Gaz Turbinli Gemilerde Ekserji Ve Termodinamik

8/3/2019 Gaz Turbinli Gemilerde Ekserji Ve Termodinamik

1/68

YILDIZ TEKNK NVERSTES

FEN BLMLER ENSTTS

GAZ TRBNL GEMLERDE EKSERJ VETERMODNAMK ANALZ

Turan UBU UUZUN

FBE Gemi naat ve Gemi Makinalar Mhendislii Ana Bilim Dal ndaHaz rlanan

YKSEK LSANS TEZ

Tez Dan man : Do. Dr. Tamer YILMAZ

STANBUL, 2006


2/68

ii

NDEK LER

Sayfa

SMGE LSTES .......................................................................................................................iv

KISALTMA LSTES ...............................................................................................................vi

EK L LSTES .......................................................................................................................vii

ZELGE LSTES .................................................................................................................viii

NSZ......................................................................................................................................ix

ZET.......................................................................................................................................... x

ABSTRACT .............................................................................................................................. xi

1. GR ..................................................................................................................... 121.1 NCEK ALIMALAR..................................................................................... 121.2 GAZ TRB N KULANIMININ TAR HSEL GELM................................... 17

2. GAZ TRB N TERMOD NAMK EVR M ...................................................20

2.1 Temel Gaz Trbin Teorisi ..................................................................................... 222.1.1 Yak nsakl k ve Iraksakl k Kavram .......................................................................222.1.2 Gaz Trbin Oluumunun Esaslar ..........................................................................232.1.3 Genel Gaz Trbin al ma Prensibi ...................................................................... 242.1.4 tme Kuvvetine evrenin Etkileri..........................................................................252.2 Gerek G/T evriminde Verimi Etkileyen Faktrler ............................................ 262.2.1 al ma Maddesinin H z ...................................................................................... 262.2.2 Bas n Kay plar .................................................................................................... 262.2.3 Yard mc Elemanlar............................................................................................... 272.2.4 Debi Artmas .......................................................................................................... 272.2.5 al ma Maddesi ................................................................................................... 272.3 A k evrimli Gaz Trbinlerinde Termal Verimi Etkileyen Faktrler.................272.3.1 Yak t Miktar ......................................................................................................... 272.3.2 Bas n Oran .......................................................................................................... 272.3.3 Kompresr Giri Is s ............................................................................................. 272.3.4 Kompresr Kanat Temizlii .................................................................................. 282.4 A k evrimli Gaz Trbinlerinde Verimi Artt rma Yntemleri............................ 282.4.1 Rejeneratrl Gaz Trbin evrimleri.................................................................... 282.4.2 Ara Soutmal Gaz Trbin evrimleri .................................................................. 292.4.3 Ara K zd rmal Gaz Trbin evrimleri ................................................................. 292.5 Gaz Trbinlerinin Kullan lmas .............................................................................312.5.1 Gemi Ana Makinas Olarak Gaz Trbini Kontrolu............................................... 32

3. LM 2500 GAZ TRB N EKSERJ ANALZ ....................................................34

3.1 Gaz Trbini Hal Noktalar ..................................................................................... 34


3/68

iii

Sayfa

3.2 Ekserji analizi ................................................................................ 363.3 Performans analizleri ............................................................................................. 403.3.1 Kompresr ............................................................................................................. 403.3.2 Trbin .................................................................................................................... 403.3.3 Yanma Odas ......................................................................................................... 40

4. LM 2500 GAZ TRB N TERMOD NAMK ANALZ.................................... 58

5. SONU.................................................................................................................. 65

KAYNAKLAR......................................................................................................................... 66

ZGEM.............................................................................................................................. 68


4/68

iv

SMGE LSTES E Ekserji

P E Potansiyel Ekserji K E Kinetik Ekserji Kim E Kimyasal Ekserji F E Fiziksel Ekserji

R niversal Gaz SabitiV H zu Enerjiv Hacim P Bas n

O P evre Bas nc T S cakl k

OT evre S cakl Q Is W

m Ktlesel Debi

am Hava Ktlesel Debisi

f m Yak t Ktlesel Debisi

pm rnn Ktlesel Debisi

q E Is Transferinden Kaynaklanan Ekserji

w E Transferinden Kaynaklanan Ekserji D E Ekserji Bozunumu

h Entalpiah havan n Entalpisi

h rnn Entalpisi X Mol Fraksiyonu Yak t-Hava Oran

k w Kompresr i

t w Trbini

aM Havan n Mol A rl

pM rnn Mol A rl s Entropi

g q Giren Is Miktar

q kan Is Miktar

net w Net

Braytonth , Brayton evriminin Is l Verimik zgl Is lar n Oran , v p C C /

pr Bas n Oran


5/68

v

ref p Atmosfer Bas nc


6/68

vi

KISALTMA LSTES ECOP Ekolojik Performans Katsay s G/T Gaz TrbiniKE Kinetik EkserjiPE Potansiyel Ekserji


7/68

vii

EK L LSTES Sayfa

ekil 2.1 Brayton evrimi P-V, T-S diyagramlar ................................................................... 20ekil 2.2 Nozul ve Difzer ....................................................................................................... 23ekil 2.3 Gaz trbininde nozul ve difzer olay ....................................................................... 23ekil 2.4 Rejenaratrl gaz trbini evrimi.............................................................................. 28ekil 2.5 Ara soutmal gaz trbini evrimi.............................................................................29ekil 2.6 Ara k zd rmal gaz trbini evrimi ............................................................................ 30ekil 2.7 Rejeneratrl ara soutulucu gaz trbini evrimi ..................................................... 30ekil 2.8 Rejenaratrl ara soutulucu ve ara k zd r c l gaz trbini evrimi .......................... 31ekil 3.1 Gaz trbini hal noktalar ............................................................................................ 35ekil 3.2 Yak t ekserji grafii................................................................................................... 53ekil 3.3 Kompresr k ekserji grafii.................................................................................54ekil 3.4 Yanma odas k ekserjisi ....................................................................................... 55ekil 3.5 Trbin k ekserjisi ................................................................................................. 55ekil 3.6 Kompresr ekserji kay p grafii................................................................................56ekil 3.7 Yanma odas ekserji kay p grafii.............................................................................56ekil 3.8 Trbindeki ekserji kayb grafii................................................................................57ekil 4.1 eitli kompresr devirlerinde birim ak kana gre kompresr ii ..........................62ekil 4.2 eitli kompresr devirlerinde birim ak kana gre trbin ii..................................62ekil 4.3 Gaz trbininin eitli kompresr devirlerinde s l verimi .........................................63ekil 4.4 Gaz trbininin geri i oran ........................................................................................64


8/68

viii

ZELGE LSTES Sayfa

izelge 1.1 Gemi sevkinde kullan lan baz gaz trbinlerinin g ve zgl yak t tketimdeerleri ............................................................................................................ 18

izelge 1.2 Ana tahrik olarak gaz trbini kullan lan ilk ticaret gemilerine ait bilgiler...........19izelge 3.1 Gaz trbininin spesifik deerleri ........................................................................... 42izelge 3.2 LM 2500 gaz trbini al ma parametreleri *..................................................... 43izelge 3.3 zellik tablosu (Bejan 1995).................................................................................44izelge 3.4 Azotun eitli gaz jeneratr devirlerinde entalpi deerleri .................................45izelge 3.5 Azotun eitli gaz jeneratr devirlerinde entropi deerleri.................................46izelge 3.6 Oksijenin eitli gaz jeneratr devirlerinde entalpi deerleri.............................46izelge 3.7 Oksijenin eitli gaz jeneratr devirlerinde entropi deerleri ...........................47izelge 3.8 Karbondioksitin eitli gaz jeneratr devirlerinde entalpi deerleri ................. 47izelge 3.9 Karbondioksitin eitli gaz jeneratr devirlerinde entropi deerleri...................48izelge 3.10 Su buhar n n eitli gaz jeneratr devirlerinde entalpi deerleri......................48izelge 3.11 Su buhar n n eitli gaz jeneratr devirlerinde entropi deerleri .....................49izelge 3.12 Kar m gazlar n n eitli gaz jeneratr devirlerinde entalpi deerleri ............49izelge 3.13 Kar m gazlar n n eitli gaz jeneratr devirlerinde entropi deerleri............50izelge 3.14 Gaz trbininin hal noktalar na gre fiziksel ve kimyasal ekserji deerleri.........51izelge 3.15 Gaz trbininin hal noktalar na gre Kw olarak toplam ekserji deerleri............52izelge 3.16 Gaz trbini kay p ekserji deerleri ...................................................................... 53izelge 4.1 Kompresr termodinamik analiz deerleri( 2881 =T K)....................................... 58izelge 4.2 Yanma odas termodinamik analiz deerleri.........................................................59izelge 4.3 Trbin termodinamik analiz deerleri...................................................................60izelge 4.4 Bir gaz trbinin birim ktle ak nda termodinamik analiz deerleri ...................61

A klama [FBE1]: Anametindeekil yaz s iin kullan lansitil ad


9/68

ix

NSZBir LM 2500 gaz trbinin say sal termodinamik ve ekserji deerlerini hesaplayan bu tezal mas esnas nda yard mlar n esirgemeyen ve her zaman vakit ay rarak ok deerli fikirleriile al malar ma yn veren Do. Dr. Tamer YILMAZ beye ve youn al ma s ras nda benidevaml motive eden eim Leyla UBUUUZUN , youn i temposu nedeniyle kendilerinehak ettikleri zaman ay ramad m k z m Ekin UBUUUZUN ve olum Aziz MertUBUUUZUNa teekkr bir bor bilirim.


10/68

x

ZETBu tezde Brayton evrimine gre al an LM 2500 gaz trbininin kompresr girii, yanmaodas girii, trbin girii ve egzoz s cakl klar kontrol paneli zerinden deer gsterme sistemiDDI(Digital Display Indicator) vas tas yla tespit edilmi ve bulunan deerler ile kompresr giri ve k ndaki havan n ,yanma odas giri ve k nda hava yak t kar m n n ve yanmaodas na girite yak t n fiziksel ve kimyasal ekserji deerleri eitli kompresr deerlerinegre say sal olarak hesaplanm t r. ncelikli olarak hal noktalar n n rettikleri ekserjideerleri hesaplanm , daha sonra toplam ekserji retimi bulunmutur. Daha sonra halnoktalar n n ekserji kay plar say sal olarak hesaplanm t r. Daha sonra DDI sisteminden eldeedilen deerler gre havay mkemmel gaz olarak kabul ederek sistemin termodinamik analiziyap lm t r. Sistemde yak t olarak metan gaz kullan lm ve hava yak t oran yzde 2 olarak kabul edilmitir. Yap lan analizler neticesinde birim zamanda akan ak kan miktar ndan ba ms z olarak kompresr ii, trbin ii, sisteme giren s , sistemden kan s ,evrimin

s sal verimi ve geri i oranlar bulunmutur.

Anahtar Kelimeler :Gaz Trbini,Ekserji,Termodinamik Analiz,Entalpi,Entropi


11/68

xi

ABSTRACTIn this thesis, the inlet of compressor, burning chamber and turbine and exhaust temperaturesof LM 2500 gas turbine working according to Brayton cycle were detected by the DDI(DigitalDisplay Indicator) on the control pannel and found values and the physical and chemicalexergy values of air in the inlet and outlet of the compressor and air-fuel mixture in the inletand outlet of the burning chamber and fuel in the inlet of the burning chamber were calculatednumerically to various compressor values. First, exergy values produced by state points werecalculated, then total exergy production was found. After that, exergy loses of state pointswere calculated numerically. Then accepting air as perfect gas, thermodynamic analysis wasmade according to the values derived from DDI system. In the system methan gas was used asfuel and air-fuel ratio was accepted % 2. In the consequences of analysis being made asindependent from fluid mass per time compressor and turbine works, heat going into system,heat going out of the system, thermel efficiency of cycle, remaining work ratios were found.

