Gaz türbini yanma odaları için yeni bir ön tasarım metodolojisi

Abstract

Bu tezde, tasarlanan ve imal edilen deneysel bir boru tip yanma odası, TEIbünyesinde kurulan atmosferik test riginde test edilerek yeni bir ön tasarım metodolojisigeliştirilmiştir. Çalışmada, yarı-ampirik korelasyonlara dayalı bir ön tasarım aracıoluşturulmuş olup akış dağılımı, alev sıcaklığı, gömlek sıcaklığı gibi tasarımparametreleri bu araç kullanılarak hesaplanmıştır. Ayrıca, HAD (HesaplamalıAkışkanlar Dinamiği) analizleri ve deneysel testlerle de geliştirilen programdoğrulanmıştır. Geliştirilen tasarım kodu literatürde yer alan ağ yapısına sahip kodlarınaksine yanma odasının 1 mm'lik dilimlere bölünmesi ile elde edilen akış koordinatlarıüzerinden hesaplama gerçekleştirmektedir. 18 farklı noktada yapılan deney testlerindetest rigi hava debisi 0.035-0.510 kg/s, yakıt debisi 0.70-1.00 g/s, giriş sıcaklığı ise 400-475 K aralıklarındaki değerler kullanılmıştır. Boru tip yanma odası testlerinde gömlekmetal sıcaklığı, basınç düşümü ve egzoz emisyon testleri gerçekleştirilmiştir. Yapılandeneysel çalışmalarda, geliştirilen kod yardımıyla metal sıcaklıklarında maksimumsapma değeri 81 K ve basınç düşümü de %1,4 olarak hesaplanmıştır. Testlerde ayrıcakarbon dioksit (CO2), oksijen (O2), karbon monoksit (CO), yanmamış hidrokarbon(CxHy) ve azot oksit (NOx) gibi emisyon değerlerinin de bir boyut için kabul edilebilirsınırlar içinde olduğu görülmüştür. Gaz türbinleri yanma odası ön tasarım süreçleri içinticari bir yazılım bulunmamakta olup bu çalışmada geliştirilen tasarım kodu özgünyanma odası tasarımlarına katkı sağlayacağı gibi, yüksek maliyetli detay tasarımsüreçlerinin kısalmasına da fırsat tanıyabilmektedir.

In this thesis; an experimental tubular type combustor, that has been designed andproduced, were tested in TEI atmospheric combustor test rig and a new preliminarydesign methodology has been studied. In scope of the work, a preliminary design toolbased on the semi-empirical correlations has been developed and design parameterssuch as flow distribution, flame temperatures, liner metal temperature have beencalculated by using this tool. Moreover CFD (Computational Fluid Dynamics) analyseswere used to validate to developed programme. Design tool uses flow coordinates thatcomes from 1 mm divided flow segments for calculations in contrary to network codes.Experimental studies have been performed for 18 different inlet conditions. 0.035-0.510kg/s range for air mass flow rate, 0.70-1.00 g/s range for fuel mass flow rate and 400-475 K range for air inlet air temperature were used as inlet conditions. Liner metaltemperature, pressure drop and exhaust emission tests were done in tubular typecombustor. In respect of these tests, maximum deviation is realized as 81 K in linermetal temperatures and as 1.4% in pressure drop. Moreover, emission predictions forcarbon dioxide (CO2), oxygen (O2), carbon monoxide (CO), unburned hydrocarbon(CxHy) and nitrogen oxide (NOx) are acceptable for one-dimensional calculations. Thereis not an available commerical design tool for gas turbine combustor preliminary designprocess and developed tool will support the original combustor designs. Moreover, itwill give an opportunity to decrease the high cost detail detail design process.