T.C. NAMIK KEMAL NVERSTES FEN BLMLER ENSTTS

YKSEK LSANS TEZ

GAZ TRBN ALIMA DONANIMLARININ NCELENMES, AxSTREAM PROGRAMI LE EKSENEL AKILI KOMPRESR VE TRBN DZAYNI ANALZ

Dou ZKAN

MAKNE MHENDSL ANABLM DALI

DANIMAN: PROF. DR. AYEN HAKSEVER

TEKRDA-2009 Her hakk sakldr 1

ZET

Yksek Lisans Tezi Gaz Trbini alma Donanmlarnn ncelenmesi, AxStream Yazlm ile Eksenel Akl Kompresr ve Trbin Dizayn - Analizi Dou ZKAN Namk Kemal niversitesi Fen Bilimleri Enstits Makine Mhendislii Anabilim Dal Danman : Prof. Dr. Ayen HAKSEVER

Bu tezde gaz trbinleri donanmlar (kompresr, yanma odas ve trbin) hakknda okuyucular bilgilendirmek, gaz trbinlerinin alma prensiplerini teorik ve ekiller desteinde anlatarak zihinlerde, gaz trbinlerinin alma sisteminin canlanmas amalanmtr. Bu amaca ynelik olarak verilen teorik bilgiler bir gaz trbini firmas tarafndan retimi yaplm ve halihazrda endstride kullanlmakta olan rnek bir gaz trbininden faydanlarak, gaz trbininin ana blmlerini (hava giri ksm, kompresr, yanma odas, gaz retici trbin, g retici trbin) inceleyerek, gaz trbininin uygulamadaki alma prensipleri anlatlmtr. Ayrca ikinci blmde, AxStream adl gaz trbini kompresr ve trbin tasarm program ile eksenel akl kompresr ve trbin tasarm yaplarak, yaplan bu tasarmn analizi ile ilk blmn drdnc ksmnda verilen teorik bilgilerin pekitirilmesi salanmaya allmtr. Anahtar kelimeler: Brayton, kompresr, kademe, difizr, yanma odas, gaz retici trbin, g trbini, stator, rotor, kanatk, AxStream, ak paterni, Buri, Euler.

2009, 246 sayfa

i

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 University Graduate 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

ii

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 alannda kat edilen hzl gelimeler dier 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 eden alma deikenlerini basn oran, kompresr ve trbin verimleri, trbin ve kompresr 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 blmde zgn bir alma eklinde AxStream 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 ve desteklerinden dolay eim Glaya ok teekkr ederim. Dou zkan Haziran-2009

iii

BYKLKLER, BRMLER, SMGELER

1. SI Birim Sisteminin Temel Birimleri Boyut Uzunluk Zaman Termodinamik scaklk Ktle 2. Tretilmi SI Birimleri Fiziksel byklk G Kuvvet Basn Hz Enerji Entalpi Gerilme Celsius scaklk Dzlemsel a Molar ktle Ktlesel younluk Viskozite Entropi Devir hz Ktle debisi Hacimsel debi Gaz sabiti Elektrik potansiyel fark Byklk Sembol P F p V E,U,W H p t M SI Birim Watt Newton Pascal metre/saniye Joule joule/kilogram Watt degree Celsius derece kilogram/mol kilogram/metrekp kilogram/metre saniye joule/kilogram.kelvin rotation per minute kilogram/saniye metrekp/saniye joule/kilogram.kelvin volt Birim Sembol W N kPa m/s J J/kg W C kg/mol kg/(m.s) J/(kg.K) rpm kg/s J/(kg.K) V Birim milimetre saniye kelvin kilogram Simge mm s K kg

s U

R E, , , ,

3. SI Birimleri ile kullanlabilen SI olmayan Birimler Birim Dakika Gal Feetkp Fahrenayt Sembol min galon F

iv

NDEKLER ZET ................................................................................................................................. i ABSTRACT........................................................................................................................ ii NSZ. iii SMGELER ve KISALTMALAR DZN . NDEKLER.... ZELGELER DZN... 1. GR 2. 2.1 2.2 2.3 2.3.1 3. 3.1 3.1.1 3.1.1.1 3.1.1.2 3.1.1.2.1 3.1.1.2.2 3.1.1.2.3 3.1.2 3.1.3 3.2 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 3.3.6 3.3.7 GAZ TRBNNN TANIMI VE TANITIMI......... iv v

EKLLER DZN ..... x xvii 1 4

Gaz trbini tanm ve dizayn.. 4 Gaz trbinlerinin snflandrlmas.. 7 rnek bir gaz trbininin tantm 8 alma prensibi. 9 GAZ TRBNLERNN TERMODNAMKSEL NCELEMES........ . 11 Teorik ve ideal evrimlerin incelenmesi.... 11 Brayton evrimi......... 11 evrimin sl verimi....... 15 Gaz trbinini oluturan elemanlarn evrimdeki verimleri 16 Kompresr verimi ve gerekli beygir gc.... Trbin verimi ve retilen trbin beygir gc....... G trbini verimi ve g retimi. deal rejeneratrl Brayton evrimi.. Gerek gaz trbini evriminin ideal evrimden farkll Gerek gaz trbini evrimlerinin incelenmesi . Basit tek aftl gerek evrim ... 16 17 18 20

deal ara soutmal, stmal, rejeneratrl Brayton evrimi .... 22 24 26 26

ift aftl basit gerek evrimli gaz trbinleri... 27 Rejeneratrl gerek evrim...... 29 Ara soutmal basit gerek evrim Ara stmal gerek evrim ... Ara stmal soutmal rejeneratl gerek evrim .. 30 31 32

Buhar enjekteli gerek evrim....................................................... 33 v

4.

GAZ TRBNLER TEMEL DONANIMLARI ve DONANIMLARIN NCELENMES 36 Kompresrler... 36 Eksenel akl kompresrler. 37 alma prensibi... 38 Eksenel akl kompresr aerodinamii ve aerotermodinamii ...... 40 Eksenel akl kompresr kademe hz incelemesi ve vektrel hz diyagramlar .............................................. 42 Eksenel akl kompresrlerde reaksiyon oran .......... 44 Radyal denge....... 47 Eksenel akl kompresr kanatklarnn incelenmesi ........... 48 Yayma faktr..... 50 Giri as..... 50 Sapma... 52 Kanatk profilleri ... 53 Kompresr ve kanatk imalat materyalleri 55 Eksenel akl kompresrn performans ........ 56 Eksenel akl kompresr performansna etki eden kayplar... 58 Boulma (Choke)............. 60 Stall (Duraanlk) durumu .......... 60 Ak dalgalanmas (Surge).. 61 Radyal Akl Kompresrler ........... 63 alma prensibi .............. 63 Radyal akl kompresr kademesi ve kademe elamanlarnn incelenmesi.... 65 Kademe aerodinamii ve hz profillerinin incelenmesi... 73 mpeller zerindeki akn incelenmesi .. 77

4.1 4.1.1 4.1.1.1 4.1.1.2 4.1.1.2.1

4.1.1.2.2 4.1.1.2.3 4.1.1.3 4.1.1.3.1 4.1.1.3.2 4.1.1.3.3 4.1.1.3.4 4.1.1.3.5 4.1.1.4 4.1.1.4.1 4.1.1.4.2 4.1.1.4.3 4.1.1.4.4 4.1.2 4.1.2.1 4.1.2.2 4.1.2.3 4.1.2.3.1

4.1.2.3.1.1 Meridyenel dzlemde ak... 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 4.1.2.4 4.1.2.4.1 Kademedeki akn termodinamiksel incelenmesi . 85 Radyal akl kompresrn performans..... 91 Gerek ak kayplar............... 92

4.1.2.4.1.1 mpellerde meydana gelen kayplar............................................................. 92 4.1.2.4.1.2 Difizr ve voltte (stator) meydana gelen kayplar ................ 94 vi