Key Words : Gas Turbine, Exergy, Thermodynamic Analysis, Enthalpy, Entropy


12/68

12

1. GR

Gnlk hayat n temel ihtiyalar ndan birisi enerjidir. Gnlk yaam n ierisinde enerjininkullan lmad herhangi bir saha yoktur. Gnmzde enerji kullan m toplumlar iingelimilik lt olarak kullan lmaktad r. zellikle elektrik ve s enerjisinin hayat m zda

nemli bir yeri vard

r. S

n

rl

doal kaynaklardan elde edilen bu enerjiler, talep art

na bal

olarak daha deerli hale gelmektedirler. Bu k ymetli enerjilerin deerlendirilmesinde sonkullan m noktas nda ki makinelerin verimi ne kadar nemli ise elde edilirken ki enerji

dnmleri de o kadar nemlidir. Kullan lan yak t n enerjisinin, elde edilmek istenen enerjitrne en yksek oranda dntrlmesi istenir. Enerji dnmnn % 100 olmas mmkndeildir. evre faktrleri ve dnm gerekletiren sistemlerin verimleri dnldndeyak t n enerjisinin tamam n mekanik yada s enerjisine dntrlmesi imkans zd r. Budurumda yak ttan elde edilecek maksimum enerji (ekserji) s n rl d r. Btn enerji dnmleritersinmezliklerin sebep olduu bu s n rlar dahilinde gereklemektedir. Enerji retim

sistemlerinin ve bu sistemleri oluturan komponentlerin (elemanlar n) bu s n rlara gredeerlendirilmesi yap lmal d r. Bu ekilde yap lan analiz yntemi ekserji analizi olarak adland r lm t r. Ekserji analizi ile sistem yada komponentlerin ekserji bozunumu yada ekserjikayb ndan kaynaklanan tersinmezliklerin miktarlar ve yerleri tespit edilir.Benzer sistemler

kar lat r l rken enerji ynnden kar lat rma yeterli olmayacakt r. nk enerji analizinde,evre faktrleri tamamen gz ard edilmektedir. Oysa sistemin etkileimde olduu evre,al ma artlar n deitirmektedir. Bu sebeple ekserji analizi neticesinde elde edilen ekserjiverimi ynnden sistemlerin kar lat r lmas daha yerinde olacakt r. Ekserji analizinde

sistemin veriminin art

r

lmas

hedeflenir. Ekserji veriminin art

r

labilmesi iintersinmezliklerin azalt lmas gerekmektedir. Analiz neticesinde belirlenen tersinmezliklerin

azalt labilmesi iin al nabilecek tedbirler belirlenir. Bu tedbirler erevesinde verim mmkn

olan en yksek deere kart l r.

Bu al mada enerji retim tesisi olarak halen al makta olan bir LM 2500 gaz trbinial nm t r. Sistemin al ma deerleri eitli kompresr devirlerine gre al nm ve budeerlere gre say sal ekserji ve termodinamik analiz yap lm t r.

1.1

NCEK ALIMALAR Horlock vd, (2000) , Kapal sistemlerin termik veriminin; elde edilen net iin verilen s yaoran olduunu, a k evrimlerde ise elde edilen net iin ideal artlarda elde edilebilecek tersinir ie oran olduuna iaret etmilerdir.Bu tan mdan hareketle literatrde termik


13/68

13

santraller iin ayr verim ifadesi olduunu belirtmilerdir. Birincisinde sisteme yak t vehavan n girip, egzoz gazlar n n kar m olarak kt kabul ile tersinir iin yak t n ekserjisiile egzoz gazlar n n fark , ikincisinde girenler ayn ama kanlar kar mam olduu kabul iletersinir ii yak t n ekserjisi, ncsnde ise girenler yak t oksijen ve azot kanlar kar mam olma durumunda tersinir net ii girenler ile kanlar n Gibbs fonksiyonu fark

olarak tan mlam lard r.Bu verim birbirine yak n olmakla birlikte farkl olduunu GeneralElektrik LM2500, Westinghouse/Rolls-Royce WR21 ve ABB GT24 kombine evrim tesisleri

zerinde hesaplayarak gstermilerdir. Elde ettikleri neticelerde birinci ve nc verimifadelerinin ikincisinden byk olduu, birinci verim ifadesinin daha gereki olduunu belirtmilerdir. Ayr ca tesisin performans n n, dizayn parametreleri (yanma s cakl ,hava/yak t oran gibi) ile deitiini, deiik tip tesislerin performans n n kar lat r lmas ndayak t n ekserjisinin nemli olduunu ifade etmilerdir.

El-Masri(1987), ekserji analizinin kombine evrim dizayn ve optimizasyonunda nemli bir

yntem olduunu belirterek hava soutmal brayton evrimli gaz trbin grubuna ekserjianalizi yapm t r. Komponentlere ktle, enerji ve bunlara bal ekserji denge denklemleriniuygulam ve ekserji verimlerini kartm t r. Kullan lan soutma basama iintersinmezlikleri bularak her bir basama n gce etkisini incelemitir. Yanma sonu s cakl k deiimiyle net i ve ekserji deiimlerini inceleyerek her bir komponentteki ekserji bozunumlar n ve kay plar n , bas n oran ile net i aras nda da ayn ilikiyi gstermitir.Kompresr bas n oran ve kompresr giri s cakl n n net i zerindeki etkisini ve btn basamaklar n yanma sonu s cakl ve ekserji verimine etkilerini incelemitir. Bylece ekserji

analizinin enerji analizi kadar kullan

labilir bir yntem olduunu, yanma tersinmezliklerinin bir model oluturarak detayl hesaplanabileceini, trbin giri s cakl art n n yanmaodas ndaki ekserji bozumununun azalt lmas na kar n trbinde soutma kayb n n art nasebep olduunu ama evrim verimini art rd n ekserji analizi ile a klam t r.

Chin ve El-Masri (1987), Gaz trbin grubunun alt na ilave edilen ift bas nl buhar trbin

santraline ekserji analizi yapm lard r. Analiz neticesinde buhar trbini parametrelerini gaztrbininin egzoz s cakl n n fonksiyonu olarak yaz p optimumartlar tespit etmilerdir.Daha sonra tek bas nl trbin ile optimize edilmi ift bas nl trbini kar lat rm lar vegte % 3lk bir art ve egzoz gaz ndan s transferindeki tersinmezliklerde % 15 ile % 8aras nda azalma olduunu belirtmilerdir. basamakl sistemle tersinmezliklerin dahaazalt labileceini ifade etmilerdir.

Derbentli (1986), Birleik s -g retiminde kullan lan ara buhar almal -youturuculu ve


14/68

14

kar bas nl evrimle al an santrallere enerji ve ekserji analizi uygulam t r. evrimlerintermodinamik modelini oluturarak deiik trbin giri halleri ve s ykleri iin s ve elektrik retimleri ile evrimlerdeki tersinmezlikleri hesaplam t r. Ara buhar almal evrimde k smi s yklerinde elde edilen elektrik enerjisinin artmakta, s n n deimemekte, g s oran n nh zla ykselmekte olduunu gstermitir. Kar bas nl da ise g s oran , k smi s

yklerinde tam yke oranla daha az deimekte, en yksek s ve elektrik eldesinin tam s yknde gereklemekte olduunu belirtmitir. Ayr ca komponentlerin enerji kay plar n kartarak, en yksek tersinmezliin kazanda olduunu ifade etmitir.

J n ve Ishida (1993), Gaz-buhar kombine, buhar enjekteli gaz trbini ve ara k zd rmal gaz

trbin tesislerine grafiksel ekserji analizi yapm lard r. Grafiksel ekserji analizinde her bir komponent iin enerji kullan m grafiklerini izmilerdir. Bu grafiklerin apsisinde transfer olanenerji, ordinat nda enerji seviyesi (ekserjideki deiim/enerjideki deiim) olup enerji vericikaynakla, al c kayna n enerji seviyeleri aras ndaki blge gsterilmektedir. Bylece; iki

kaynak aras ndaki blgenin deiimi ile ekserji kay plar n , al c ile verici aras ndaki en yak nnoktalar (pinch point), s transferlerini, kimyasal reaksiyonlar ve g deiimlerini bugrafiklerden grmenin mmkn olduunu ifade etmilerdir. sistem iin izilen enerjikullan m grafiklerinde, buhar enjekteli sistem iin verici kaynak egzoz gazlar al c kaynak ise

buhar, ara k zd rmal gaz trbininde verici egzoz gazlar al c havad r. Daha sonra yanma

odas ve gaz trbini, buhar trbini iin ayn eriler izilerek kimyasal reaksiyonlarda ve gretimindeki kay plar gstermilerdir.

Huang vd (2000), Buhar enjekteli gaz trbin gruplu kojenerasyon sistemine ekserji analizi

uygulam lard r. Sistemde ikinci rn olarak ok amal soutma hedeflemilerdir.Komponentlere ktle, enerji ve ekserji denge denklemlerini yazarak ekserji kay plar n tespit

etmilerdir. Sistemde parametre olarak kompresr bas n oran , enjekte edilen buhar oran , buhar s cakl ve besleme suyu miktarlar n alarak, birinci ve ikinci kanun verimleriniyazm lar, s g oran n hesaplam lard r. Sisteme youum kompresr ilave edip, d ar yaat lan youum suyunu sisteme dahil ederek ayn hesaplar tekrarlam lard r. Fakat bukompresrn ne birinci nede ikinci kanun verimine etki etmediini grmlerdir. En fazlaekserji bozunumunun yanma odas nda ve en fazla ekserji kaa n n bacada olduunu ifadeetmilerdir.

Diner ve Muslim (2001), Ara k zd rmal buhar trbin santralini modelleyip, termodinamik

analizini yapm lard r. Bu amala santrale termodinamiin birinci kanun ve ikinci kanunanalizlerini uygulam lard r. ncelikli olarak sisteme ait btn elemanlar iin enerji, ktle ve


15/68

15

ekserji denge denklemlerini yazarak, elemanlar n s l ihtiyalar n , i kt lar n , ekserjikay plar n ve tersinmezliklerini tespit etmilerdir. Hesaplamalar yazarken kazan s cakl ve

bas nc , ara buhar miktar ve net ii parametre olarak alm , 400-590 C 0 ve 10-15 MPaaral nda 120 farkl durum iin enerji ve ekserji verim deiimlerini incelemilerdir. Buincelemelerde, dier termodinamik zellikler Ghazlan termik santraline aittir. Ayr ca arak zd rma bas nc , kazan bas nc n n % 19u ve alak bas n trbinindeki bas n dnnyksek bas n trbinidekinin % 20si olduu kabul edilip, trbin verimleri ve pompaverimleri % 90 al nm t r. ekilen ara buhar n bas nc 0.15 MPa, kondanser bas nc 7 kPa ve

kondansere giri s cakl 39 C 0 olarak kabul edilmitir. Yap lan incelemelerde, eitli bas n

deerlerinde ekserji veriminin enerji veriminden daha yksek olduu, maksimum ekserji veenerji verimlerinin 14 MPa bas nc nda olduu, ekilen ara buharla ekserji veriminin dt,kazan s cakl artt ka ekserji bozunumunun artt , kazan bas n art n n ekserjideki bozunumu ok etkilemedii grlmtr. al man n sonucu olarak, hesaplamalarla elde

edilen deerler ile Ghazlan santralinden elde edilen gerek deerlerin kar lat r l p, paralellik olduu tespit edilmi ve mevcut santrallerin deerlendirilmesinde modelin uygun olduu belirtilmitir. al ma, sadece enerji ve ekserji analizlerini iermektedir.

