki debi farkn penalize etmektedir.
2
st alt debifark
st alt
m mP
m m
= +
(3.13)
Mach says zerindeki penalt, verim ve tasarm d (off-design) iletme artlarna
gre Mach says dalmn iyiletirmeyi hedeflemektedir. ki katks vardr; birincisi
negatif ykleme zerinedir. Negatif ykleme basn tarafndaki Mach saysnn emi
tarafndakinden yksek olduunda, emi ve basn tarafndaki alan ile orantldr (ekil
3.13).
1
0
0 0Mach ps ssP max M ( s ) M ( s ), . .ds = (3.14)
kinci Mach says penalts, ana ve dallandrc kanat arasndaki dengesiz ykleme
ile artmaktadr. Bu penalt, anaAbl ve dallandrcAsp kanatlarn Mach says dalmn
ifade eden, emi ve basn tarafndaki alan karlatrmaktadr (ekil 3.13).
2
bl sp
dengesizykleme
bl sp
A AP
A A
=
+ (3.15)
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
42/114
29
ekil 3.13 Dallandrc kanatl kompresrde negatif ve dengesiz ykleme.
Ama fonksiyonundaki (OF) ifadeler, uygulamaya bal olabilir ve performans veya
mekanik btnle nem vermeyi mmkn klmaktadr.
3.3.3 Tasarm koullar
Metot 500.000 dev/dak ile dnen 20 mm apl bir radyal kompresr geometrisini
optimize etmek iin kullanlmtr. ok yksek merkezka gerilmelerine neden olan
evresel hz 523,6 m/sdir. Sahip olduu yksek, akma gerilmesi/younluk (akma/)
oranndan dolay Elastisite katsays = 113.8E+9 Pa, poisson oran = 0,342 ve
younluu = 4.42E+3 kg/m3 olan Titanyum TI-6AL-4V malzemesi analizlerdekullanlmak zere seilmitir.
Ama fonksiyonundaki deer faktrleri, daha nceki optimizasyondan elde edilen
tecrbelere dayanmaktadr. Giri scakl ve basnc srasyla 293 K ve 101325 Padr.
Tasarm debisi 21 g/sdir. Fann duvar scakl, daha nceki mikro-gaz trbin
ierisindeki s transferi almalarndan elde edilen 400 K olarak tanmlanmtr
(Verstraete ve ark. 2006b)
Optmizasyon gerilme hesab yaplmam, basit aerodinamik optimizasyonun sonucu
ile balamaktadr (temel geometri). Bu geometrinin verimi iyi olmasna ramen,
kullanlamamasnn nedeni gerilme analizlerinde elde edilen 750 Mpaa varan von
Misses gerilmeleridir. Halbuki seilen malzemenin akma gerilmesi 450 Mpa
civarndadr. Bu geometri sonraki oluturulacak geometriler iin bir referans tekil
etmektedir. ekil 3.14 optimizasyon yaknsama gemiini gstermektedir. Navier-
Stokes ve FEA hesaplamalarnn sonucu olan, verime, Mach saysna ve debiye bal
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
43/114
30
olan Aero penalt, Gerilme penalt ve Toplam penalt, ANN tarafndan tahmin
edilenlerle karlatrlmtr. Buradan grld gibi iterasyon says arttka aradaki
uyumsuzluk azalmaktadr. Bu daha doru ANN tahminlerini salayan, veritabanndaki
modellerin saysnn ve dolaysyla bilginin artmasndandr. Her iterasyon bir
geometriyi ifade etmektedir ve bu geometriler arasndan en uygunu seilerek
optimizasyon sonlanr.
ekil 3.14 Optimizasyonun yaknsama gemii
Aero penalts ve gerilme penalts arasndaki iliki ekil 3.15de gsterilmitir.