4.1.4.2 Ak dalgalanmas (Surge)................ 94 4.1.4.3 Boulma................ 96 4.1.3 4.1.4 4.1.5 Eksenel-radyal akl kompresrler ......... 96 Eksenel akl ve radyal akl kompresrlerin karlatrlmas.. 97 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 4.2.1 4.2.2 4.2.3 Yanma Odalar.. 105 Yanma odasnn zellikleri... 105 Yanma odasnn gereksinimleri.... 106 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 odas tipleri... 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 4.2.6 4.2.7 4.2.8 Yanma odasndaki yanmann kimyas.. 112 Gaz trbini yanma odalarnda kullanlan yaktlar 113 Yakt atomizasyonu ve yaktn pskrtlmesi..... 114 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 4.2.10 4.3 4.3.1 Yanma odas imalat ve imal materyalleri 117 rnek gaz trbini yanma odasnn tantm.. 117 Trbinler... 119 Eksenel akl trbinler. 120

4.3.1.2 alma prensibi... 121 4.3.1.3 Eksenel akl trbin eitleri 121 vii

4.3.1.4 4.3.1.4.1 4.3.1.4.2 4.3.1.4.3

Eksenel akl trbin aerodinamii ve aerotermodinamii.. 125 Kademe hz incelemesi ve vektrel hz diyagramlar.. 125 Kademe reaksiyon oran.. 126 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 Eksenel akl trbin imalat............................................................................ 139 Radyal akl trbinler. 140 alma prensibi.. 141 Kademe aerodinamii, aerotermodinamii ve hz profilleri... 141 Radyal akl trbin imalat. 144 Eksenel akl trbin ile radyal akl trbinin karlatrlmas... 144 rnek gaz trbini trbininin tantm...... 145 AXSTREAM YAZILIMI LE EKSENEL AKILI KOMPRESR ve TRBN TASARIMI-ANALZ.............................................................. 148 5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.2.1 5.2.2.2 5.2.2.3 5.2.2.4 5.2.2.5 5.2.3 5.2.4 5.3 5.3.1 5.3.1.1 5.3.1.2 Tasarm ve Analize Giri. 148 Eksenel Akl Kompresr Tasarm.... 149 Kompresr termodinamii... 152 Kompresr aerodinamii. 159 1. Kademe vektrel hz diyagramlar ve deerleri... 159 2. Kademe vektrel hz diyagramlar ve deerleri... 160 3. Kademe vektrel hz diyagramlar ve deerleri... 161 4. Kademe vektrel hz diyagramlar ve deerleri... 162 5. Kademe vektrel hz diyagramlar ve deerleri... 163 Kanatk aerodinamii ve geometrisi.. 167 Eksenel akl kompresrn analizi. 178 Eksenel Akl Trbin Dizayn ve Analizi 190 Eksenel akl trbin dizayn 191 Trbin termodinamii.. 194 Trbin aerodinamii.... 197 viii 4.3.1.4.4.1 Performans etkileyen kayplar 138 4.3.1.5 4.3.2 4.3.2.1 4.3.2.2 4.3.2.3 4.3.3 4.3.4 5.

5.3.1.2.1 5.3.1.2.2

1. Kademe vektrel hz diyagramlar ve deerleri.. 197 2. Kademe vektrel hz diyagramlar ve deerleri.. 198 Eksenel akl trbinin analizi... 210 ARATIRMA BULGULARI ve TARTIMA... ........ 234 Eksenel Akl Kompresr le lgili Aratrma Bulgular 234 Eksenel Akl Trbin le lgili Aratrma Bulgular... 238

5.3.1.3 Kanatk aerodinamii ve geometrisi... 202 5.3.2 6. 6.1 6.2 7. 8.

SONU... 244 KAYNAKLAR.. 245 ZGEM. 247

ix

EKLLER DZN Sayfa No ekil 2.1 ekil 2.2 ekil 2.3 ekil 2.4 ekil 3.1 ekil 3.2 ekil 3.3 ekil 3.4 ekil 3.5 ekil 3.6 ekil 3.7 ekil 3.8 ekil 3.9 ekil 3.10 ekil 3.11 ekil 3.12 ekil 3.13 ekil 3.14 ekil 3.15 ekil 3.16 ekil 3.17 ekil 3.18 ekil 3.19 ekil 3.20 Gaz trbinleri prensipte dier iten yanmal makineler gibidir.................. 4 Gaz trbini tanm .. 5 Solar T-1000 S modeli gaz trbini ... 9 Gaz trbini alma prensibi ve trbindeki hava ak ..... 10 Ak evrim... 11 Ak evrim gaz trbini uygulamas..... 12 Kapal evrim 12 Kapal evrim gaz trbini uygulamas . 13 evrim basn-scaklk ilikisi ......... 13 evrim basn hacim ilikisi 14 evrim scaklk-entropi ilikisi. 14 Brayton evrimi ... 16 evrim basn oran-yanma scakl ilikisi ...... 19 Rejeneratrl ideal evrim .......... 20 Rejeneratrl evrimin scaklk entropi deiimi ....... 21 Basn oran ile verime olan rejeneratr etkisi.... 22 Ara soutma-stmal, rejeneratrl evrim. 23 Ara soutma-stmal, rejeneratrl evrim scaklk entropi diyagram.. 23 Gerek ile ideal evrim scaklk-entropi diyagram. 24 Gerek Basit Brayton evriminin T-s Diyagram .. 26 Tek aft gerek evrimli gaz trbinin performans . 27 ift aftl gerek evrimli gaz trbini.. 28 ift aftl gerek evrimli gaz trbinin T-s diyagram. 28 ift kompresrl rejeneratrl gerek bir evrimde basn oranna ve trbin giri scaklna bal olarak sl verimin deiimi....... 29 ekil 3.21 ift aftl gerek evrimli rejeneratrl gaz trbini performans. 30 ekil 3.22 Ara soutmal gaz trbinin performans diyagram....... 31 ekil 3.23 Ara soutmal ve rejeneratrl gerek evrimin ift aftl gaz trbininde sktrma ve trbin giri scaklna gre performans diyagram. 31 ekil 3.24 Ara stmal gaz trbini evriminin performans 32 ekil 3.25 Rejeneratrl ara stmal soutmal ift aftl gerek evrimli gaz trbini evriminin T-s diyagram. 32 ekil 3.26 Ara stmal-soutmal rejeneratrl evrimin performans diyagram... 33 ekil 3.27 Buhar enjekteli gerek evrim 33 ekil 3.28 % 5 Buhar enjekteli ve basit gerek evrimin karlatrmas 35 ekil 3.29 Buhar enjekteli evrimin trbin giri scaklna ve sktrma oranna gre performans.... 35 ekil 4.1.1 Endstride ve gemi uygulamalarnda kullanlan tipik bir gaz trbininde havann ana elamanlar arasndaki scaklk, basn, hz erileri ve deerleri. 36 ekil 4.1.2 Yllara gre havaclk ve endstriyel gaz trbinlerinde kompresr sktrma oranlarndaki gelime diyagram... 37 ekil 4.1.3 Eksenel akl kompresr rotor ve statoru.. 38 ekil 4.1.4 Eksenel akl kompresr kademesi 39 ekil 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 x

ekil 4.1.7 ekil 4.1.8 ekil 4.1.9 ekil 4.1.10 ekil 4.1.11 ekil 4.1.12 ekil 4.1.13 ekil 4.1.14 ekil 4.1.15 ekil 4.1.16 ekil 4.1.17 ekil 4.1.18 ekil 4.1.19 ekil 4.1.20 ekil 4.1.21 ekil 4.1.22 ekil 4.1.23 ekil 4.1.24 ekil 4.1.25 ekil 4.1.26 ekil 4.1.27 ekil 4.1.28 ekil 4.1.29 ekil 4.1.30 ekil 4.1.31 ekil 4.1.32 ekil 4.1.33 ekil 4.1.34 ekil 4.1.35 ekil 4.1.36 ekil 4.1.37 ekil 4.1.38 ekil 4.1.39 ekil 4.1.40 ekil 4.1.41 ekil 4.1.42 ekil 4.1.43 ekil 4.1.44 ekil 4.1.45 ekil 4.1.46 ekil 4.1.47 ekil 4.1.48 ekil 4.1.49 ekil 4.1.50 ekil 4.1.51 ekil 4.1.52