Verkhivker ve Kosoy (2001), Termik santrallerin ekserji analizlerini yapm lard r. Ekserjianalizi sayesinde, komponentlerin sistem verimine etkisinin, sistemdeki bir komponentin saf

d kalmas n n sistem performans ndaki deiiminin, komponentlerin en yksek verimleriiin sistem veriminin maksimum deerinin ve sistem verimini art rmak iin metod belirlenmesinin mmkn olaca n ifade etmilerdir. Sisteme girenlerin ekserjilerininin,

kanlar n ekserjileri ile bozunumunun toplam olduunu belirtmilerdir. Bozunumunekserjisinin, girenlerin ekserjilerine oran n tersinmezlik faktr olarak tan mlam lard r.Btn komponentlerin tersinmezlik faktrleri toplam n n birden kart lmas yla, ikinci kanun

verimi veya ekserji verimini ifade etmilerdir. 232.6 MWl k Ara k zd rmal Rankin evrimlielektrik ve buhar reten termik santrale ekserji analizi uygulam lard r. Santrale yak t ile girenkimyasal ekserjiden hareketle, ak esnas ndaki btn kay p ve bozunumlar , elektrik ve buhar olmak zere rnlerin ekserjilerini hesaplay p, sistemin ekserji verimini elde etmilerdir.Daha sonra sistemde bozunumun ok olduu s t c daki (heater) s cakl k fark n azaltmak amac yla, trbine giren buhar n s cakl n art rmak iin ara k zd r c (reheater) ilave etmiler bylece bozunumu azaltm lard r. Fakat ara k zd rma bozunumu azaltmakla beraber, yak tlagiren ekserjiyi de art rd iin, sistemin ekserji veriminde bir miktar azalma meydanagetirmitir. Trbinden ara buhar ekerek, besleme suyunu s t p, bozunumun ok olduu


16/68

16

kazandaki s cakl k fark n azaltarak, sisteme giren ekserjiyi azaltm lar, bununda ekserjiveriminde art a sebep olduunu belirtmilerdir. Bylece sistemdeki bozunumlar nazalt lmas yla, ekserji veriminin art r labileceini gstermilerdir.

Alconchel, vd (1988),spanyadaki 3 350 MW gcndeki Teruel termik santraline ekserji

analizi uygulam

lard

r. Buhar evrimli olan tesisin gerek deerlerinden hareketle,simlasyonunu oluturmular ve deiik yk artlar nda tesisi deerlendirmiler, elde ettiklerineticelerle gerek al ma deerlerinin paralel olduunu ifade etmilerdir. Her bir ak noktas iin rn-yak t ilikisi ile ekserji analiz yaparak, tersinmezlik kaynaklar n tespit etmilerdir.Bylece tesisin herhangi bir al ma art ndaki davran n n nceden belirlenip o dorultudatedbir al nmas gerektiini ifade etmilerdir.

Jonston, vd (2001), Amerikadaki West point askeri blgesinde hem elektrik hem de blgesel s tma ihtiyac n kar layan Rankin evrimli termik santrale ekserji analizi uygulam lard r.Komponentlerin ayr ayr birinci ve ikinci kanun verimlerini yazarak, mevsimlere bal olarak s talebine gre davran lar n incelemilerdir. Olduka eski olduunu belirttikleri tesisteyap lacak yeniletirme ileminde enerji ve ekserji a s ndan hangi komponentlerin zerindedurulmas gerektiini tespit ederek optimizasyon yapm lard r.

Pak ve Suzuki (1997), Gaz trbinli kojenerasyon sistemlerinin blgesel s tma ve soutmaiin kullan m n ekserji a s ndan deerlendirmilerdir. al mada at k s kazanl gaz trbingrubu, buhar enjekteli gaz trbin grubu ve kombine evrim santralleri belirli bir g ve s iin

analiz edilmi, daha sonra deiik s ihtiyalar iin sistemlerin ekserjetik deerlendirmesiyap lm t r. Is ihtiya oran artt ka buhar enjekteli grubun ekserji verimi artarken kombineevrim veriminin dmekte olduunu, buhar enjekteli grubun maksimum verimininkombineninkinden yksek olup maksimum s oran nda olduunu, kombinenin maksimumveriminin en dk s oran nda olduunu ifade etmilerdir. Bylece blgenin s haritas ,talep miktarlar ve zamanlar kart larak, buna gre sistemin belirlenmesinin uygun olduunu belirtmilerdir.

Marrero, vd (2002), Kombine gaz-buhar amonyak evrimli tesisin ikinci kanun analizini ve

optimizasyonunu yapm lard r. Brayton evrimi ile al an gaz trbin grubuna ilave edilenat k s kazan ile elde edilen buharla al an Rankin evrimli buhar trbin grubu ve ona ilaveedilen amonyak evrimli trbin grubuna birinci ve ikinci kanun verimlerini yazarak

simlasyonunu yapm lard r. evrime etki eden parametreler olarak kompresr bas n oran ,gaz trbin giri s cakl , kompresr ve trbin izentropik verimleri,at k s kazan ndaki en


17/68

17

dk s cakl k fark (pinch point), at k s kazan ve regeneratr verimlerini alm lar, bunlara bal olarak tersinmezlikleri ve ikinci kanun verimindeki deiimleri incelemilerdir. evres cakl k deiiminin de ekserji verimine etkisini belirlemilerdir. Trbin giri s cakl n nart yla yanma odas ndaki tersinmezliklerin artt n , yanma odas na enjekte edilen buhar miktar yla tersinmezliklerin art n , at k s kazan ndaki s cakl k fark n n evrim verimine

ok az etki ettiini ve l evrimle verimin % 60 civar na kt n ifade etmilerdir.

Bu al mada ise halen faal olarak al makta olan General Elektrik LM 2500 gaz trbinininal ma esnas ndaki parametre deerleri etli kompresr devirleri iin tespit edilmitir. Bu parametreler kompresr giri s cakl , kompresr k s cakl /yanma odas giri s cakl ,yanma odas k s cakl /trbin giri s cakl , trbin k s cakl ve yak t giri miktar d r.Bu parametrelere bal olarak yanma odas giriine kadar sisteme giren gazlar n ve yanmaodas ve trbin k nda ise sisteme giren gaz ve yak t n entalpi ve entropi deerlerihesaplanarak sistemin ekserjik ve termodinamik analizleri say sal olarak hesaplanm t r.

1.2 GAZ TRBN KULANIMININ TAR HSEL GELM Bir geminin ana makinesinin seimi olduka nemlidir. Pervane ve sevk sisteminin genel

verimi makine gc ile elde edilir. Bu gc eitli tahrik niteleri ile salamak mmkndr.Bu aamada makine seim kriterleri devreye girer. A rl k, hacim, maliyet, iletme masraflar ,geminin elektrik ve s ihtiyac , gvenirlilik, bak m gereksinimleri, manevra yetenei, montajve onar m sresini, titreim ve grlt gibi kriterler gz nne al narak makine tipi seilir.

Gemilerde kullan lan tahrik sistemlerinden istenen en nemli zellik iletme gvenliidir.

Gemilerde bulunan yolcu, mrettebat ve ykn emniyetli ta nmas iin IMO(Uluslararas Denizcilik rgt) taraf ndan kat kurallar konulmutur. Bu nedenle gemide kullan lacak herhangi bir tehizat n ve ana makinelerin bu kriterleri salamas gereklidir. rnein dalgal bir denizde seyreden gemi dalgalar n etkisi ile hem ba-k hem de yalpa hareketi yapacakt r.Ayr ca dalgalar n etkisi ile grlt ve titreim meydana gelecektir. Bu tesirlerin etkisindekalan geminin sal kl olarak al mas artt r. Uluslararas kurallara gre gemilerdekullan lan gaz trbinlerinin yksek meyil a lar nda dahi emniyetli al mas gereklidir.Ayr ca geminin bulunduu ortam artlar nedeniyle nemli ve iinde tuz zerrecikleri bulunan

ortamda al

malar

gereklidir. Bu durumda tuz zerrecikleri kompresr ve trbin kanatlar

nakanat yzeylerine yap arak verim dne neden olurlar.

letme emniyeti yan nda ticari amal gemilerde ve sava gemilerinde ana tahrik iin istenenzellikler farkl l klar gsterebilir. Ticari bir gemi iin ekonomiklik ilk s rada yer al rken,


18/68

18

sava gemilerinde yksek h z/manevra kabiliyeti, hacim ve a rl k kriterleri n plana kar.

letme maliyetleri iinde en nemli yeri yak t giderleri tutmaktad r. Gemilerde kullan lan baz gaz trbinlerinin g ve zgl yak t tketim deerleri verilmitir (izelge 1.1).

izelge 1.1 Gemi sevkinde kullan lan baz gaz trbinlerinin g ve zgl yak t tketimdeerleri

Gaz trbini tipi G(kW) zgl yak t tketimi (g/kWh)

Rolls Royce Tyne 4000 290

Rolls Royce Olympus 21000 300

General Electr c LM-2500 21000 230

Gemilerin tahrikinde ana tahrik olarak gaz trbinlerinin kullan lmas 1937li y llara dayan r.

Almanlar ikinci dnya sava s ralar nda gaz trbinlerini denizalt gemilerindekullanm lard r.kinci dnya sava ndan sonra ngiliz deniz kuvvetleri denizaltl lar ndakullanm daha sonra Amerikan ve Frans z deniz kuvvetleri gemilerinde gaz trbinlerinikullanm lard r. Bir gaz trbini taraf ndan k smi olarak g salanan ilk gemi 1947 y l ndadenize indirilenngiliz donanmas na ait bir tekne olmutur. Burada kullan lan gaz trbiningc 1865 kW olup bu ilk uygulaman n amac gaz trbini dizayn ve iletmesi hakk ndatecrbe kazanmak idi. Birka kk ve h zl teknede gaz trbini kullan ld ktan sonra ngiliz

donanmas 1950lerde muhrip ve firkateyn s n f gemilerinde yayg n olarak gaz trbinikullan lmaya balan lm t r. Gaz trbinleri halen deniz kuvvetlerinde dizel motorlar ile birlikte kombine olarak veya yaln z balar na ana tahrik unsurlar olarak kullan lmaktad rlar.

Bahriyemize Ol ver Hazard(perry) s n f firkateynlerin Amerika Birleik Devletlerindentransfer edilen 8 adet firkateyn ile giren gaz trbinleri LM-2500 olup her gemide 2 adet vard r

ve ana tahrik unsurlar olarak kullan lmaktad rlar.

Ticaret gemilerinde kullan lmalar biraz daha gecikmeli olmu ve deneme niteliinde kalarak yayg nl k gstermemitir. izelge 1.2de ticaret gemilerinde gaz trbinlerinin ilk uygulamalar verilmitir.


19/68

19

izelge 1.2 Ana tahrik olarak gaz trbini kullan lan ilk ticaret gemilerine ait bilgiler

Gemi ad Aur s1 (ngiltere) Aur s 1 (ngiltere) John Sergeant(Usa)

Yk ta makapasitesi(DWT)(ton)

12300 12300 9000

H z (knot) 12 14 17

Makine gc(HP) 3355 4100 5600

Yanma odas k gaz

s cakl ( C)

600 650 790

Trbin/pervane deviri(rpm) 5700/120 6800/120 6900/115

na y l 1951 1959 1956

Gnmzde gemi inaat pazar nda h zl gemilere doru bir eilim bulunmaktad r. Yolcugemileri, feribotlar ve yksek sratli kk teknelerde dk a rl k/g oran nedeniyle gaztrbinleri yksek h zl dizel makinelere iyi bir alternatif oluturmaktad r.rnek olarak VillumClausen isimli feribot 597 yolcu, 186 ara kapasitesine sahiptir. 2 adet GE LM 2500 gaz

trbini taraf ndan tahrik edilmektedir toplam kurulu gc 18000kW, trbin devri ise 3600

dev/dkd r. Geminin servis h z 41 knot, maksimum srati 47.7 knott r.yak t tketimi

maksimum gcn % 85inde yakla k olarak 7.4 ton/saattir.


20/68

20

2. GAZ TRBN TERMODNAMK EVR M

Brayton evrimi ilk olarak 1870li y llarda George Brayton taraf ndan, kendi gelitirdii ya yakan pistonlu motorlarda kullan lmak zere ne srlmtr. Bugn Brayton evrimininkullan m , s k t rma ve genilemenin eksenel kompresrler ve trbinlerde olduu gaz

trbinleriyle s

n

rl

d

r. Gaz trbinleri a

k evrimle al

rlar. evre koullar

ndaki hava,kompresr taraf ndan emilerek s k t r l r, bas nc ve s cakl artar. Yksek bas nl havadaha sonra, yak t n sabit bas nta yak ld yanma odas na girer. Yanma sonunda oluanyksek s cakl ktaki gazlar trbinde evre bas nc na genilerken i yapar. Trbinden kanegzoz gazlar atmosfere at l r. Bylece a k evrim gereklemi olur.