Optimizasyon boyunca oluturulan geometrilerin hepsi dk penalt blgesindedirler
ve ou veritabanndakilerden daha stn performans gstermilerdir. Sadece
optimizasyon dngsnn bir ka geometrisi veritaban ile ayn oranda penaltlara
sahiptir. Bu geometriler ANNnin hala kusurlu olduu ilk 10 iterasyon boyunca
oluturulan geometrilerdir.
terasyon 17, 49 ve 25 en dk aero penaltya sahiptirler ve detaylar tablo 3.1de
gsterilmitir. terasyon 2 en yksek verime sahiptir (%60,4), fakat negatif ve dengesiz
yklemeden dolay yksek aero penaltya sahiptir. Bu geometri ekil 3.15de sa
taraftaki detayl grnmde araln dnda kald iin grlememektedir. Bu geometri
de (iterasyon 2) tablo 3.1e eklenmitir.
ekil 3.16 ve 3.17 temel geometri ile iterasyon 25 geometrisinin von Misses
gerilmelerini gstermektedir. Gerilmelerdeki etkileyici dn nedenleri u ekilde
belirtilebilir (Verstraete ve ark. 2007);
Hcum kenarnda, hcum kenar gbeinde dk merkezka kuvvetlere neden olan,
kanat yksekliinin azaltlmas
Gbekteki kanat kalnlnn artm
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
44/114
31
Kanat kavisinin dzeltilmesi ile merkezka kuvvetlerce daha az bkme zorlanmas
Benzer admlar trbin geometrisinin elde edilmesi iinde tekrarlanmtr. Elde edilen
bu geometriler iin ak analizleri yaplarak karakteristik erileri oluturulmu ve daha
sonra bir simlasyon programna bu karakteristik eriler empoze edilerek evrimin
termodinamik analizi yaplmtr.
ekil 3.15 Temel geometri, veritaban ve optimizasyon iin aero-gerilme penalt dalm
Tablo 3.1 Optimize edilmi geometrilerin temel geometri ile kyaslanmas
ekil 3.16 Temel geometride merkezkayklemelerden dolay von Mises gerilme
dalm
ekil 3.17 terasyon 25 geometrisindemerkezka yklemelerden dolay von Mises
gerilme dalm
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
45/114
32
3.4 Mikro-gaz Trbin evriminin Termodinamik Analizi
Gaz trbinleri birok alanda baar ile kullanlmaya ancak, son yzyln ortalarnda
balam
t
r, ancak o zamandan beri artan bir ekilde uygulama alanlar
genilemitir.Trbin boyunca genleme elde etmek iin i yapan akkanda basn oran salayacak
bir sktrma zorunludur. Eer sktrmadan sonra i yapan akkan direkt olarak
trbinde genleseydi ve hi bir kayp sz konusu olmasayd, trbin tarafndan retilen
g kompresr tarafndan absorbe edilene eit olacakt. Bylece ayet sadece ikisi
beraber alsayd sistem g retemeyip sadece dnecekti. Fakat i yapan akkann
scakln genlemeden nce arttrarak, trbin tarafndan retilen g arttrlabilir.
yapan akkan hava olduundan dolay, scaklk artm, skm hava ierisinde yaktn
yaklmas ile gerekletirilebilir. yapan scak akkann genlemesi trbinden ok
daha byk g retimi salar, bylece bu g, sistemdeki kayplar telafi etmede ve
kompresr altrmak iin yeterli gc salayabilir. Buraya kadar ki anlatm, en basit
haliyle bir gaz trbin veya iten yanmal sistemini ifade etmektedir. Bir gaz trbinini
meydana getiren 3 ana komponent; bir kompresr, yanma odas ve trbin ekil 3.18de
birbirlerine balanmekilde gsterilmitir.