Kompresr kanatlarna havann geli asna gre kanat yzeyindeki havann davranlar 41 Srtnme ve kaldrma katsaylar erileri 42 Eksenel akl kompresr kademesi hz diyagram. 43 Vektrel hz genleri. 44 % 50 Reaksiyon kademesi iin simetrik vektrel hz genleri. 45 Eksenel akl i ak kademesi (asimetrik) hz diyagram. 46 Eksenel akl d akl kademe hz diyagram... 47 Eksenel akl akl kompresr kanatk profili. 49 Eksenel akl kompresr kanat profili parametreleri. 50 Sfr kavis as diyagram.. 51 m sabiti 51 Dzeltme sabiti K, maksimum kanat kalnn % 10 nundan farkl deerler iin... 51 Giri as iin Mach says dzeltme katsays... 52 Sapma kontrol deeri.. 53 NACA 65A010 Serisi kanatk ekli.. 54 NACA 65 serisi kanatk profilleri 54 NACA 65 serisi kanatk profillerine ait kavis as-kaldrma kuvveti katsays.... 55 Kanat profillerinin rzgar tnellerinde test edilmesi 55 Eksenel akl kompresrn performans enerji ak diyagram. 60 Eksenel akl kompresr performans diyagram... 62 Radyal akl kompresrn alma ekli... 64 Radyal akl kompresr ve kompresrdeki basn hz art 65 Radyal akl kompresrn grn 65 Radyal akl kompresr kademesi 66 Radyal akl kompresr konfgirasyonu.. 66 ift ve tek girili indser 67 Tipik ift ve tek tarafl impellerler.. 68 Kanat eitlerine gre impeller... 68 Geometrilerine gre difizrler. 70 Boru ve kanal tipi difizrler 71 Kanatl difizr ve difizr ak blgeleri.. 72 Volt n grnm 72 Klavuz kanatksz indserdeki hz diyagram.. 73 Klavuz kanatkl indser hz diyagram 74 Arkaya kavisli kanatl impeller hz diyagram. 75 Radyal kanatkl impeller hz diyagram 76 ne kavisli kanatl impeller ) hz diyagram.. 77 mpeller zerindeki akn paterni... 78 mpellerdeki ak paterninin boyutlu gsterimi. 78 mpeller zerindeki ak alanlar. 79 Kanat meridyenel dzlemindeki ak.. 79 ki kanat aras dzlemdeki ak.. 81 mpeller k asndaki kayma faktr 82 mpeller kanatklarndaki ak.. 83 Arkaya kavisli impeller iin kanatk k hz diyagram 84 Stadolo nn kayma faktr teoremi ak modeli 84 xi

ekil 4.1.53 ekil 4.1.54 ekil 4.1.55 ekil 4.1.56 ekil 4.1.57 ekil 4.1.58 ekil 4.1.59 ekil 4.1.60 ekil 4.1.61 ekil 4.1 62 ekil 4.1.63 ekil 4.1.64 ekil 4.1.65 ekil 4.1.66 ekil 4.1.67 ekil 4.1.68 ekil 4.1.69 ekil 4.2.1 ekil 4.2.2 ekil 4.2.3 ekil 4.2.4 ekil 4.2.5 ekil 4.2.6 ekil 4.2.7 ekil 4.2.8 ekil 4.2.9 ekil 4.3 1 ekil 4.3.2 ekil 4.3.3 ekil 4.3.4 ekil 4.3.5 ekil 4.3.6 ekil 4.3.7 ekil 4.3.8 ekil 4.3.9 ekil 4.3.10 ekil 4.3.11 ekil 4.3.12 ekil 4.3.13 ekil 4.3.14 ekil 4.3.15 ekil 4.3.16 ekil 4.3.17 ekil 4.3.18 ekil 4.3.19

mpeller geometrisine gre radyal akl kompresr basn ve ak katsaylar... 86 mpeller dn hzna karlk sktrma oranlar.. 87 Radyal akl kompresr kademesindeki entalpi-entropi deiimi. 88 Ak katsays-reaksiyon derecesi... 90 Reaksiyon derecesi-basn katsays... 91 Pozitif ve negatif indser giri alar. 92 mpellerdeki srtnme kayplar. 93 mpellerde meydana gelen sznt kayplar 93 Radyal akl kompresrdeki kayplar diyagram.. 94 Radyal akl kompresr performans diyagram.... 95 Eksenel-radyal akl kompresrler... 97 Eksenel ile radyal akl kompresrlerin basn oran-verim karlatrmas. 98 Eksenel ile radyal akl kompresrlerin hz verim karlatrmas. 99 Eksenel ile radyal akl kompresrlerin ak ile basnca karlk gelen verim erileri diyagramlarnn karlatrlmas... 99 Kompresr muhafazas ve stator... 101 Kompresr rotoru.. 102 Difizr keysi.. 104 Gaz trbini yanma odas... 107 Lucas yanma odalarndaki ak paterni.... 108 Yanma odas biimleri.. 109 Tekli boru tipi yanma odas.. 110 oklu boru tipi yanma odas 110 Halka tipi yanma odas. 111 Boru-halka tipti yanma odalar. 112 rnek gaz trbinimizin yanma odasnn grn... 118 rnek gaz trbinin yanma odas.. 119 Eksenel akl trbin nozulu ve rotoru. 120 Eksenel akl tbin ak diyagram. 121 Tekli ve multi tip trbin uygulamas 122 mpals trbin kademesi termodinamii 123 Reaksiyon trbini termodinamii. 123 mpals ve reaksiyon kademelerinin grnm. 124 mpals-reaksiyon tipi trbin kanad.. 124 Gaz retici ve g retici trbinler 125 Trbin kademesi vektrel hz diyagramlar. 126 eitli reaksiyon oranlarna karlk vektrel hz diyagramlarnn deiimi. 128 C-4 Trbin kanatk profili 129 T-6 Trbin kanatk profili 129 Temel kanatk geometrisi. 130 mpal tipi trbin kanatk profilleri 131 Eksenel akl kompresr ve trbin kanatlarnn geometrik olarak karlatrlmas 132 Trbin kademesi soutma aranjman. 133 Trbin rotor kanatklarnn soutulmas.. 134 Kanatklar iin radyal gerilmeler diyagram.... 134 Eksenel akl trbin vektrel hz diyagram. 136 xii

ekil 4.3.20 ekil 4.3.21 ekil 4.3.22 ekil 4.3.23 ekil 4.3.24 ekil 4.3.25 ekil 4.3.26 ekil 4.3.27 ekil 4.3.28 ekil 4.3.29 ekil 5.2.1 ekil 5.2.2 ekil 5.2.3 ekil 5.2.4 ekil 5.2.5 ekil 5.2.6 ekil 5.2.7 ekil 5.2.8 ekil 5.2.9 ekil 5.2.10 ekil 5.2.11 ekil 5.2.12 ekil 5.2.13 ekil 5.2.14 ekil 5.2.15 ekil 5.2.16 ekil 5.2.17 ekil 5.2.18 ekil 5.2.19 ekil 5.2.20 ekil 5.2.21 ekil 5.2.22 ekil 5.2.23 ekil 5.2.24 ekil 5.2.25 ekil 5.2.26 ekil 5.2.27 ekil 5.2.28 ekil 5.2.29 ekil 5.2.30 ekil 5.2.31 ekil 5.2.32 ekil 5.2.33 ekil 5.2.34 ekil 5.2.35 ekil 5.2.36 ekil 5.2.37 ekil 5.2.38 ekil 5.2.39

Nozul kolonundaki entalpi-entropi deiimi. Rotor kolonundaki entalpi-entropi deiimi. Ak ve muhafazal tip trbin kanatlar Muhafazal tip kanatklara sahip eksenel akl gaz retici trbinden bamsz olan g trbini.. Radyal akl trbinde ak... Dirsekli ie akl tip radyal trbin... Kark ie akl radyal trbin. Kark ie akl radyal trbin donanmlar ve hz profilleri... Radyal trbin evrimindeki entalpi-entropi deiim diyagram.. rnek gaz trbininin trbin ksm Projenin ayarlanmas Eksenel kompresr hesaplama yntemleri.. Preliminary desing ksmna ana parametrelerin girilmesi Tasarm yaplan klavuz kanatl 5 kademeli kompresr. Eksenel akl kompresrn entalpi-entropi diyagram... Eksenel akl kompresrn ak paterni. 1. Kademe ak paterni 2. Kademe ak paterni 3. Kademe ak paterni 4. Kademe ak paterni 5. Kademe ak paterni Kompresr termodinamiksel diyagram.. Kompresr termodinamiksel diyagramlar.. 1. Kademe vektrel hzlar ve alar .. 2. Kademe vekrel hz diyagramlar 2. Kademe vektrel hz diyagramlar ve alar... 3. Kademe vektrel hz diyagramlar... 3. Kademe vektrel hz diygaramlar ve alar 4. Kademe vektrel hz diyagramlar 4. Kademe vektrel hz diygaramlar ve alar 5. Kademe vektrel hz diyagramlar 5. Kademe vektrel hz diyagramlar ve alar Stator alar. Rotor alar. Stator hzlar Rotor hzlar. Mach saylar Kompresr kayplar Reaksiyon oran... Stator profil diyagram Rotor profil diyagram. 1. Kademe stator kanatlar 2. Kademe stator kanatlar 3.Kademe stator kanatlar. 4. Kademe stator kanatlar 5. Kademe stator kanatlar 2. Kademe rotor kanatlar. 3. Kademe rotor kanatlar. 4. Kademe rotor kanatlar. xiii