A k gaz trbini evrimi hava standard kabulleri uygulayarak kapal bir evrim olarak

dnlebilir. Kapal evrimde s k t rma ve genileme ilemleri deimemektedir, fakatyanma ileminin yerini sabit bas nta s geii, egzoz ileminin yerini ise evreye sabit bas nta s verilmesi almaktad r. Arac ak kan n kapal bir evrimde dolat ideal evrimBrayton evrimi olarak adland r l r.

ekil 2.1 Brayton evrimi P-V, T-S diyagramlar

Brayton evrimi drt tersinir hal deiikliinden oluur (ekil 2.1).

1-2 aras nda kompresrde izantropik s k t rma2-3 aras nda sisteme sabit bas nta s geii3-4 aras nda trbinde izantropik genileme4-1 aras nda evreye sabit bas nta s geiiKinetik ve potansiyel enerji deiimleri ihmal edildii zaman, srekli ak l a k sistemlerinenerjinin korunumu denklemi birim ktle iinu ekilde yaz l r.


21/68

21

g hhwq = (2.1)

zgl s lar n oda s cakl nda sabit kald kabul edilirse(souk hava standart kabl)sisteme ve sistemden s geileri yle olacakt r.

)( 232323 T T C hh g q P g === (2.2)

)( 141441 T T C hhqq P === (2.3)

Bu denklem kullan larak ideal Brayton evriminin verimi aa daki gibi ifade edilir.

)1/()1/(1

)()(11

232

141

23

14,

=

===T T T T T T

T T C T T C

q

q

qw

P

P

g

g

net Braytonth (2.4)

1-2 ve 3-4 hal deiimlerinin izantropik ve ,32 P P = 14 P P = gz nne al n rsa,

( ) ( )

4

3/1

4

3/1

1

2

1

2

T T

P P

P P

T T

k k k k

=

=

=

(2.5)

olur, s l denklem de sadeletirme yap l rsa

k k p

Braytonth r /)1(,11 = (2.6)

denklemi elde edilir.

Basit bir gaz trbini kompresr, yanma odas , g trbininden oluur. Bu gaz trbininin esastermodinamik evrimiyledir:

Sabit entropide s k t rma (kompresr), sabit bas nta yanma (yanma odas ), sabit entropidegenleme (trbin) ve sabit bas nta atmosfere k (egzoz). Termodinamik evrimekil 2.1de verilmitir.

Basit bir gaz trbininin al ma prensipleriekil 2.1, yard m yla incelenecek olursa:

1-2 Faz nda al ma maddesi hava kompresr giri k sm ndan (atmosferden) emilerek bas nc artt r l r ve yanma odas na sevk edilir. 1-2 Faz nda bas n ve s cakl k artar, hacim

klr

2-3 Faz nda yak t nozullar vas tas yla s k t r lm hava zerine yak t pskrtlr ve bukar m bir buji vas tas yla yak l r. 2-3 Faz nda s cakl k ve hacim artar, bas n sabittir.


22/68

22

3-4 Faz nda s nan ve h zla genleen gazlar yanma odas ndan karak trbin rotoruna sevk edilir. Trbin hareketli ve sabit kanatlar (Rotor X Stator) aras ndan geen gazlar ta d klar termal ve kinetik enerjilerini mekanik enerjiye dntrrler. 3-4 Faz nda hacim artar,s cakl k ve bas n der.4-1 Faz nda atmosfer bas nc na kadar genlemi olan gazlar zerlerinde bir miktar termal

enerji olduu halde atmosfere egzoz edilir. 4-1 Faz nda bas n sabit kal r, s cakl k ve hacimder.

Yanma odas nda ilk olarak buji vas tas yla balat lan yanma neticesi meydana gelen s cak gazlar trbin zerinde genleirken s enerjisi mekanik enerjiye dnr. Trbinin dnmesi ileayn afta bal olan kompresr dnmeye devam eder ve yanma odas na sevk olan hava vezerine pskrtlen yak t yanmakta olan kar m ile alevlenerek yanmas na devam eder.Bylece trbinin dnmesi ile trbinin dier ucundan g elde edilir ve bu k balad ktansonra olay srekli, kararl , ve kendini devam ettirecek bir ekle dnr.

Gaz trbininin termodinamik etd drt ana kabulden dolay ok kolayla r.

1) Gazlar n s cakl n azaltmak zere gereinden ok fazla hava (normal yanma havas n n4-5 kat ) atmosferden al n r ve bylece hava/yak t oran (yakla k 60/1) iinde yak tktlesi hava ktlesine nazaran ihmal edilebilir ve sistem giri k debisi sabittir.

2) Kullan lan ak kan hava, ideal gaz koullar n salar ve evrim boyunca bileimi ve zgl s s deimez.

3) Atmosfere k s cakl yksek olduu iin younlaabilir rnlerinde gaz olarak kt kabul edilir.

4) Ak m srekli olduu iin muayyen kesitlerdeki ak h z sabit ve homojendir. Kesit

geilerindeki bas n kay plar ve kinetik enerji farklar ihmal edilebilir.

2.1 Temel Gaz Trbin Teorisi

2.1.1 Yak nsakl k ve Iraksakl k Kavram Gaz trbininin uygun al mas iin iki faktr gereklidir. Bunlardan birincisi Newton'un 3.kanunu, dieri yak nsakl k ve raksakl k ilemleridir ki burada yak nsakl ktan kas t nozul, raksakl ktan kas t ise difzerdir. Bernoulli prensibi de bu ilemler iin geerlidir. Venturiolay , (otomobil karbratrlerindeki gibi) Bernoulli prensibi ve yak nsak/ raksak ilemlere

gzel bir rnek tekil eder. Bernoulli prensibine gre, eer bir ak kan nozul zerindengeirilirse ak kan n h z artar ve bas nc azal r veya ak kan bir difzerden geirilirse budurumda ise olay n tersi gerekleir yani h z azal r ve bas n artar. Trbin sabit kanatlar nozula, kompresr sabit kanatlar ise difzere rnek tekil etmektedir. Nozul ve difzer ekil


23/68

23

2.2de gsterilmitir.

ekil 2.2 Nozul ve Difzer

2.1.2 Gaz Trbin Oluumunun Esaslar

Eer kompresr bir aft ile trbine balarsak basit bir gaz trbini elde ederiz. Kendikompresrn al t rmak ve faydal i yapmak iin yeterli gc salayabilir. Elde edilenfaydal i`i ise bir jeneratrn veya gemi pervanesinin evrilmesinde kullanabiliriz.

ekil 2.3 Gaz trbininde nozul ve difzer olay

KOMPRESR

KANATLARI

KOMPRESR

ROTORU

HAVA GR

EGZOZ

YANMA ODASI

DFZER

KOMPRESR

KANATLARI

TRB N ROTORU

TRB NTRB N KANATLARI


24/68

24

2.1.3 Genel Gaz Trbin al ma PrensibiGaz trbinlerinin al mas esnas nda bas n, h z ve hacimde deiiklikler meydanagelir.Yak nsak - ilemi Bernoilli prensibinin bir uygulamas d r. (Bir tp boyunca akan bir s v daralan tbe yakla rsa tp boyunca akan s v n n h z artar ve bas nc azal r. S v boruyu terk edince ise tersi dorudur. H z azal r ve bas n azal r. Boyle ve Charles kanunu ile bu ilem

esnas nda kar la l r. Hava kompresrn n taraf ndan girer. Kompresrn dner eleman rotor dizayn nda arkalara doru olan alanda azalma oluturulmutur. Bu daralan yap yak nsak bir alan oluturur.

Her bir dnen kademe aras bir sabit kademe veya statordur. Stator k smi olarak yksek h z ,

bas nca dntrr ve havay bir sonraki dnen hareketli kanada sevk eder. Her bir ift rotor-stator kanad bir bas n kademesini oluturur. Her bir kademede bas n artar , hacimazal r(Boyle Kanunu). Bu ilem havan n difzere girmesine kadar devam eder.

Difzer k sa bir blmdr. Bu blgede ok byk bir deiiklik olmaz. Hava difzerin sonunayakla rken raksakla r.Yani bu noktada havan n h z azal r , bas n ve hacim artar. Bas ndifzer boyunca sabit kal rken , burada h z enerjisi bas n enerjisine dnr. Bernoilli prensibi ve Boyle kanununun tersi oluur. Kompresr devaml olarak bu blgeye daha fazlahava gnderir ve bu blgede sabit bas n ve debide bir hava ak salan r. Havan n yanmaodas na girmesi ile sabit bas nta yanma meydana gelir. Yanma sonunda havan n ve yanm gazlar n hacminde byk bir art meydana gelir (Charles Kanunu ).

Yanm gazlar arkaya trbin nozul blgesine doru ilerler. Bu k s mda h z artar, bas n azal r,yksek s cakl k , yksek h z ve alak bas nl gazlar trbin giri nozulu zerinden trbinrotorunun birinci kademesine girer.

Yksek h z, yksek s cakl ktaki gazlar, h z enerjisi ve s enerjisini trbin kanatlar na transfer

ederek rotorun dnmesini salar.Bu blge raksak bir blge yani difzer zelliindedir. Her bir dnen trbin kademesi aras bir statik kademe veya nozuldur. Bir trbin nozulu bir dizi

vane'li bir stator ringidir. Vane'ler yanma gazlar n trbin kanatlar zerine dzgn olarak ve

tam a da yneltir. Vane'ler aras ndaki pasajlar trbinin son kademelere doru genileyen raksak ekil ve grnm nedeniyle raksak nozul olarak dizayn edilmitir. Her bir pe peegelen nozul kademesi zerinden getike, h z gaz zerine verilir. Her bir nozul gaz n

genilemesini kontrol ederek s ve bas n enerjisini h z enerjisine evirir. Her bir trbin


25/68

25

kademesi bir ncekinden daha byktr. Bas n d olduka h zl d r. Sonuta her bir kademe, dk bas n, dk s cakl k ve byk hacimdeki gaz n enerjisini kullanmak iindaha byk olmal d r. Trbinde ekil ve saha itibar yla raksakl k sz konusudur. Bu husus bas n enerjisini ok sratli drp gazlar n abuk genlemesinin salanmas iindnlmtr.

Atmosfer havas n n, kompresr taraf ndan bas n ve h z artt r l r ve hacmi azalt l r. Her bir

kademe havay sadece 1.2 kez s k t r r. Trbin rotorunda gazlar s ve bas n enerjisini b rak r ve alt kademe boyunca hacmi artar. Bu sratle olmazsa, bu olay yanma odas ndaki

s cak gazlar n kompresr kademelerine doru ilerlemesine ve kompresr disar havas n nkesilmesine "surge" ve "stall" (v nlama, hoplama, gmbrdeme) olaylar na neden olacakt r.

Surge ve Stall olay birka saniye iinde bir gaz trbinin hurda hale gelmesine neden

olabilmektedir. Bu nedenle byle bir olay n meydana gelmesi durumunda derhal trbin stop

edilmelidir.

Egzoz gazlar trbin son kademesinden atmosfere at lmaktad r. Egzoz k n n ileri blmleride raksak blgenin devam d r. Bu nedenle s cak gazlar n genlemesi bas n ve h zlar n ndmesi bu blgede de devam etmektedir. Egzoz blgesinin uzunluuna ve ap na bal olarak gazlar atmosfer bas nc n n az zerinde bir bas nla atmosfere egzoz edilir.

2.1.4 tme Kuvvetine evrenin EtkileriYksekliin fazla olmas -(hava souk ve younluu az) yksek s cakl k-(molekller serbesttir ve bir arada duramazlar) dk barometrik bas n-(dk al ma noktas ) ve yksek nem

nedeni ile dk miktarda hava ak m n n olmas ve dk g demektir.