ekil 3.18 Basit gaz trbin sistemi
Pratikte, kompresr tarafndan absorbe edilen gcn artmna ve trbin tarafndan
retilen gcn dmne neden olan kayplar hem kompresrde hem trbin de meydana
gelmektedir. yapan akkann enerjisine, bu kayplar yenmek iin, kesin ek bir enerjigerekmektedir, bu nedenle yakt destei gerekmektedir, bylece trbin kompresr
kolayca altrabilecektir. Daha fazla yakt ilavesi artk kullanlabilir g k
salayacaktr, verilen hava debisine gre bu yakt ilavesi snrlandrlmtr, dolaysyla
net g k da snrlandrlm olmaktadr. Maksimum yakt/hava oran trbin
kanatlarnn dayanabilecei maksimum scaklk ile snrlandrlmtr ve kritik deere
ulaamayacak birekilde bir oran salanr. Dolaysyla bu deer trbinin malzemesinin
direnme gcne baldr (Cohen ve ark. 1987).
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
46/114
33
Komponent verimleri ve trbin giri scakl bir gaz trbininin performansn
etkileyen temel 2 faktrdr. Ne kadar yksek olurlarsa sistemin performans o kadar
artacaktr. lk denemelerin olumsuz sonulanmasnn nedeni de komponentlerin dk
verimleri ve trbin malzemesinin direnme gcnn zayflndandr. Gaz trbinlerinin
ilk zamanlarnda, biri sabit basnta dieri sabit hacimde olmak zere, iki mmkn
yanma sistemi ne srlmtr. Teorik olarak sabit hacim evriminin termal verimi,
sabit basn evrimininkinden daha yksektir, fakat mekanik zorluklar ok daha
fazladr. Sabit hacimde s ilavesiyle, yanma odasn kompresr ve trbinden izole
edebilmek iin valfler gereklidir. Bu nedenle sistemin dzgn almasn bozacak
ekilde, yanma, srekli olmayan, aralklarla meydana gelmektedir. Bu artlar altnda
verimli alacak bir trbin tasarlamak gerekten ok zordur. Sabit basnl gaz
trbinlerinde ise yanma srekli bir sretir, bylece valflere ihtiya yoktur. Sabit
basnl evrimin sonraki almalarda daha mmkn olaca kabul edilmitir.
Dikkat edilmesi gereken husus, gaz trbin ierisinde meydana gelen sktrma,
yanma ve genleme sreleri, pistonlu motorlardaki gibi tek bir komponent ierisinde
gereklememektedir. Bu aamalar, komponentler ierisinde bamsz olarak
gereklemektedir, kendi balarna tasarlanp, test edilip, gelitirilebilirler ve daha sonra
birokekilde birbirleriyle balanarak bir gaz trbini meydana getirirler. Mmkn olan
komponent says u ana kadar belirtilen 3 ile snrl deildir. Aralarna ara
soutucular konularak baka kompresrler ve tekrarstma iin aralarna yanma odalar
bulunan baka trbinlerde sisteme ilave edilebilir. Trbin egzozundaki enerjiyi geri
kazanmak iin, bu enerjiyi yanma odas giriine kazandran birs deitiricisi kullanm
da mmkndr. Bu ilave komponentlerin eklenmesi ile elde edilen evrim
eitliliinden baka, zerinde durulmas gereken husus, sistemin ak ve kapal bir
sistem olarak snflandrlmasdr. u ana kadar bahsi geen daha yaygn ak evrimli
gaz trbinlerinde, taze atmosferik hava srekli olarak sisteme girmekte ve yanma
odasnda yakt ilavesi sonucu, i yapan akkana enerji ilavesi yaplmaktadr. Bu
durumda yanma sonucu oluan gazlar trbin boyunca genlemekte ve egzozdan dar
atlmaktadr. ayet gaz trbininin sabit bir hzda ve sabit yk altnda iletilmesi
gerekiyorsa, ekil 3.18de gsterilen basit aft tertibi yararl olabilir. Bu durumda
iletimin esneklii, yani sistemdeki devir ve ykleme artlarndaki deiim nemli
deildir. ekil 3.19da gsterildii gibi, s deitiricisi kanallarndaki srtnmeden
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
47/114
34
kaynaklanan basn kayplarndan dolay sistemin g knda yaklak %10luk bir
azalmaya neden olsa da, termal verimi arttrmak iin sisteme bir s deitiricisi ilavesi
yaplabilir. Is deitiricisi ilavesi zellikle iletme saatleri uzunsa gz nnde
bulundurulabilir.