137 137 139 140 141 141 142 142 144 145 149 150 151 152 153 154 154 155 156 156 157 158 159 159 160 160 161 161 162 162 163 163 164 165 165 165 166 166 166 169 170 170 170 171 171 171 172 172 172

ekil 5.2.40 ekil 5.2.41 ekil 5.2.42 ekil 5.2.43 ekil 5.2. 44 ekil 5.2.45 ekil 5.2.46 ekil 5.2.47 ekil 5.2.48 ekil 5.2.49 ekil 5.2.50 ekil 5.2.51 ekil 5.2.52 ekil 5.2.53 ekil 5.2.54 ekil 5.2.55 ekil 5.2.56 ekil 5.2.57 ekil 5.2.58 ekil 5.2.59 ekil 5.2.60 ekil 5.2.61 ekil 5.2.62 ekil 5.2.63 ekil 5.2.64 ekil 5.2.65 ekil 5.2.66 ekil 5.3.1 ekil 5.3.2 ekil 5.3.3 ekil 5.3.4 ekil 5.3.5 ekil 5.3.6 ekil 5.3.7 ekil 5.3.8 ekil 5.3.9 ekil 5.3.10 ekil 5.3.11 ekil 5.3.12 ekil 5.3.13 ekil 5.3.14 ekil 5.3.15 ekil 5.3.16 ekil 5.3.17

5. Kademe rotor kanatlar. 1. Kademe stator aerodinamik diyagramlar.. 5. Kademe stator aerodinamik diyagramlar. 2. Kademe rotor aerodinamik diyagramlar... 5. Kademe rotor aerodinamik diyagramlar... 1D analiz hesaplamas.. Kompresr performans haritasnn karlmas. 1D analiz hesaplamalar sonucunda basn oran-ktle debisi iliki 1D analiz hesaplamalar sonucunda basn oran-verim ilikisi... 2D analiz hesaplamas... 2D analiz sonularnda devir-ktle debisi-basn oran arasndaki iliki... 2D analiz sonucu devir-g-ktle debisi arasndaki iliki.. Kompresr kanat imal materyalinin zellikleri.. Stator statik durum iin gerilme simlasyonu Stator 246.4 Hz frekans iin gerilme simlasyonu Stator 414.8 Hz frekans iin gerilme simlasyonu Stator 2287.5 Hz frekans iin gerilme simlasyonu.. Stator 5504.1 Hz frekans iin gerilme simlasyonu.. Rotor statik durum iin gerilme simlasyonu. Rotor 694.4 Hz frekans iin gerilme simlasyonu Rotor 1117.7 Hz frekans iin gerilme simlasyonu. Rotor 3193.9 Hz frekans iin gerilme simlasyonu. Rotor 3787.2 Hz frekans iin gerilme simlasyonu. 3. Kademe rotor kanatlar potansiyel ak iin statik basn gsterimi. 3. Kademe rotor kanatlar potansiyel ak iin statik basn dalm diyagram. 3. Kademe rotor kanatlar potansiyel ak iin toplam entalpi deerleri... 3. Kademe stator kanatlar potansiyel ak iin statik scaklk deerleri... Dizayn iin Turbine preliminary design sayfasna parametrelerin girilmesi.... Dizayn edilen trbinin ak paterni ve deerleri.. Optimize edilmi trbin ak paterni .. Optimizasyonu yaplan trbinin yeni ak paterni ve deerleri....... Entropi-entalpi diyagram.... Tasarm yaplan trbinin termodinamiksel diyagram 1. Kademe optimizasyon sonras kademe ak paterni... 1.Kademe vektrel hz diyagramlar... 1. Kademe ak vektrel hz diyagramlarnn a ve kanatlara gre gsterimi.. 2. Kademe optimizasyon sonras kademe ak paterni 2. Kademe vektrel hz diyagramlar.. 2. Kademe ak vektrel hz diyagramlarnn a ve kanatlara gre gsterimi.. Nozul alar.... Rotor alar. Nozullardan sonraki hzlar.. Rotorlardan sonraki hzlar... Reaksiyon oranlar... xiv

172 173 174 175 176 177 178 178 179 179 180 180 181 181 182 182 183 183 184 184 185 185 186 187 187 188 188 191 192 192 193 194 195 196 196 197 198 198 198 199 199 200 200 200

ekil 5.3.18 ekil 5.3.19 ekil 5.3.20 ekil 5.3.21 ekil 5.3.22 ekil 5.3.23 ekil 5.3.24 ekil 5.3.25 ekil 5.3.26 ekil 5.3.27 ekil 5.3.28 ekil 5.3.29 ekil 5.3.30 ekil 5.3.31 ekil 5.3.32 ekil 5.3.33 ekil 5.3.34 ekil 5.3.35 ekil 5.3.36 ekil 5.3.37 ekil 5.3.38 ekil 5.3.39 ekil 5.3.40 ekil 5.3.41 ekil 5.3.42 ekil 5.3.43 ekil 5.3.44 ekil 5.3.45 ekil 5.3.46 ekil 5.3.47 ekil 5.3.48 ekil 5.3.49 ekil 5.3.50 ekil 5.3.51 ekil 5.3.52 ekil 5.3.53 ekil 5.3.54 ekil 5.3.55 ekil 5.3.56 ekil 5.3.57 ekil 5.3.58 ekil 5.3.59 ekil 5.3.60 ekil 5.3.61 ekil 5.3.62 ekil 5.3.63 ekil 5.3.64 ekil 6.1.1 ekil 6.1.2

Rotor ve stator kayplar.. Kademe Mach saylar. Kanak profillerine ait diyagram.... 1. Kademe stator ve nozulu X-Y-Z dzleminde gsterimi.. 1. Kademe nozul ve rotor kanat dizilimleri. 2. Kademe stator ve nozulu X-Y-Z dzleminde gsterimi.. 2. Kademe nozul ve rotor kanat dizilimleri.. 1. Kademe nozullar aerodinamik diyagramlar 1. Kademe rotoru aerodinamik diyagramlar.... 2. Kademe statoru aerodinamik diyagramlar... 2. Kademe rotoru aerodinamik diyagramlar 1D Trbin analizi...... 2D Trbin analizi.. Performans diyagram.. Performans diyagram.. 3D Boyutlu performans diyagram... 1. Kademe nozul kanatlar iin Buri diygaram....... 1. Kademe rotor kanatklar Buri diyagram.. 1. Kademe rotor kanat profilinin eriler araclyla dzeltilmesi.. Eriler araclyla yaplan dzelme sonucunda rotor kanat profili 1. Kademe rotor kanatklarnn dzeltme sonras durumu. 1. Kademe rotor kanatlarnn optimizasyon sonras durumu Optimize edilen1. kademe trbin kanatklarnn 3 boyutlu tam grnm... 1. Kademe nozul kanad iin statik durum maksimum gerilmeler........ 1. Kademe nozul kanad iin 457.3 Hz frekans gerilmeleri. 1. Kademe nozul kanad iin 1400.7 Hz frekans gerilmeleri.. 1. Kademe nozul kanad iin 2537 Hz frekans gerilmeleri. 1. Kademe nozul kanad iin 3252.1 Hz frekans gerilmeleri. 2. Kademe rotor kanad iin statik durum gerilmeleri. 2. Kademe rotor kanad iin 984.4 Hz frekans gerilmeleri. 2. Kademe rotor kanad iin 2714.0 Hz frekans gerilmeleri... 1. Kademe toplam basnlar iin Euler ak paterni 1. Kademe toplam scaklklar iin Euler ak paterni.. 1.Kademe bal hzlar.. 1.Kademe toplam entalpi deiimleri.. 1. Kademe Mach saylar. 2. Kademe statik basnlar iin Euler ak paterni.. 2. Kademe statik scaklklar iin Euler ak paterni 1. Kademe statik entalpiler iin Euler ak paterni.. 2. Kademe statik entalpiler iin Euler ak paterni.. 1. Kademe entropi iin Euler ak paterni.... 1. Kademe k alar iin Euler ak paterni. 1. Kademe bal hzlar iin Euler ak paterni. 2. Kademe toplam basn iin Euler ak paterni. 2. Kademe toplam scaklk iin Euler ak paterni.. 2. Kademe toplam entalpiler iin Euler ak paterni... 2. Kademe bal hzlar iin Euler ak paterni 20 C evre scaklnda rotordaki bal Mach saylar.. -20 C evre scaklnda rotordaki bal Mach saylar. xv