Dk ykseklik, dk s cakl k, dk nem ve yksek barometrik bas n fazla miktarda havaak m ve buna bal olarak yksek g demektir. Bir gaz trbininin verimi yak t kuvvet veyagce etkin olarak evirebilmesi veya saatteki yak t tketimi ba na elde edilen itme kuvvetininkar l zgl yak t tketimi taraf ndan belirlenir. Hava ve yak t bir gaz trbininde gretimi amac yla birlikte kullan l rlar. Havan n normal bileimi :

% 21 Oksijen

% 78 Nitrojen

% 1 Dier gazlard r.

% 21 Oksijen, yak t n yak lmas veya oksitlenmesi iin kullan l r. Geri kalan % 79lik k s m

gaz trbini evriminde kimyasal etkisi olmayan ve ie yaramayan k s md r.


26/68

26

S k t rma Oran : S k t rma oran , kompresr k bas nc n n kompresr giri bas nc na blmne eittir.Kompresr hava ak m miktar (ktlesel debi): Kompresrn ktlesel debisi ncelikle

kompresr giri kesit alan na bal olmakla birlikte h za, kompresr rotorunun dn h z nave evre veya d ortam havas n n zelliine bal d r.

Her bir kanat kademesi veya kademeden kademeye getike kanat dik kesit alan giderek

azal r bylece hava ak m n n bas nc ve s cakl kompresr k na doru nemli miktardaartar. Kompresr kanat kademelerinde yap lan toplam i miktar (pompalama ve s k t rma)ok kktr. Bylece toplam s k t rma oran her bir kademedeki s k t rman n toplam olmaktan ziyade arp m d r.

Bas n oran her bir kademe iin ayn d r fakat son kademede bas n art daha byktr. H zve younluk kompresr boyunca bas n art nda bir etkiye sahiptir. S k t rma oran gaztrbini h z yla artacak veya azalacakt r. Kompresr giri s cakl ayn zamanda kompresr boyunca bas n art zerinde bir etkiye sahiptir.

Kompresrdeki hava ak m n n durmas kompresrden akan dzensiz hava ak m ile

gerekleir. Kompresr k ndaki hava yanma ve motorun iindeki paralar n soutulmas iin kullan l r. Yakla k %20 si yanma odas nda kullan l rken %80 i soutma iin kullan l r.

Trbinin s cakl yaln z kompresrn durmas ndan dolay artmaz, ayn zamanda zengin yak tkar m da buna neden olur. Fakat egzoz gazlar n n s cakl n n artmas trbin soutmahavas n n azalmas (kompresrn hava ak m n n durmas nedeniyle) sonucunda da olur.

2.2 Gerek G/T evriminde Verimi Etkileyen Faktrler

2.2.1 al ma Maddesinin H z Trbo makinelerde ak kan h z yksek olduundan her eleman n giri ve k aras ndakikinetik enerji deiimi ihmal edilemez. Ayn nedenlerle srtnme, trblans, cidardanayr lma, ok gibi nedenlerle meydana gelen kay plar olduu iin trbin ve kompresrdekigenleme ve s k t rma izentropik deildir. Giri ve k aras nda entropi art olur.

2.2.2 Bas n Kay plar Yanma odalar nda alev dengeleyici ve kar t r c paralar n aerodinamik direnlerinden veegzotermik reaksiyonun neden olduu momentum deiikliklerinden dolay toplam bas nta bir azalma olur. Ayr ca ak kan n srtnmesinden dolay btn birimlerde ve zellikle


27/68

27

kanallarda bas n dmeleri olur ve bunlar genellikle birim kay plar iinde gz nne al n r.Bu kay plar yznden trbindeki bas n oran kompresrdekine nazaran azal r ve dolay s yla

net ite bir azalma meydana gelir.

2.2.3 Yard mc Elemanlarevrimden elde edilen faydal iin bir k sm yataklarda, kompresr ve trbin aras ndaki balant larda, ya motorin tulumbas gibi elemanlar n evrilmesinde kullan l r. Kompresrdes k t r lan havan n bir k sm da trbin kanatlar n n, yanma odas eperlerinin, tahrik aft n nve eitli yard mc elemanlar n soutulmas nda kullan l r.

2.2.4 Debi Artmas Yanma odas na giren havaya % 1-2 yak t/hava oran nda yak t eklendiinden yanma odas giri k aras nda bir debi art vard r.

2.2.5 al ma MaddesiKullan lan ak kan n termodinamik zellikleri, evrim boyunca s cakl k ve kimyasal bileimindeimesi ile ayr ca giri havas ndaki nem ve toz miktar ile deiir.

2.3 A k evrimli Gaz Trbinlerinde Termal Verimi Etkileyen Faktrler

2.3.1 Yak t Miktar Yanma odas na pskrtlen yak t miktar nda bir azalma olursa kompresrde s k t r lanhavaya eklenen s miktar azal r. Gazlar n i enerjisinde meydana gelen dme trbin rotorudn h z n azalt r. Bas n oran ve debi der. Bu durumda birimler dk verimleal aca ndan sistemin toplam termik verimi der.

2.3.2 Bas n Oran Belirli bir deere kadar artan bas n oran termik verimi artt rmas na kar n belirli deerlerdensonra ok yksek bas n oranlar termik verimi azalt r.

2.3.3 Kompresr Giri Is s Kompresr giri s cakl dtke s k t rma ilemi kolaylaaca ndan kompresrdeharcanan g azalacakt r ve termik verim artacakt r.

yle bir rnek verecek olursak, kompresr giri s cakl ndaki 1Flik art trbin toplamgcnde % 0.5lik bir azalma meydana getirecektir. Bu g kayb n n telafisi iin yanma


28/68

28

odas na daha fazla yak t pskrtlmesi ortaya kacakt r. Tersi olayda ise ayn gc elde

etmek iin yanma odas na daha az yak t pskrtlecek ve yak t tasarrufu salanm olacakt r.

2.3.4 Kompresr Kanat TemizliiKompresrn atmosferden emmi olduu havan n iinde bulunan toz, tuz ve ya zerreciklerikompresr kanatlar zerinde birikerek kanat aerodinamiini bozar. Bu durum kanatzerindeki hava ak n bozarak tersine kuvvetler oluturur ve kompresrn dnn zorlar.Devir dmesini kar lamak zere yanma odas na daha fazla yak t pskrtlmesi gerekir.Kanatlar n kirlenmesi ayn zamanda hava ak nda kesintilere, kompresr k bas nc ndadmelere neden olaca iin Surge-Stall-Choke gibi tehlikeli olaylar meydana getirecektir.

2.4 A k evrimli Gaz Trbinlerinde Verimi Artt rma Yntemleri

2.4.1 Rejeneratrl Gaz Trbin evrimleriBasit gaz trbini evrimlerinde sistem verimlerini artt rmak iin baz ilave cihazlar

kullan labilir. Bunlardan biri olan rejeneratrler atmosfere at lmakta olan gazlar n halen sahip

olduklar termal ve i enerjilerinden yararlanarak kompresr verimini artt rarak verime

katk da bulunurlar.ekil 2.4de rejeneratr ilave edilmi bir gaz trbini grlmektedir.

ekil 2.4 Rejenaratrl gaz trbini evrimi

Trbinde genleen gazlar n a k ve basit evrimli gaz trbinlerinde atmosfere at lmaktad r. Bu

egzoz gazlar iindeki art k termal enerji kompresrden kan s k t r lm havan n yanmaodas na girmesinden nce bir s deitirici arac l ile n s tmaya tabi tutulmas amac ylakullan l rsa bu sisteme rejeneratr ad verilir. Is tma ilemi s k t rma ileminden sonraolaca iin kompresr verimi menfi olarak etkilenmez fakat yanma odas na daha az yak t


29/68

29

pskrtlecei iin yanma odas verimi artar. Rejeneratr dizayn nda dikkat edilmesi gerekenhusus bas n kay plar n n olmamas d r. Souk taraftaki bas n dleri kompresr iiniartt r r. S cak taraftaki bas n ykselmeleri ise trbin zerinde ters bas n yaratarak trbin

iini azalt r dolay s yla sistemin verimi azal r.

2.4.2 Ara Soutmal Gaz Trbin evrimleriHavan n kompresrde s k t r lmas ilemi izotermal ileme yaklat oranda kompresr iiazal r. Dolay s yla sistem verimi artar. Gerek gaz trbini evrimlerinde izotermal ilemeyaklaabilmek amac yla s k t rma olay iki veya daha fazla kademeye blnr. Hava ikis k t rma kademesi aras nda bir s deitirici vas tas yla soutulur. Hava soudukayounluu artaca iin daha az g harcanarak gerekleir. Ad geen s deitiriciye arasoutucu denir.ekil 2.5da ara soutucu ilave edilmi bir gaz trbini evrimi grlmektedir.

ekil 2.5 Ara soutmal gaz trbini evrimi

ki kademeli ara soutmas olan bir sistemde, en dk g gereksinmesi; toplam bas nart , kademeler aras nda eit olarak blnd zaman oluur.

2.4.3 Ara K zd rmal Gaz Trbin evrimleriBasit gaz trbin evrimlerinde gaz kar m izantropik ilemle genleir. Ancak trbinler izotermal genlemede daha iyi verim salar. Gerek gaz trbinlerde yakla k izotermal ilemelde edebilmek iin genleme olay iki veya daha fazla kademeye blnr ve gazlar birincitrbin kademesinden kt ktan sonra ikinci kademeye girmeden nce trbin giri s cakl na


30/68

30

kadar ikinci bir yanma odas vas tas yla s t l r. Kademe say s artt ka izotermal ilemeyakla l r. kinci yanma odas na ara k zd rma ad verilir. ekil 2.6de ara k zd rmal gaztrbini evrimi grlmektedir.

ekil 2.6 Ara k zd rmal gaz trbini evrimi

Yukar da bahsedilen verim artt r c yntemler tek balar na sisteme ilave edildikleri gibi

bunlar n kombinasyonlar da oluturulabilir. ekil 2.7 ve ekil 2.8de rejeneratr ve arasoutuculu, rejeneratr-ara soutucu ve ara k zd rmal G/T evrimleri grlmektedir.

ekil 2.7 Rejeneratrl ara soutulucu gaz trbini evrimi


31/68

31

ekil 2.8 Rejenaratrl ara soutulucu ve ara k zd r c l gaz trbini evrimi

2.5 Gaz Trbinlerinin Kullan lmas Gaz trbinleri, g k na oranla a rl klar n n az olmas ve az yer kaplamalar nedeniyledier btn iten yanmal makinelere tercih edilir. Ancak pistonlu makinelere nazaran yak tmasraflar ok fazla olduu iin yksek sratli hava yast kl gemiler (SES) d nda akaryak tsarfiyat n n dnlmedii sahada uygulan r. Genel olarak ifade edilirse bir dizel motorunrettii her bir beygir gcne kar l k a rl bir gaz trbininin 5-10 kat d r. ktisadi seyir bak m ndan ise dizeller deniz suyundan daha az etkilenip bak m tutum kolayl nedeniyle

daha ekici olurlar. Sava gemilerinde ok k

sa srede yksek srat istenirse gaz trbinleritercih edilir. Bugn birok donanmada dizel istenmesine kar l k ngiliz Donanmas gaztrbinlerinin kullan lmas iin prensip karar alm t r. Gaz trbinlerinden elde edilenaft gcu maksatlar iin kullan labilir:

1) AC/DC Jeneratrlerin tahriki

2) Gemi pervanesinin tahriki

3) Uak veya helikopter pervanesi tahriki

4) Tulumba veya kompresr tahriki

5) A r tonajl kara aralar n n tahriki

Bu yerlerde gaz trbinlerinin kullan m iin gaz trbinin belirli kontrollere ihtiyac vard r.

