mikro gaz turbin cevriminin simulasyonu ve sistem kompenentlerinin optimizasyonu simulation of a...

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


2/114

T.C.

ULUDA NVERSTES

FEN BLMLER ENSTTS



OPTMZASYONU

YKSEK LSANS TEZ


Tolga AKMAK

Danman: Prof. Dr. Muhsin KILI

Bursa, 2007


3/114

ii

T.C.

ULUDA NVERSTES

FEN BLMLER ENSTTS



OPTMZASYONU

Tolga AKMAK

YKSEK LSANS TEZ


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)


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


5/114


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


7/114

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


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


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


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


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


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


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


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


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.


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.


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.


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


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.


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.


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,


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.


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.


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


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.


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


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


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


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.


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.


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


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


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).


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


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


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


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


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


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.


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


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.


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


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)


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


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


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


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).


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


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.


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

mikro gaz turbin cevriminin simulasyonu ve sistem kompenentlerinin optimizasyonu simulation of a...

Documents