201 201 203 203 204 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 217 218 219 220 221 221 222 222 223 223 224 224 225 225 226 226 227 227 228 228 229 229 230 230 231 231 232 232 236 237

ekil 6.2.1 ekil 6.2.2 ekil 6.2.3

Rotor ve nozul kolonundaki tanjaltsal hz deiimi.... Trbin kademelerindeki statik basn.. Rotor ve nozul kolonlarndaki bal hz deerleri...

239 240 241

xvi

ZELGELER DZN Sayfa no: izelge 4.1 Radyal akl kompresr impelleri avantaj ve dezavantajlar. 69 izelge 4.2 Eksenel ve radyal akl kompresrlerin karlatrlmas 98 izelge 5.2.1 Temel dizayn parametreleri... 150 izelge 5.2.2 1.Kademe termodinamiksel deerleri 155 izelge 5.2.3 2. Kademe termodinamiksel deerleri 155 izelge 5.2.4 3. Kademe termodinamiksel deerleri 156 izelge 5.2.5 4. Kademe termodinamiksel deerleri 157 izelge 5.2.6 5. Kademe termodinamiksel deerleri 157 izelge 5.2.7 1. Kademe hz ve a deerleri 160 izelge 5.2.8 2. Kademe hz ve a deerleri 161 izelge 5.2.9 3. Kademe hz ve a deerleri 162 izelge 5.2.10 4. Kademe hz ve a deerleri 163 izelge 5.2.11 5. Kademe hz ve a deerleri 164 izelge 5.2.12 1. Kademe kanat profil deerleri 167 izelge 5.2.13 2. Kademe kanat profil deerleri 167 izelge 5.2.14 3. Kademe kanat profil deerleri 168 izelge 5.2.15 4. Kademe kanat profil deerleri 168 izelge 5.2.16 5. Kademe kanat profil deerleri 169 izelge 5.3.1 Trbin temel dizayn parametreleri...... 190 izelge 5.3.2 1. Kademe termodinamiksel deerler 194 izelge 5.3.3 2. Kademe termodinamiksel deerler 195 izelge 5.3.4 1. Kademe hz ve a deerleri.. 197 izelge 5.3.5 2. Kademe hz ve a deerleri...... 199 izelge 5.3.6 1. Kademe kanatk profil deerleri.. 202 izelge 5.3.7 2. Kademe kanatk profil deerleri...... 202 izelge 5.3.8 Trbin 1D ve 2D analizleri 211 izelge 6.1 Eksenel akl kompresrde termodinamiksel deerlerin deiimi... 233 izelge 6.2 Tasarm yaplan kompresrn termodinamiksel deerleri.. 234 izelge 6.3 Kademe ak giri a deerleri 235 izelge 6.4 eitli trbin giri scaklklarna karlk verim deerleri 237 izelge 6.5 Kompresr ile trbin deerlerinin karlatrlmas.. 238 izelge 6.6 Trbin toplam basn deerleri 242

xvii

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) i yaparlar. (etinkaya-1999) Gaz trbinleri alma havas atmosfer havas olan bir trbin motorudur ve 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 alanlarda gaz trbinleri kullanlmaktadr. Gaz trbininin temel tanmn yapacak olursak, gaz trbini dnen kompresrde havay sktran, yanma odasnda yakt-hava karmn yakarak yanm gazlarn elde edilmesini ve bunlarn trbinde genilemesini salayarak i elde eden iten 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 1

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. (idem1977) Gaz trbini teknolojisinde gelimeler ise aada belirtilen faktrn paralelinde olmutur. Bu faktr aada belirtilmitir: 1- Malzeme biliminde yaanan gelimeler ile trbin donanm materyallerinin yksek slara dayanm artm, kompresrlerinkiler ise d etkilere kar daha dayankl ve direnli hale gelmitir. 2- Aerodinamik ve termodinamik bilgisinin giderek artmas gaz trbinleri dizaynlarnn daha iyi yaplmasn ve verimlerinin artmasn salamtr.

2

3- Gaz trbini trbin, kompresr kanat, yanma odalarnn dizayn, simlasyon ve analizlerinin bilgisayar yardm ile yaplmas gaz trbinlerinin teknolojik olarak gelimesinde byk katk salamtr. (Giampaolo-2006)

3

2. GAZ TRBN GENEL TANIMI VE TANITIMI 2.1 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. Kompakt bir 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 4

salayarak g 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 verim 2- Uzun mr ve dayankllk 3- Servis ve bakm yetenei 4- Kolay montaj ve iilik 5- evresel kabullere uygunluk 6- Yardmc sistemler ile kontrol sistemi arasndaki uyumluluk 7- Servis iiliinde ve 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 5

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 nc ksmda 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 baznda ki bu saatler bir yl olarak tahmin edilir ve bir ylda 8760 saate tekabl etmektedir. Planlanan bakm sresi iin belirlenmi zaman gecikmesi Onarmdan 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 egzoz scakln 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 konuda en ok dikkat eken eler olmaktadr ve yanma odasnda duman ve azot oksit 6 retimi

dk olmaldr. Yksek scaklk gaz trbinleri azot oksit edilmeye allmaktadr ve bu konuda kuru dk azot oksit gelitirilmeye allmaktadr.

emisyonunu arttrmaktadr. emisyonlu yanma odalar

Bu emisyona kar, yanma odasnda evrime su veya buhar enjekte edilerek mcadele

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) 2.2 Gaz Trbinlerinin Snflandrlmas Gaz trbinleri, eit zellikleri bakmndan aada belirtildii ekilde sralanabilir: (etinkaya-1999) 1. Isnn verilii bakmndan; a. Sabit hacim gaz trbinleri b. Sabit basn gaz trbinleri 2. evrimin trne gre; a. Ak sistem gaz trbinleri b. Kapal sistem gaz trbinleri c. Birleik sistem gaz trbinleri 3. Mekanik dzenleri bakmndan; a. Tek aftl gaz trbinleri b. ki veya daha ok aftl gaz trbinleri c. Ayr g trbinli (ara stc yok, alma esneklii) gaz trbinleri d. Seri akl gaz trbinleri e. Paralel akl gaz trbinleri 4. Kullanlan elemanlara gre; a. Basit gaz trbinleri b. Rejeneratrl gaz trbinleri c. Ara soutuculu trbinleri d. Ara stcl gaz trbinleri e. Kompleks (ara soutucu, rejeneratr, ara stc birlikte) 7

5. Kullanm alanlarna gre; a. Sabit tesis gaz trbinleri b. Endstriyel gaz trbinleri c. Jeneratr gaz trbinleri d. Pompa gaz trbinleri e. Tat gaz trbinleri 1. Otomotiv gaz trbinleri 2. Lokomotif gaz trbinleri 3. Denizcilik gaz trbinleri 4. Havaclk gaz trbinleri a. Ram jetler b. Pulse jetler c. Turbo jetler d. Turboaftlar e. Trbofanlar f. Trboproplar 2.3 rnek Bir Gaz Trbininin Tantm Bu ksmda ama, balca gaz trbini reticilerinden olan Solar firmasnn 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 doru aada belirtildii ekilde sralanmaktadr: 1- Hava giri ksm 2- Kompresr 3- Yanma odas 4- Gaz retici trbin 5- G trbini 6- G aktarm ksm 8

Yukarda belirtilen bu 6 esas eleman, gaz trbini donanmlar ksmnda daha detayl olarak anlatlacaktr. Yukarda bahsi geen gaz trbinini oluturan 6 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 Prensibi Yukarda tantm yaplan gaz trbininin alma prensibini incelemek gaz trbini 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 trbin ksmnn 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 basnla pskrtlr. 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)

9

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)

10

3. GAZ TRBNLERNN TERMODNAMKSEL NCELEMES Gaz 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 aada belirtilmitir. 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 Brayton un 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; termodinamik analiz 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 trbinleriyle snrldr 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)

11

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)

12

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.