Kullan m yerlerine gre kontrol gereken parametreler unlard r :


32/68

32

1) AC jeneratrler iin retilen voltaj n frekans

2) Gemi ana makinesi iin gemi srati

3) Uak ve helikopter iin uu sratleri

4) Tulumba ve kompresr iin kapasite

5) Kara ta tlar iin srat

Bu parametrelerin kontrolne ana kontroller denir. rnein AC jeneratrlerde kullan lan gaztrbinlerinde ana kontrol sistemi btn yklerde retilen voltaj n frekans n yani trbin

devrini sabit tutar. Oysa ana makinesi sabit olarak pili bir pervaneyi eviren gaz trbininin

ana kontrol sistemi belirli bir aft devrindeaft torkunu sabit tutar. Dolay s yla kontrol iin ilk ihtiya, elde edilen gcn gerekliekilde kullan m ve gaz trbininin kullan m maksad anakontrol sistemini belirleyecektir. Ayr ca btn kullan m yerleri iin mterek olmak zere gaztrbininin koruyucu kontrollere ihtiyac vard r.

2.5.1 Gemi Ana Makinas Olarak Gaz Trbini Kontrolu1) Gemide ana makina olarak kullan lan gaz trbinleri iin temel kontroller Gemi

srati,srast,yak t ak ,aft devri (rpm).

a. Gaz trbininde iki ayr devir mevcuttur.

1) Gaz retici trbin devri Ngg

2) G trbin devri N pt

b. Pervaneaft devir deiiklii1) G trbini devri (pi a s sabit)

2) Pi a s deiimi (g trbin devri sabit)

c. Pervane devir ynnn aksedilmesi (Tornistan)

1) Pi a s n n ters evrilmesi

2) Gla

2) Dier kontroller ise : Uzaktan kumanda, start ve stop, ivmelenme ve yavalama,makinelerin deiimi (G/T den dizele veya iktisadi srat G/T ne gei veya tersi)

3) Makinenin korunmas : Ani yk kayb (ambeleye kalkma), yanl kumanda, a r ve ok ani ykleme, G/T bnyesinde ar za (kanat kopmas , nozul ar zas ), yard mc sistem ar zas (y.ya , hava, yak t v.s.)


33/68

33

4) Gaz trbinlerinde kullan lan kontrol sistemlerinden beklenilen zellikler : Kumandaabukluu, kararl al ma, hassasiyettir.

5) Gaz trbininin normal al ma durumunda kontrol edilecek parametreler : gaz reticitrbin devri (Ngg), g trbin devri (N pt), trbin giri s cakl (TIT) d r (egzoz gazharareti de EGT say labilir).


34/68

34

3. LM 2500 GAZ TRBN EKSERJ ANALZ

3.1 Gaz Trbini Hal Noktalar Gaz trbini hal noktalar ekil 2.9da gsterilmitir. Bir sava gemisinde bulunan LM-2500gaz trbininin kompresr, yanma odas ve trbin k s mlar modl iinde bulunmakta olup

ridak nger balant s n yapan sss gla ve ridak nger modl d ndad r.

Kompresr 16 kademeden olumakta olup, ilk start gemi dizelleri zerinde bulunan start air kompresr(SAC) ile veya gemide bulunan yksek bas n kompresrleri ile yap lmaktad r.

Rlanti devrine ulat ktan sonra trbin kademesinin n k sm nda bulunan yksek bas ntrbini ile dndrlmektedir. 16 kademenin 7 kademesinde bulunan kanatlar sabit olmay p

a lar yk durumuna gre deimektedir.

Yanma odas kompresr k nda bulunmakta olup 2 adet buji ile ateleme yap lmaktad r.

Ayr

ca 30 adet yak

t nozulu ile yanma odas

na yak

t pskrtlmektedir. Yanma odas

na gelenhavan n % 25i yanmay merkezlemek ve %5i yanma odas n soutmak iin kullan l r.

Trbin 6 kademeden oluur. Trbinin son kademesinden sonra gazlar egzoz sistemine verilir.Kademelerde trbin rotorunu eviren gazlar bacadan d ar at l r.

Gla modl d nda bulunmakta olup gaz trbini devreye girdikten sonra trbin devri 500RPMi getikten sonra otomatik olrak ridak ngere balanmakta, trbin stop edildikten sonradevir 500 RPM e dtnde otomatik olarak ridak ngerden ayr lmaktad r.

Ridak nger trbin devrini dkmek iin kullan l r. 20ye 1 drme oran na sahiptir. Sistemi ie gemi bir dili grubudur.afta direk bal olup emercensi durdurmak iin sonundaaftfren sistemi bulunmaktad r.

aft trbinde retilen i ile pervaneyi evirmek iin kullan l r. Maksimum devri 182 RPMdir.Bitiinde pervane mevcuttur. Sistem zerinde 1 adet lineaft yata (palamar yatak)mevcuttur.

Pervane pitch kontoll olup 5 kanatl d r. Sancaa devirlidir. Maksimum devriaft devri iles n rl olup 182 RPM dir.


35/68

35

ekil 3.1 Gaz trbini hal noktalar

R D A K

N G E R

1ATMOSFER

K O M P R E S R

AFT

T R B N

K O M P R E S R

YAKITGR

YAKITGR

2

5

3

T R B N

4EGZOZ

YANMA ODASI

YANMA ODASI

GLA

PERVANE

GLA


36/68

36

3.2 Ekserji analiziRant ekserjiyi tamamen baka bir enerjiye dnebilen enerjinin bir eidi olarak Baehr iseverilmi bir ortamda btn dier enerji trlerine dntrlebilen kullan lan enerji olarak ifade etmilerdir (Ar kol, 1984).

Ekserji verilenartlarda, evre ile ayn artlara (l hal) getirilmesi sonucu bir sistemden eldeedilebilecek maksimum i eklinde tan mlanm t r (Kotas, 1984).

Ekserji analizi iin evrenin tan m yap l rken temel ilke, evrenin tam bir denge durumunda

olmas d r. Bir madde ak m n n ekserjisi deerlendirilirken, evrenin s l ekserjisinin s f r olduu ve serbeste tan mlanan yayg n evresel maddelerden olutuu kabul edilir. Bu yayg nevresel maddeler, birbirleriyle denge halindedir ve bunlar n l hal durumunda olduklar

sylenir (Ar kol, 1985).

Bir sistem l halde iken evresi ile eit s cakl k ve bas ntad r. Yani evre ile s l, mekanik

ve termodinamik dengededir. Ayr ca, sistemin evresine gre kinetik ve potansiyel enerjileris f rd r. Sistem l halde iken evresiyle kimyasal reaksiyona giremez. Sistemin l hal

zellikleri OOO H T P ,, ve OS d r. l hal durumunda 1=O P atm (101.325 kPa) ve

)15.298(25 K C T OO = d r (engel ve Boles, 1994).

Enerjinin faydal k sm n ekserji olutururken enerjinin kullan lmayan yani baka bir enerjiyedntrlemeyen k sm anerji olarak adland r l r.

Ekserjinin ok eitli bileenleri vard r. Eer magnetik ve yzey gerilimlerinin tesirleri yok

kabul edilirse, ekserji drt ana gruba ayr labilir. Bunlar: fiziksel ekserji, kimyasal ekserji, potansiyel ekserji ve kinetik ekserjidir.

Kim Fiz K P E E E E E +++= (3.1)

Bu blmde fiziksel ve kimyasal ekserji deerleri hesaplanm t r. Hesaplamalarda kinetik ve potansiyel ekserji miktarlar ok kk olduu iin ihmal edilmitir. Fiziksel ekserji

sisteminin sahip olduu p,T artlar ndan, s n rland r lm l blgeye yani OO T p , artlar na

geerken elde edilebilecek maksimum itir.

( ) ( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]OOOOOOOO Fiz s sT hhm s sT vv P uum E =+= :. (3.2)


37/68

37

Kimyasal ekserjinin hesaplanabilmesi iin sistemi oluturan maddelerin ve evrenin ieriinin bilinmesi ok nemlidir. evre kendi ierisinde dengeli kabul edilir. evreartlar her yerdeayn olmad iin standart bir evre durumu kabul edilmitir. evrenin s cakl

K T O 15.298= ve bas nc bar P O 013.1= d r. Bu durumda hesaplanan ekserji standart

kimyasal ekserjidir. eitli maddeler iin standart ekserji deerleri hesaplanm ve tablolar haline getirilmitir. Hesaplamalarda bu tablolar n kullan lmas hesap kolayl salamaktad r.

1 noktas , kompresre giri artlar olup evre artlar ile ayn olduundan fiziksel ekserjisis f rd r. Kompresre giriten yanma odas na girie kadar ak kan havad r. Bu artlar 1 ve 2noktalar d r. Bu noktalarda havan n kimyasal kompozisyonu evrenin kompozisyonu ile ayn

olduu iin kimyasal ekserjileri s f rd r.

2 noktas , (3.3) eitlii i gaz na ait 22 , pT artlar nda 1=ref p bar iin entropi deerlerini

vermektedir. Havay oluturan btn gazlar iin

s deerleri hesaplan p mol fraksiyonlar ile

arp l rsa 2 s deeri elde edilir. Bu deer (3.4) eitliinde yerine yaz larak 2 noktas n n

fiziksel ekserjisi hesaplan r.

( ) ( )ref

iO

i i p p x

RT s P X T s 2222 ln,,

= (3.3)

a

ooo Fiz

M

s sT hhm E

=

22.

22 (3.4)

yanma odas k ndan atmosfere at lana kadar (3-4 aras ) ak kan egzoz gazlar d r. Bu

noktalara (3 ve 4 noktalar ) ait

oh ve

o s deerleri hesaplan rken egzoz gazlar n n evre

artlar ndaki mol fraksiyonlar kullan l r.

3 noktas , Bu nokta yanma adas k olup entropi deeri (3.5) eitliinden hesaplan r ve bulunan deer (3.6) eitliinde yerine yaz larak bu noktaya ait fiziksel ekserji hesaplan r.


38/68

38

( )ref

io

iii p p x

RT s p xT s 3333 ln)(,,

= (3.5)

p

ooo Fiz

M

s sT hhm E

=

33.33 (3.6)

Egzoz gazlar n n mol fraksiyonu ve bu gazlar n standart kimyasal ekserji deerleri (3.7)eitliinde yerine yaz larak, birim mol ba na kimyasal ekserji deeri hesaplan r. Daha sonra(3.8) eitlii kullanarak 3 noktas n n kimyasal ekserjisi hesaplan r.

=

=

+=

n

k k k O

n

k

Kim

k k Kim X X T Re X e

11ln (3.7)

p

Kim Kim

M e

m E

=.

33 (3.8)

mn H C molekl bileenine sahip bir hidrokarbon yak t, hava ile tam bir yanma meydanagetirdiinde yanma denklemi aa daki gibi olacakt r.

s N mnO H mnCO N Omn H C mn +++++++ 22222 )4/(773,32/)773,3)(4/( (3.9)

9,268,14 H C molekl bileenine sahip NATO F-76 yak t n n yanma denklemi aa daki gibiolur.

s N O H CO N O H C +++++ 222229,268,14 214,8145,138,14214,81525,21


39/68

39

Teorik yanmada birim yak t n yanma meydana getirdii birim hava, stokimetrik hava/yak toran ile aa daki ekilde bulunur (Van Wylen vd., 1994).

( ) 488,14)1(9,26)12(8,14

)28(214,81)32(525,21

)(9,26)(8,14(

))(214.81)(525.21(/ 22 =+

+=+

+= H C YAKIT

N O HAVA F A STO (3.10)

Gerek hava yak t oran ise toplam giren yak t n toplam giren havaya oran d r.

( )

= f

aGerek

m

m F A/ (3.11)

4 noktas , Bu nokta iin, s cakl k deiimine bal olarak 3 noktas iin yap lan hesap tarz ilefiziksel ekserji deeri (3.12) eitlii ile bulunur. Bu noktada ak kan n mol fraksiyonu 3noktas ile ayn olduundan kimyasal ekserjisi 3 noktas ndaki kimyasal ekserjiye eittir.

p

ooo Fiz

M

s sT hhm E

=

44.

44 (3.12)

5 noktas , yak t ideal gaz kabul ile fiziksel ekserji deeri (3.13) eitlii yard m yla

hesaplanabilir. Burada OT T =10 olduu iin yak t n fiziksel ekserjisi, (3.14) eitlii yard m ylahesaplan r.