ekil 3.19 Is deitiricili tekaft ak gaz trbin sistemi
Mikro-gaz trbin tasarm yntemi
lk aama tasarm noktasnda, mikro-gaz trbinin almasn gerekletirmektir. Bu
hesaplamalar komponent verimleri, deiken akkan zellikleri ve basn kayplar gibi
nemli btn faktrleri hesaba katan ve basn oran ve trbin giri scakl gibi
kstlanm aralkta sistemin almasn salayabilecek detayl hesaplamalardr. Temel
evrim parametrelerine bal olarak net g k iin bir deer belirlenmektedir.
Hava ak, basn oran ve trbin giri scaklnn bilinmesiyle artk aerodinamik
tasarm zerine almaya balanabilir. Bu durumda ilk nce aplar, devir saylar vekademe says belirlenmelidir. Bu noktada, aerodinamikinin termodinamikiye, ayet
tasarm noktasn etkileyebilecek, rnek olarak nemsiz bir scaklk veya basn
deiimlerinin olup olmadn danmasn gerektiren bir durum sz konusudur.
Mekanik tasarma ancak aerodinamik ve termodinamik tasarmlar iyi birekilde yerine
getirildiinde balanlabilir.
Bu noktadan sonra karlalabilecek sorun, gerilme ve titreim problemlerinin daha
fazla deiikliklere neden olup olmayacadr. Gerilme ve aerodinamik gereksinimler
sklkla birbirine kar bir tutum sergileyecektir. Ayn zamanda bu almalar devam
ediyorken tasarm d (off-design) performans ve kontrol sistemi tasarm dikkate
alnmaldr. Tasarm d iletme artlar, deien ortam artlar gibi azalan veya artan
g kartlarn da iermektedir. Kontrol sistemini tasarlarken, sistemin gvenli ve
otomatik iletme artlarn garanti altna almak iin, tm sistem boyunca mmkn olan
scaklk ve basn seviyelerini ve bunlarn arasndan kontrol parametresi olarak
bazlarnn seimini ngrmek zorunludur.
7/28/2019 Mikro Gaz Turbin Cevriminin Simulasyonu Ve Sistem Kompenentlerinin Optimizasyonu Simulation of a Micro Gas Tu
48/114
35
3.4.1 Mikro-gaz trbin evrimi
eitli komponentlerin verimsiz de olduu, geni kapsaml bir mikro-gaz trbin
evrim performans al
mas
, ok say
daki performans erilerine neden olacakt
r. Bunedenle mkemmel kabul edilen komponentlerin bulunduu ideal gaz trbin
performansn incelemek faydal olacaktr. zgl i ve evrim verimi bylece sadece
basn oran ve maksimum evrim scaklna bal olacaktr.
Basit ideal evrimler
Gaz trbin evrim analizinde kabul edilen ideal koullar ksaca u ekilde
zetlenebilir;
a) Sktrma ve genleme hal deiimleri tersinir adyabatik yani izantropiktir.
b) gren akkann gaz trbinini oluturan nitelere giri ve klarndaki kinetik
enerji deiimi ihmal edilebilir.
c) Bir gaz trbinini oluturan emme kanal, yanma odas, s deitirici,
arasoutucu, egzos kanal gibi niteleri birbirine balayan elemanlarn
hibirinde hi bir basn kayb yoktur.
d) gren akkan sabit snma ssnda ve evrim boyunca ayn kompozisyonda
ideal bir gazdr.
e) evrim boyunca ideal gaz ktlesi sabittir.
f) Is deitiricisinde s geii kart akm eklinde olmaktadr.
(d) ve (e) varsaymlar yanma odasn sanki harici bir s kayna olarak kabul
edilmesini ima etmektedir. Basit bir gaz trbini ii