13

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

14

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 tr kinetik 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; , Toplam elde edilen i; olur. Aada Brayton evrimini bir kez daha hatrlarsak yukardaki denklemlerin daha rahat kavranmasn salam oluruz. (Meherwan-2006) (7) (6)

15

ekil-3.8 Brayton evrimi (Meherwan-2006) Eer sisteme s ilavesi olursa s geii; olur. Bylece Brayton evriminin sl verimi; olur. ya da 1-2 ve 3-4 hal deiimlerinin izentropik ve olduu not edilirse (10) (9) (8)

olur. Bu bantlar, sl verim iin yazlan denklemde yerine konursa, elde edilir. Burada basn orandr ve deeri dir. :zgl slarn orandr.

(11) (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 gck

Kompresr verimi

, kompresr basn oran ile doru, kompresr k scakl ile

ters orantldr. Bu tanm aadaki denklemde gsterilmektedir.

16

k

r T T

k g

1 1

(13)

Yukardaki denklemde;

k 1 k

r

k

Kompresr basn oran,

P P

k

zgl slarn oran,

g

c c

p

v

P P

Kompresr toplam k basnc, kPa Kompresr toplam giri basnc, kPa

g

T T

Kompresr k scakl kompresr giri scakl

g

Gerekli kompresr beygir gc tanm; kompresrn havay sktrrken ve yanma odasna verirken ihtiya duyduu gtr ve aada belirtildii ekilde ifade edilmitir. (Giampaolo2006)J Tg W a cp 550k

BG

k

P Pg

1

J T 550W a c p

(14)

W

a

=Kompresre giren hava akdr. Trbin verimi ve retilen trbin beygir gc

3.1.1.2.2

Trbin verimini izlemek ve trendlerini takip etmek, trbin nitesinin salkl almas hakknda bize en doru bilgiyi vermektedir. (Giampaolo-2006)1t

T T 1 r

egzost

trbingiri S t

(15)

=Trbin toplam giri scakl T =Trbin toplam k scakl T r =Trbin toplam giri basnc/Trbin toplam k basncegzost trbingirit

1

r

r1

t

olduundan trbin verimini aadaki gibi yazabiliriz.,

k

t

1

T T 1

egzost

trbingiri

(16)

rk17

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.J 550W g c p

BG

t

t

T

g

1

P Pgc

J 1 550W g c p T g

T T

g

(17)

Burada

Wt

g

Trbine giren gaz ak

p

=Sabit basntaki zgl s

Gaz retici trbinin adyabatik verimig

P =Gaz retici trbin toplam k basnc

P T

Gaz retici trbin toplam giri basnc Trbin toplam giri scakl

T

Gaz retici trbin toplam k scakl

g

3.1.1.2.3

G trbini verimi ve g retimi

Genelde 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.

1gtrbini

T T

g

(18)

1

PT Pg

T P

g

G trbini giri toplam scakl Toplam atmosferik basn

T

G trbini toplam k scakl

T

Not: Basit ve tek evrimli gaz trbinleri uygulamalarnda trbinleri uygulamalarnda

P

T

, kombine evrimli gaz

P

alnr.

G trbininde retilip tahrik sistemine verilen g aada verilmitir.J 550W g c p T g

BG

gtrbini

gtrbini

1

PT Pg18

(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)

1 T 1T 3 T 1T 3 rpoptimum

k k 1

1 t

2 T 1T 3 T 1

(20)2 t t 2 2 T 1T 3 T 1 T 3 k t

T 1T 3 T 1T 3

T 1T 3

k

t

T 1T 3

t

Yukardaki denklem, trbin ve kompresrdeki kayplar ihmal edildiinde yani trbin ve kompresr verimleri

k

=

t

=1 olduunda;

rp

optimum

T 1T 3 2 T1

k k 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 rnek bir diyagram. Bu diyagramda kompresr verimi %87 ve trbin verimi %92 olarak alnmtr.) 19

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)

20

ekil-3.11 Rejeneratrl evrimin scaklk 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 evrimin basn oranna baldr. (engel-1996) 21

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 en yksek 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 trbinden kan 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 22

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 (engel1996)

23

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) (engel1996) 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)

24

(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 k arasnda 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 k kanallarnda 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 arasndaki kavramalarda, ya pompas, yakt pompas gibi yardmc elemanlarn tahrikinde kullanlr.e.

Kompresrde sktrlan havann bir ksm trbin diski, lle ve kanatlarn ve elemanlarda

kullanlan 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 edilerek yaplr. 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 ve

kimyasal 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

25

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) 26

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 trbinin performans (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 evirmek, ikinci trbin ise g ihtiyacn karlamakta kullanlr. ekil-3.18de ift aftl gerek evrimli gaz trbini devre emas, ekil-3.19 da da evrimin T-s diyagram gsterilmektedir.

27

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) 28

3.3.3 Rejeneratrl gerek evrim Gerek evrimde de ideal evrimde olduu gibi kompresrden kan hava g 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 giri scaklna bal olarak sl verimin deiimi (Meherwan-2006)

29

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 % 30luk bir art salar fakat ortalama verim de az bir miktarda de neden olur. Bu iliki ekil-3.22de gsterilmitir. (Giampaolo, Meherwan-2006)

30

ekil-3.22 Ara soutmal gaz trbinin performans diyagram (Meherwan-2006)

ekil-3.23 Ara soutmal ve rejeneratrl gerek evrimin ift aftl gaz trbininde sktrma ve 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 kademeli trbin 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) 31

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-3.26da gsterildii gibi sl verimi ok yksek oranlara tamaktadr.

ekil-3.25 Rejeneratrl ara stmal soutmal ift aftl gerek evrimli gaz trbini evriminin T-s diyagram (engel-1996)

32

ekil-3.26 Ara stmal-soutmal rejeneratrl evrimin performans diyagram (Meherwan2006)

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 suyun buharlatrlmas ile elde edilmekte ve kompresr k havasna enjekte edilmektedir. Tipik 33

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 olduu grlmtr.

34

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 gre performans (Meherwan-2006)

35

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 alet eklinde 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 gelecek ekilde bize ok iyi ifade etmektedir.

ekil-4.1.1 Endstride ve gemi uygulamalarnda kullanlan tipik bir gaz trbininde havann ana 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 radyal akl kompresrlerin kombinasyonu olan 36 eksenel-radyal akl kompresrlerde

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 sktrma oranlarndaki gelime diyagram (Meherwan-2006)

Yukarda gaz trbinleri kompresrlerinden ksaca bahsettikten sonra imdi daha ayrntl olarak eksenel akl, radyal akl ve eksenel-radyal akl kompresrleri 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 bir dzlemde (sadece eksenel) ve ortalama hzlarn ok dk seviyede olmasdr. Ayrca yine 37

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 tahrik gaz 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 ettii kompresr 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 verilen ekil 4.1.3 ve ekil 4.1.4 ten de 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 yerine giren havay eksenel yne evirip, hzn arttrarak uygun giri as ile kompresr rotor kanatlarna arpmasn salamakla grevlidirler. Eksenel akl kompresrlerde arttrlmaktadr. havann basnc kompresr boyunca her bir kademede yavaa

ekil-4.1.3 Eksenel akl akl kompresr rotor ve statoru (Mattingly-2006) 38

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 son derece 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 olarak bilinmektedir. Eksenel akl kompresrlerin kullanld bu tip gaz trbinlerinde, trbinde retilen gcn, % 55-65 aras oranlardaki miktarlarda kompresr tarafndan harcanmaktadr. Gnmzde kullanlan eksenel akl kompresrler 1725 kademelerden olumakta ve yksek sktrma oranlarn salayarak gelimi veya yksek g reten gaz 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) 39

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 blge kuvveti, (ki bu kuvvet basn artna neden olmaktadr) eklinde tanmlayabiliriz. 2- Dn dzlemi zerindeki kuvvet bileeni kompresr hareket ettiren bileendir ve tork olarak adlandrlmaktadr.

ekil-4.1.6 Eksenel akl kompresr kanatklarna etki eden kuvvetler (Giampaolo-2006) Aerodinamik noktadan baktmzda 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.