( )

=OOO

Fiz s sT hhm E 5 _ _

5

:

55 (3.13)

OO

Fiz

P P

RT m E 5.

55 ln= (3.14)

F

Kim Kim

M e

m E

_

5.

55 = (3.15)


40/68

40

3.3 Performans analizlerinceki blmlerde her bir hal noktas iin ekserji deerleri hesaplanm t r. Burada bir sistemin performans n gsteren g, ekserji verimi ve entropi retimi deerlerinin analiziyap lm t r. Bu erevede sistemi oluturan komponentlerin ekserji analizleri aa dasunulmutur.

3.3.1 KompresrKompresr ak kan n bas nc n ykseltme ilevini gerekletir. Bu makinelere dnen bir milarac l yla d ar dan g aktar l r. Bu bak mdan kompresrdeki i terimi eksidir, nkak kan zerinden i yap lmaktad r. Kompresre aktar lan g:

aa K M

hhmW

=

_

2

_

1

(3.16)

Kompresrdeki toplam ekserji kayb :

=

K DK W E E E 21 (3.17)

3.3.2 TrbinGaz trbinlerinde pozitif i yapan makine trbindir. Ak kan trbinden geerken mil zerineyerletirilmi kanat klara kar i yapar. Bunun sonucu olarak mil dner ve trbin iigerekleir. Trbinde yap lan i art d r, nk i ak kan taraf nda yap lmaktad r. Trbindeelde edilen g:

P pT M

hhmW

=

_

4

_

3

(3.18)

Trbindeki toplam ekserji kayb :

_ _

4

_

3 T DT W E E E = (3.19)

3.3.3 Yanma Odas Kompresr taraf ndan bas nland r lan hava, yanma odas nda sabit bas nta yak l r ve elde

edilen yanma rnleri gaz trbininde geniletilerek i elde edilir ve egzoz gazlar d ar at l r.Yanma odas ndaki ekserji kayb :


41/68

41

+= 352 E E E E DYO (3.20)

Sistemden elde edilen net g kompresr ve trbin glerinin toplanmas yla bulunur.

+=

T K NET W W W

.(3.21)

Sistemin ekserji verimi ( v ), sistemden elde edilen toplam ekserjinin sisteme giren ekserjiye

oran olarak tan mlan r:

+=

+=

1515 E E

W

E E

E NET T V (3.22)

Sistemdeki toplam ekserji kayb , her bir komponentteki ekserji kayb n n trbin k ndaevreye at larak kaybedilen ekserji miktar ile toplanmas sonucu bulunur.

+++= 4 E E E E E DT DYO DK D (3.23)

Sistemdeki toplam ekserji kayb , sistemin toplam entropi retimine eit olmaktad r.

=

g O D S T E (3.24)

Ekolojik performans katsay s (ECOP), ekserji kt s n n toplam kay p ekserjiye oran d r

(3.25).

+++

===

4 E E E E

W

E

W

S T

W ECOP

DT DYO DK

NET

D

NET

g O

NET (3.25)


42/68

42

izelge 3.1 Gaz trbininin spesifik deerleri

Yak t n alt s l deeri kJ/kg 42700

G/T zgl yak t tketimi kg/kW-saat 0.230

G/T azami gc kW 22372

G/T yak t debisi kg/saat 7760

G/T hava devisi kg/saat 252000

G/T azami egzoz s cakl K 723

G/T egzoz bas nc Ps 15.80

Egzoz gaz atom a rl Kg/kMol 204.5

Hava atom a rl Kg/kMol 32

Azot atom a rl Kg/kMol 28

izelge 3.1de al an bir gaz trbinine ait spesifik deerler verilmitir. Grld gibi gaztrbininin 22372 kWl k bir maksimum g kt s vard r. Gaz trbininin azami egzoz

s cakl ise 723 Kdir. izelge 3.2de ise al an bir gaz trbininin gemi DDI (DigitalDisplay Indicator) ile al ma s ras nda llen deerleri verilmektedir. Deiik kompresr devirleri iin kompresr giri s cakl , yanma odas giri s cakl , trbin giri s cakl veegzoz s cakl klar elde edilmitir.


43/68

43

izelge 3.2 LM 2500 gaz trbini al ma parametreleri *GAZ

KOLUDEER

KOMPRESR DEVR

(RPM)

TRBNDEVR

(RPM)

TRBN GR SICAKLII

)( 3T K

EKSOZSICAKLII

)( 4T K

KOMPRESR GR

SICAKLII

( )1T K

KOMPRESR IKI

SICAKLII

( )2T K

YAKITDEBS

Kg/sa

3 4870 950 658 567 288 502 0.253

5 4830 639 664 535 288 500 0.253

7 6060 905 673 548 288 504 0.266

8 6240 911 672 547 288 506 0.278

9 6570 866 674 550 288 512 0.294

10 6790 863 684 554 288 516 0.328

11 6990 968 685 561 288 521 0.336

12 7130 1086 672 553 288 524 0.344

13 7230 1115 677 553 288 526 0.366

14 7710 1210 753 547 288 512 0.389

15 7530 1436 700 568 288 529 0.452

18 7830 1767 747 568 288 532 0.577

19 7840 1721 759 631 288 585 0.633

20 7980 1866 802 607 288 565 0.689

22 8170 2167 822 638 288 596 0.844

* : LM 2500 gaz trbininin al mas esnas nda al nan deerler.


44/68

44

izelge 3.3 zellik tablosu (Bejan 1995)

Madde Forml + H +S a b c d

Methan )(4 g CH -81.242 96.731 11.933 77.647 0.142 -18.414

Karbon ( ) sC -2.101 -6.540 0.109 38.940 -0.146 -17.385

Slfr ( ) sS -5.242 -59.014 14.795 24.075 0.071 0

Nitrojen )(2 g N -9.982 16.203 30.418 2.544 -0.238 0

Oksijen )(2 g O -9.589 36.116 29.154 6.477 -0.184 -1.017

Hidrojen )(2 g H -7.823 -22.966 26.882 3.586 0.105 0

Karbon

monoksit

)( g CO -120.809 18.937 30.962 2.439 -0.280 0

Karbon

dioksit)(2 g CO -413.886 -87.078 51.128 4.368 -1.469 0

Su )(2 g O H -253.871 -11.750 34.376 7.841 -0.423 0

Su )(2 l O H -289.932 -67.147 20.355 109.198 2.033 0

Slfr

dioksit

)(2 g SO -315.422 -43.725 49.936 4.766 -1.046 0

Hidrojen

slfid)(2 g S H -32.887 1.142 34.911 10.686 -0.448 0

Amonyak )(3 g NH -60.244 -29.402 37.321 18.661 -0.649 0

+

+++= 3123 _

3210 yd cy ybay H h o (3.26)

22 _

22ln yd ycbyT aS so +++= + (3.27)


45/68

45

Entalpi ve entropi deerleri denklem (3.26) ve (3.27)ye bulunmu olup daha sonra kar m nentropi ve entalpi deerleri denklem (3.3) de kar m oranlar na gre hesaplanm t r.

izelge 3.4 Azotun eitli gaz jeneratr devirlerinde entalpi deerleri

KOMPRESR DEVR 1

h 2

h 3

h 4

h

4870 -289,72 6082,489 10945,48 8093,694830 -289,72 6021 11134,81 7100,566060 -289,72 6144,003 11419,08 7503,356240 -289,72 6205,542 11387,48 7472,346570 -289,72 6390,307 11450,69 7565,406790 -289,72 6513,606 11766,98 7689,576990 -289,72 6667,865 11798,63 7907,067230 -289,72 6760,491 11545,53 7658,527710 -289,72 6822,271 13960,06 7472,347530 -289,72 6390,307 12273,88 8124,817830 -289,72 6914,985 13768,64 8124,817840 -289,72 7007,751 14151,61 10095,407980 -289,72 8654,678 15528,15 9341,488170 -289,72 8031,463 16170,6 10315,48


46/68

46

izelge 3.5 Azotun eitli gaz jeneratr devirlerinde entropi deerleri

KOMPRESR DEVR 1 s 2 s 3 s 4 s 4870 190.62 207,1097 215,54 210,874830 190.62 206,9869 215,82 209,076060 190.62 207,232 216,25 209,81

6240 190.62 207,3538 216,20 209,766570 190.62 207,7168 216,29 209,936790 190.62 207,9567 216,76 210,156990 190.62 208,2542 216,81 210,547130 190.62 208,4315 216,20 210,097230 190.62 208,5492 216,43 210,097710 190.62 207,7168 219,81 209,767530 190.62 208,7249 217,49 210,937830 190.62 208,8998 219,56 210,937840 190.62 211,8507 220,07 214,227980 190.62 210,7667 221,83 213,018170 190.62 212,4326 222,62 214,56

izelge 3.6 Oksijenin eitli gaz jeneratr devirlerinde entalpi deerleri

KOMPRESR DEVR 1h 2h 3h 4h

4870 -285,14 6228,957 11276,34 8306,974830 -285,14 6165,625 11474,43 7279,256060 -285,14 6292,326 11772,08 7695,69

6240 -285,14 6355,733 11738,98 7663,606570 -285,14 6546,176 11805,19 7759,896790 -285,14 6673,323 12136,73 7888,396990 -285,14 6832,463 12169,92 8113,607130 -285,14 6928,055 11738,98 7856,257710 -285,14 6991,829 11904,57 7663,607530 -285,14 6546,176 14444,86 8339,237830 -285,14 7087,557 12668,77 8339,237840 -285,14 7183,366 14242,75 10388,227980 -285,14 8888,916 14647,24 9603,838170 -285,14 8242,484 16105,27 10617,87


47/68

47

izelge 3.7 Oksijenin eitli gaz jeneratr devirlerinde entropi deerleri

KOMPRESR DEVR 1 s 2 s 3 s 4 s 4870 205,28 221,3947 229,98 225,194830 205,28 221,2712 230,28 223,366060 205,28 221,5178 230,72 224,11

6240 205,28 221,6405 230,67 224,056570 205,28 222,0062 230,77 224,226790 205,28 222,2482 231,25 224,456990 205,28 222,5485 231,30 224,857130 205,28 222,7276 230,67 224,407230 205,28 222,8465 230,91 224,407710 205,28 222,0062 234,43 224,057530 205,28 223,0242 232,01 225,247830 205,2891 223,2011 234,168 225,247840 205,2891 226,2007 234,70 228,617980 205,2891 225,0957 236,55 227,368170 205,2891 226,7954 237,38 228,96

izelge 3.8 Karbondioksitin eitli gaz jeneratr devirlerinde entalpi deerleri

KOMPRESR DEVR 1h 2h 3h 4h 4870 -393879 -384743 -377066 -3816034830 -393879 -384838 -376762 -3831626060 -393879 -384648 -376305 -382531

6240 -393879 -384553 -376356 -3825806570 -393879 -384267 -376254 -3845346790 -393879 -384076 -375745 -3822396990 -393879 -383836 -375694 -3818977130 -393879 -383692 -376356 -3822887230 -393879 -383596 -376101 -3822887710 -393879 -384267 -372197 -3825807530 -393879 -383451 -374928 -3815547830 -393879 -383307 -372508 -381554

7840 -393879 -380718 -371886 -3784277980 -393879 -381701 -369645 -3796278170 -393879 -380173 -368596 -378075


48/68

48

izelge 3.9 Karbondioksitin eitli gaz jeneratr devirlerinde entropi deerleri

KOMPRESR DEVR 1 s 2 s 3 s 4 s 4870 212.57 235,974 249.27 241.854830 212.57 235,7845 249.73 239.026060 212.57 236,1629 250.41 240.18