40

ekil-4.1.7 Kompresr kanatlarna havann geli asna gre kanat yzeyindeki havann davranlar (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 aadaki ekil 4.1.8 de gsterilmitir. Eksenel akl kompresrlerin kademelerinde basn artn sabit tutmak iin enerji artn da her bir kademe iin sabit tutmak gerekmektedir. Kompresr kademelerindeki enerji art aadaki ekilde ifade edilmitir: (3)

Havann mkemmel olduunu kabul edersek (

) kademedeki scaklk art:

(4) 41

ekil-4.1.8 Srtnme ve kaldrma katsaylar erileri (Gresh-2001) Eksenel akl kompresr kademe hz incelemesi ve vektrel hz diyagramlar

4.1.1.2.1

Kompresrdeki herhangi bir kademedeki havann kanata geli as akn hzyla ilikilidir. Bu nedenle bir stator ve rotor kanadndan oluan kompresr kademesinin hz profilini inceleyecek olursak ve bu inceleme esnasnda kolaylk olmas bakmndan alar pozitif olarak alrsak; normal bir kompresr kademesi, kademe kndaki mutlak hzn ve ak dorultusunun, kademe giriindekinin ayn olduu kademe olmaktadr. Mutlak hz, sabit bir gzlemciye gre olan hzdr ve Kanatk hz ise indisi ile belirtilmektedir. Bal hz ise, kanatkla indisi ile belirtilmektedir. birlikte hareket ettii varsaylan gzlemciye gre olan hzdr ve diyagram gsterilmitir. Bir nceki kademeden veya klavuz kanatklarndan (kompresr giriinde bulunup havay ynlendirmek ile grevli) rotora gelen akn mutlak hz kanatk hz Unun vektrel olarak karlmas ile bal hz rotor kanatklarna bal olarak, kta Mutlak hz edilir. ve dorultusu hz ile , vektrel olarak ve dorultusu ve dir. Bundan as belirlenir. Ak, dorultusuna ynelir. ye eklenmesiyle elde

ile gsterilmitir. Aadaki ekilde bir kompresr kademesi hz

den kk

kanatk hznn

42

ekil-4.1.9 Eksenel akl kompresr kademesi hz diyagram (Meherwan-2006) Stator kanatklar, ak eksene doru saptrarak, salar. Normal kademede tanjant bileen olarak ve dir. vektrel hzna ve asna gre Rotora giren hava eksenel akl bileen olarak hznn dorultusunda olmasn

vektrel hzna sahiptir. Euler in trbin denklemlerinden denklem

(4) teki ve kompresrde nemli olan basn artn hesaplamamz mmkndr. (5) Ve yine denklem (3) teki enerji deiimi Euler in trbin denklemlerine vektrel hz diyagramlar uygulanarak entalpi : eklinde hesaplanabilmektedir. (6)

ekil-4.1.1.6 daki vektrel hzlar toplayarak hepsini vektrel hz genleri olarak ayn dzlemde gstermemiz mmkndr.

43

ekil-4.1.10 Vektrel hz genleri (Meherwan-2006) Vektrel hz diyagramlarna bal olarak Euler denklemini eksenel akl kompresr kademesindeki ii bulmak iin uygulayacak olursak, kompresr iini eklinde ifade ederiz. 4.1.1.2.2 Eksenel akl kompresrlerde reaksiyon oran (7)

Havann rotor ve stator kanatklar arasndan geii esnasnda, bir miktar difzyon (yaylma, dalma) olmaktadr ve buda her bir kanat kolonunda hzla artan kayplara neden olmaktadr. Rotorun basn artna katks, reaksiyon oranyla ifade edilmektedir. Eksenel akl kompresrlerde reaksiyon oran entalpi, basnlar veya ak geometrisi cinsinden ifade edilebilir. Reaksiyon oran basn cinsinden: eklinde ifade edilmektedir.

Fakat biz burada reaksiyon orann entalpiler ve ak geometrisi cinsinden hesaplayacaz; reaksiyon oran, entalpi cinsinden rotordaki statik entalpi artnn, tm kademedeki arta orandr ve aadaki ekilde ifade edilmektedir. (8) Burada; (9) (10) (11) 44

(12) (13) Sadeletirmeler yaplrsa bir kademedeki reaksiyon oran vektrel hz diyagramlarndan ak geometrisi cinsinden: olur. (14)

Simetrik eksenel akl kademede rotor ve stator kanatklar birbirlerine gre simetrik olarak dizilirler. Simetrik eksenel akl kademede bal hzlar mutlak hzlara eit olmakta ve ve olduu aadaki ekilde de grlmektedir.

ekil-4.1.11 % 50 Reaksiyon kademesi iin simetrik vektrel hz genleri (Meherwan-2006) Reaksiyon oran, kademe verimi zerinde nemli etkiye sahip olan bir dizayn parametresidir. Genel olarak ve simetrik kademelerde % 50 reaksiyon kademesi kullanlmaktadr. Eer kompresr simetrik kademeli olarak dizayn edilecekse bu tr dizayn da ilk rotor kademesine gelen havann hzn ve geli asn dzenlemek iin klavuz kanat uygulamas kullanlr. Simetrik kademe kullanmann avantajlarn sralayacak olursak: 1- 0.7-0.75 giri Mach saysn amadan yksek kanat hzlarna klabilir buda kompresrlerin dk aplarda ve arlklarda retilmesine imkan tanmaktadr. 2- Kademedeki statik basn art, rotor ve statorun eit katksyla salanmaktadr. 3- stenilen sktrma oranna az sayda kademe ile ulalabilmekte bu sonuta da kompresrlerin hafif olmasn salamaktadr. Uak endstrisinde genellikle simetrik kademeli bu tip kompresrler kullanlmaktadr. 4- Bu tr uygulama ile duraanlk yada hz dmesi (stall) ve ayrlmalar minimize edilmektedir. 45

Simetrik kademeli kompresrn dezavantaj ise dey vektrel hz bileeninden kaynaklanan yksek kompresr k kayplardr. Asimetrik kademe ise reaksiyon oran % 50 den farkl olan kademe olarak tanmlanmaktadr. Asimetrik kademeli kompresrlerde eksenel akl i akl ve eksenel akl d ak kademeli olmak zere ikiye ayrlrlar. Eksenel akl i ak kademesi kademeye giren mutlak hzn eksenel ak ynnde olduu asimetrik kademenin zel bir durumudur. Hareketli kanatlar kanad terk eden aka dn vermekte bu hareket, takip eden stator kanad tarafndan dzeltilmektedir. Bu dn hareketi ve hz aadaki ekilde grlmekte olup kademenin byk blmnde basn art hareketli kanat kolonlarnda % 60 ile % 90 aralnda deien reaksiyon derecesinde olmaktadr.

ekil-4.1.12 Eksenel akl i ak kademesi (asimetrik) hz diyagram (Meherwan-2006) Reaksiyon oran % 50 den byk olan bu tip kademenin avantaj, eksenel akl hz ve kanat hzndan kaynaklanan k kaybnn az olmasdr. Asimetrik i ak kademeli kompresrlerin dezavantaj ise sabit kanatlarda statik basn artnn dk olmas nedeniyle istenilen sktrma orann elde edebilmek iin kademe saysnn arttrlmasdr. Kademe says arttrldka daha nce belirtildii zere kompresr boyutlar artmakta ve kompresr arlamaktadr. Reaksiyon kademesi % 50 den byk asimetrik kademe uygulamasnn bir eidi de eksenel akl d akl kademe uygulamasdr. Bu tip dizaynda mutlak k hz eksenel ak ynnde olur ve statik basn art rotorda statik basn azalmas ise statorda meydana gelmekte, bu nedenle reaksiyon oran % 100 amaktadr. Bu tip kademe uygulamasnn avantajlar ise; 1- Dk eksenel hz ve kanat hznn olmas ve bu nedenle k kayplarnn azl. 2- Dk k kayplarnn olmas nedeniyle bu tip kademede yksek verim elde etmek mmkndr. 46

3- Bu tip kompresr uygulamas daha dk miktarlarda havann kompresre verilerek kompresrde statik basncn arttrlmas nedeniyle kapal evrim gaz trbinleri iin daha uygundur. Eksenel akl d akl asimetrik kademe uygulamasnn dezavantaj kompresr ap ve arlnn byk olmasdr.

ekil-4.1.13 Eksenel akl d akl asimetrik kademe hz diyagram (Meherwan-2006) Kompresr kanatlarna gelen havann hz nemlidir. Eer kanatlara gelen havann hz ok yksek olursa kanatlarda darbe etkisi oluacak ve kanatlar geen hava ses hznn zerine doru ivmelenecektir. Bu darbe etkisi kanatlarda trblansl aka ve srtnmenin artmasna neden olmaktadr. reticiler bu sorunu ortadan kaldrmak iin kanatk yaps zerinde almalar yapmlar ve zm kanatklarn boyunu uzatarak ve geniliini arttrarak bulmulardr. 4.1.1.2.3 Radyal denge Eksenel akl kompresrlerde ak, sreklilik, momentum ve enerji denklemleri ile ifade edilmektedir. Eksenel akl kompresrlerde akn karmakl nedeniyle bu denklemlerin zm zordur. Eksenel akl kompresrde iin byk ksm radyal akn yapt etki ile olumaktadr. Bu konunun daha kolay anlalmas iin baz basitletirmeler yapmak mmkndr. Bu basitletirmelerden ilki akn eksenel akl olarak simetrik olduunu gz nne almaktr. Burada, kast her bir eksenel akl ve radyal kanat kolonlarndaki akn ortalama evresel durumda olduunu betimlemektedir. Dier bir basitletirme ise radyal hz bileeninin eksenel akl hz bileeninden ok kk olduu ve bu nedenle ihmal edilebilir olmasdr. Basit radyal dengede radyal hz bileeninin eksenel ak ynndeki deiimi sfrdr radyal yndeki entropi deiimi ihmal edilebilir 47 ve

meridyenel hz gradyan;

, eksenel akl yndeki hza

eittir. Burada radyal statik basn

(15) Kanatk zerindeki keskin kavisli aerodinamik ekil iin basn gradyan: (16) Burada aerodinamik eriliin as, ise eriliin yarapdr.

4.1.1.3 Eksenel akl kompresr kanatklarnn incelenmesi Daha nceki ksmlarda kompresr kademelerini aerodinamiksel ve termodinamiksel olarak incelemitik. Bu ksmda ise kompresr kanatklarn yapsal olarak inceleyeceiz ve bir kompresr kanatnn nasl dizayn edildiini irdeleyeceiz. Kompresr kanatklarn yapsal olarak incelemeye balamadan nce kanatklar ile ilgili baz boyutsal ve geometriksel tanmlamalar yapmamz konunun daha iyi anlalmas asndan yararl olacaktr. Sabit kanat kolonlar: Stator kanat dizileridir. Hareketli kanat kolonlar: Rotor kanat dizileridir. Kavis hatt: Kanatk kavisini takip ederek belirten kanatn orta ksmndan geen izgidir. Kavis veya kanat as: Kanatk giri as Kanatk k as Ak giri as Ak k as n keskin kenar: .K. Maksimum kalnlk Ykseklik Geli a Bir kanatktaki kavis (erilik) yarapn ve eriliin aerodinamiini belirlemek iin kanat kolonlarndaki aerodinamik yapnn biiminin bilinmesi gerekmektedir. Aerodinamiksel yapnn biimi, halka biimindeki gei alanlarnn, kanatn kalnlk ve kavislilik dalmna ve kanatn giri ve kndaki ak asnn bir fonksiyonudur. Bu parametrelerin etkileri ile deerlerinin hesaplanmas zor ve karmak olduundan hesaplamada ampirik bantlar kullanlmaktadr. terasyon yntemi ile yaplan zmler ile de bir bant elde etmek mmkndr. 48 Yne oran Sapma as Erilik as Pi Erilik as Kanat genilii Kuyruk ksm keskin kenar: K.K Genilik

Yksek ynl oranlar ile yksek radyal ivmelenmelerin etkileri, dz olmayan kompresr i ksmnn uca doru inceltilerek, etkisizletirilebilir, bylece kavis bombesi de drlm olmaktadr. Yukardaki tanmlar aadaki kanatk ekil profili zerinden grp takip etmemiz mmkndr.

ekil-4.1.14 Eksenel akl akl kompresr kanatk profili (Giampaolo-2006) 49

Kanatk incelemesinde ilerideki ksmlarda karmza kacak parametreleri kanat zerinde gstererek vermek konun anlalmasnda kolaylk salayacaktr.

ekil-4.1.15 Eksenel akl kompresr kanat profili parametreleri (Meherwan-2006)

4.1.1.3.1

Yayma faktr

Yayma faktr Lieblien in kanatk yk kriteri ile tanmlanabilir; (17) Yayma faktr rotor kanat n ksm iin 0.4 ten kk, rotor kanat gbek ksm ve stator kanat iin ise 0.6 dan kk olmaldr. Deneysel sonular bize arka kademelerde verimin daha dk olduunu ve eer kademelerde yayma yk limitleri almad takdirde verimin nispeten yksek kaldn belirtmektedir. 4.1.1.3.2 Giri as , kompresr kanatnn karlat hava ak ile yapt a, hcum as arasndaki fark Giri as

olarak ta tanmlanmaktadr ve kanat giri as ile ak giri as kesiminde dk diren katsaylar (kayplar) iin arzu edilen, giri asn

olarak llmektedir. Akn ynne gre giri as pozitif veya negatif olmaktadr. Kanatk aralnda tutmaktr. Kavisli kanatk iin giri asn hesaplamada uygulanabilir metodun 50

temel teknii NASA tarafndan eitli almalar sonucunda gelitirilmitir. Bu metoda gre giri as: olmaktadr. Buradaki terimleri aklayacak olursak: Sfr kanat kavisi iin giri as deime yavalamas Sfr kavis giri as Havann dn as ile giri as deerlerindeki deeri Mach says etkisi , hava giri asnn fonksiyonu olarak tanmlanmaktadr. (18)

ise hava giri asnn fonksiyonudur. Bu parametreler aadaki diyagramlarda verilmitir.

ekil-4.1.16 Sfr kavis as diyagram

ekil-4.1.17 m sabiti (Meherwan-2006)

giri as iin genelde kanat kalnlnn % 10 nu alnr. % 10 kanat kalnlk deerlerinden farkl deerler iin dzeltme sabiti K kullanlr.

ekil-4.1.18 Dzeltme sabiti K, maksimum kanat kalnn % 10 nundan farkl deerler iin (Meherwan-2006)

51

Giri as Mach says iinde dzeltilmelidir

giri as mach saysnn 0.7 deerine

kadar etkilenmez diyagramdan da grlecei zere mach saysnn 0.7 deerine kadar dzeltme sabiti deimemekte, 0.7 den sonra ise dzeltme sabiti deerleri deimektedir.

ekil-4.1.19 Giri as iin Mach says dzeltme katsays (Meherwan-2006) Yukardaki diyagram ve parametrelerden yararlanarak verilen giri as formlne gre giri asn artk hesaplamamz mmkndr. Eksenel akl kompresrde giri as kontrol edilebilir ve performansa gre ayarlanabilir bir parametredir. 4.1.1.3.3 Sapma Eksenel akl kompresrde karlalan sapma, radyal akl kompresrde oluan ve ilerideki ksmlarda anlatlacak ayn temel aerodinamik nedenlerden tr ortaya kan kaymaya benzer bir olaydr. Kompresrde enerji transferi, kanat alarndan ve Euler enerji denklemlerinden hesaplanan deerlerden genellikle daha az miktarda olmaktadr. Bu sonu bize enerji transferi srasnda bir sapmann olduunu ortaya koymaktadr. Bu durum verimi etkilememekle birlikte giren enerjide deiikliklere neden olmaktadr. Sapmann kesin olarak bilinmesi nemlidir nk eksenel kanat sisteminde akn yn deitirmesi snrldr ve tahmin edilenden daha az olmas yn deitirmenin enerji tran