6240 212.57 236,3513 250.34 240.106570 212.57 236,9134 250.49 240.366790 212.57 237,2855 251.24 240.716990 212.57 237,7476 251.31 241.337130 212.57 238,0234 250.34 240.637230 212.57 238,2066 250.71 240.637710 212.57 236,9134 256.18 240.107530 212.57 238,4805 252.42 241.937830 212.57 238,7532 255.76 241.937840 212.57 243,3913 256.59 247.167980 212.57 241,68 259.46 245.228170 212.57 244,3133 260.75 247.71

izelge 3.10 Su buhar n n eitli gaz jeneratr devirlerinde entalpi deerleri

KOMPRESR DEVR 1h 2h 3h 4h 4870 -242185 -234809 -228955 -2324064830 -242185 -234882 -228724 -2335966060 -242185 -234736 -228377 -2331146240 -242185 -234663 -228416 -2331516570 -242185 -234443 -228338 -2330396790 -242185 -234296 -227952 -2328916990 -242185 -234112 -227913 -2326307130 -242185 -234002 -228416 -2329287230 -242185 -233928 -228223 -2329287710 -242185 -234443 -225258 -2331517530 -242185 -233817 -227331 -2323687830 -242185 -233707 -225494 -2323687840 -242185 -231730 -225021 -2299887980 -242185 -232480 -223317 -2309008170 -242185 -231316 -222518 -229721


49/68

49

izelge 3.11 Su buhar n n eitli gaz jeneratr devirlerinde entropi deerleri

KOMPRESR DEVR 1 s 2 s 3 s 4 s

4870 187,67 206,6957 216,83 211,194830 187,67 206,5499 217,18 209,036060 187,67 206,841 217,70 209,92

6240 187,67 206,9858 217,64 209,856570 187,6 207,4176 217,76 210,066790 187,67 207,7033 218,33 210,336990 187,67 208,0578 218,39 210,797130 187,67 208,2692 217,64 210,267230 187,67 208,4096 217,93 210,267710 187,67 207,4176 222,08 209,857530 187,67 208,6194 219,23 211,267830 187,67 208,8282 221,77 211,267840 187,67 212,3685 222,39 215,237980 187,67 211,0644 224,58 213,768170 187,67 213,0704 225,56 215,65

izelge 3.12 Kar m gazlar n n eitli gaz jeneratr devirlerinde entalpi deerleri

KOMPRESR DEVR 1h 2h 3h 4h 4870 -4994,18 1235,98 6010,72 3208,394830 -4994,18 1175,73 6197,00 2234,026060 -4994,18 1296,26 6476,74 2629,11

6240 -4994,18 1356,57 6445,64 2598,696570 -4994,18 1537,66 6507,86 2690,006790 -4994,18 1658,52 6819,18 2811,816990 -4994,18 1809,75 6850,35 3025,237130 -4994,18 1900,55 6445,64 2781,357230 -4994,18 1961,13 6601,19 2781,357710 -4994,18 1537,66 8980,08 2598,697530 -4994,18 2052,05 7318,31 3238,957830 -4994,18 2143,00 8791,32 3238,95

7840 -4994,18 3759,14 9169,02 5174,687980 -4994,18 3147,33 10527,52 4434,728170 -4994,18 4096,59 11162,09 5391,06


50/68

50

izelge 3.13 Kar m gazlar n n eitli gaz jeneratr devirlerinde entropi deerleri

KOMPRESR DEVR 1 s 2 s 3 s 4 s 4870 187,87 203,83 212,08 207,514830 187,87 203,71 212,36 205,756060 187,87 203,95 212,78 206,47

6240 187,87 204,07 212,73 206,426570 187,87 204,43 212,82 206,586790 187,87 204,66 213,28 206,806990 187,87 204,95 213,33 207,187130 187,87 205,12 212,73 206,757230 187,87 205,24 212,96 206,757710 187,87 204,43 216,28 206,427530 187,87 205,41 214,00 207,567830 187,87 205,58 216,03 207,567840 187,87 208,46 216,53 210,787980 187,87 207,40 218,27 209,598170 187,87 209,03 219,05 211,12

Yak t n fiziksel ekserji deerleri denklem (3.14)e gre kimyasal ekserji deerleri ise denklem(3.7)ye gre hesaplanm t r. Kompresr giriinde kimyasal ve fiziksel ekserji deerleris f rd r. Kompresr k n n kimyasal ekserjisi s f r olup, fiziksel ekserji deeridenklem(3.4)e gre hesaplanm t r. Yanma odas k kimyasal ekserji deerleri denklem(3.7)ye gre, fiziksel ekserji deerleri ise denklem (3.6)ya gre hesaplanm t r. Trbin k ekserji deerleri denklem (3.7)ye , fiziksel ekserji deerleri ise denklem (3.12)ye grehesaplanm t r.


51/68

51

izelge 3.14 Gaz trbininin hal noktalar na gre fiziksel ve kimyasal ekserji deerleri

KOMPRESR DEVR

5 E

FZ

kW

5 E

K M

kW

1 E

FZ

kW

1 E

K M

kW

2 E

FZ

kW

2 E

K M

kW

3 E

FZ

kW

3 E

K M

kW

4 E

FZ

kW

4 E

K M

kW

4870 114 13000 0 0 721 0 8037 50 7358 504830 114 13000 0 0 710 0 8085 50 7145 506060 121 13668 0 0 770 0 8577 53 7602 536240 134 14285 0 0 817 0 8956 55 7937 556570 142 15107 0 0 904 0 9490 59 8418 596790 159 16854 0 0 1040 0 10694 65 9426 656990 163 17265 0 0 1105 0 10965 67 9719 677130 169 22609 0 0 1156 0 11082 69 9876 69

7230 181 18806 0 0 1247 0 11850 73 10508 737710 194 19988 0 0 1196 0 13593 78 11106 787530 227 23225 0 0 1573 0 14975 90 13160 907830 236 29648 0 0 2050 0 20041 116 16799 1167840 249 32526 0 0 3119 0 22253 127 19582 1277980 263 35403 0 0 3026 0 25289 138 20820 1388170 274 43368 0 0 4414 0 31602 169 26290 169


52/68

52

izelge 3.15 Gaz trbininin hal noktalar na gre Kw olarak toplam ekserji deerleri

KOMPRESR DEVR

5 E 1 E 2 E 3 E 4 E

4870 13114 0 721 8087 74084830 13114 0 710 8135 7195

6060 13789 0 770 8630 76556240 14419 0 817 9011 79926570 15249 0 904 9549 84776790 17013 0 1040 10759 94916990 17428 0 1105 11032 97867130 22778 0 1156 11151 99457230 18987 0 1247 11923 105817710 20182 0 1196 13671 111847530 23452 0 1573 15065 132507830 29884 0 2050 20157 169157840 32775 0 3119 22380 197097980 35666 0 3026 25427 209588170 43642 0 4414 31771 26459

Yanma odas ndaki ekserji kay plar denklem(3.20)ye gre, trbindeki ekserji kay plar

denklem(3.19)a gre ve kompresrdeki ekserji kay plar denklem (3.17)ye gre

hesaplanm t r.


53/68

53

izelge 3.16 Gaz trbini kay p ekserji deerleri

KOMPRESR DEVR

GAZJENERATRNDEK

EKSERJ KAYBI(kW)

YANMAODASINDAK

EKSERJ KAYBI(kW)

TRBNDEK EKSERJ KAYBI

(kW)

4870 721 5748 6794830 710 5689 9406060 770 5929 9756240 817 6225 10196570 904 6604 10726790 1040 7294 12686990 1105 7501 12467130 1156 12783 12067230 1247 8311 13427710 1196 7707 24877530 1573 9960 1815

7830 2050 11777 32427840 3119 13514 26717980 3026 13265 44698170 4414 16285 5312

ekil 3.2 de grld gibi gaz trbinin devri artt ka sisteme giren yak t miktar artt ndanyak ttan elde edilen ekserji deeri artmaktad r.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

70008000

9000

1 3 1 1

4

1 3 7 8

9

1 4 4 1

9

1 5 2 4

9

1 7 0 1

3

1 7 4 2

8

1 8 9 8

7

2 0 1 8

2

2 3 4 5

2

2 9 8 8

4

3 2 7 7

5

3 5 6 6

6

4 3 6 4

2

YAKIT EKSERJ DEERLER(kW)

K O M P R E S

R D E V R

( R P

M )

ekil 3.2 Yak t ekserji grafii


54/68

54

ekil 3.3 de grld gibi gaz trbini kompresrnn devri artt nda kompresrden eldeedilen ekserji deeri de artmaktad r. Kompresr devri artt ka giri deerleri sabit olmas nakar n k deerlerinde artmalar grlecektir. izelge 3.2 de grld gibi yksek kompresr devirlerinde kompresr k s cakl olduka yksek deerler ula r.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

7 2 1

7 7 0

8 1 7

9 0 4

1 0 4 0

1 1 0 5

1 2 4 7

1 1 9 6

1 5 7 3

2 0 5 0

3 1 1 9

3 0 2 6

4 4 1 4

KOMPRESR IKI EKSERJS(kW)

K O M P R E S

R D E V R

( R P M )

ekil 3.3 Kompresr k ekserji grafii

ekil 3.4 de grld gibi gaz trbini kompresrnn devri artt nda yanma odas ndan eldeedilen ekserji deeri de artmaktad r. Kompresr devri artt ka yak t giri debisi artaca ndan

ekserji deerlerinde de artma olduu grlecektir.


55/68

55

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

8 0 8 7

8 6 3 0

9 0 1 1

9 5 4 9

1 0 7 5

9

1 1 0 3

2

1 1 9 2

3

1 3 6 7

1

1 5 0 6

5

2 0 1 5

7

2 2 3 8

0

2 5 4 2

7

3 1 7 7

1

YANMA ODASI IK EKSERJS(kW)

K O M P R E S

R D E V R

( R P M )

ekil 3.4 Yanma odas k ekserjisi

ekil 3.5 de grld gibi gaz trbini kompresrnn devri artt nda trbinden elde edilenekserji deeri de artmaktad r. Kompresr devri artt ka trbin devrinin artt izelge 3.2 degrlmektedir. Sistemde i yapan blm trbin k sm olduu iin bu istenen bir husustur.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

7 4 0 8

7 6 5 5

7 9 9 2

8 4 7 7

9 4 9 1

9 7 8 6

1 0 5 8

1

1 1 1 8

4

1 3 2 5

0

1 6 9 1

5

1 9 7 0

9

2 0 9 5

8

2 6 4 5

9

TRBN IKI EKSERJS(kW)

K O M P R E S

R D E V R

( R P M )

ekil 3.5 Trbin k ekserjisi

ekil 3.6de kompresrn ekserji kay p deerleri hesaplanm t r. Sistemin ekserji kayb kompresr devri artt ka artmaktad r. Yaln z bu kay p oran n n sistemdeki tm ekserji kayb


56/68

56

gz nne al nd nda ok fazla olmad grlmektedir.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

7 2 1

7 1 0

7 7 0

8 1 7

9 0 4

1 0 4 0

1 1 0 5

1 2 4 7

1 5 7 3

2 0 5 0

3 1 1 9

3 0 2 6

4 4 1 4

KOMPRESR EKSERJ KAYBI(kW)

K O M P R E S

R D E V R

( R P M )

ekil 3.6 Kompresr ekserji kay p grafii

ekil 3.7 de yanma odas nda kaybolan ekserji deerleri grlmektedir. Ekserji deerlerindengrlecei gibi dier k s mlara nazaran en fazla kay p ekserji yanma odas nda meydanagelmektedir.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

5 7 4 8

5 6 8 9

5 9 2 9

6 2 2 5

6 6 0 4

7 2 9 4

7 5 0 1

8 3 1 1

9 9 6 0

1 1 7 7

7

1 3 5 1

4

1 3 2 6

5

1 6 2 8

5

YANMA ODASI EKSERJKAYBI(kW)

K O M P R E S

R D E V R

( R P M )

ekil 3.7 Yanma odas ekserji kay p grafii


57/68

57

ekil 3.8 de grld gibi trbin ekserji deerleri kompresrden dk olmas na kar nyanma odas ndaki ekserji kay p oranlar na gre olduka dktr.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

6 7 9

9 4 0

9 7 5

1 0 1

9

1 0 7

2

1 2 6

8

1 2 4

6

1 3 4

2

1 8 1

5

3 2 4

Documents

Gaz Turbinli Gemilerde Ekserji Ve Termodinamik