Gaz Türbini Tanımı ve Dizaynı

Gaz türbinleri boyut ve ağırlıklarına göre yüksek miktarlarda güç üretimi yapan, yakıtın kontrollü bir şekilde yanması ile güç üreten diğer içten yanmalı makineler gibi makinelerdir ve son kırk yılda güç endüstrisinde önemli bir ticari araç konumuna gelmişlerdir. Günümüzde gaz türbinleri turbo makineler sınıfına girmektedir. Bir turbo makinenin tanımını yapacak olursak mekanik enerjinin şaft işine, sürekli akan bir akışkanın rotor kolonlarında oluşturduğu dinamik hareketler vasıtasıyla çevrildiği makinelerdir. Turbo makineler fonksiyonlarına göre iş alan (kompresör veya fan) ve iş üreten (gaz türbini) turbo makineler olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Kompakt bir makine olmaları, düşük ağırlığa sahip olmaları ve yakıt çeşitliliği gibi avantajlara sahip olmaları gaz türbinlerinin kullanım alanlarını çeşitlendirmektedir.

(Baskharone-2006)

Şekil-2.1 Gaz türbinleri prensipte diğer içten yanmalı makineler gibidir (Subcourse No: AL0993)

Gaz türbininin dönen kompresörde havayı sıkıştıran, yanma odasında sıkıştırılmış havaya yakıt püskürtülmesi ile yanmanın olduğu ve yanmış gazların türbinde genişlemesini

5

sağlayarak güç üreten bir makine olduğu daha önce belirtilmişti. Gaz türbinlerinde türbin çıkış gücü kompresörün ve bağlanmış herhangi bir yükün hareket ettirilmesinde kullanılır. Bu anlatım aşağıda Şekil-2.2‟ de gösterilmiştir.

Şekil-2.2 Gaz türbini tanımı

Günümüzde gaz türbinlerinin dizaynında esas olarak alınan bazı önemli kriterler mevcuttur. Bu önemli kriterleri:

6- Yardımcı sistemler ile kontrol sistemi arasındaki uyumluluk

7- Servis işçiliğinde ve yakıt kullanımında kolaylık şeklinde sıralayabiliriz.

Bu kriterleri biraz irdelemek dizayn kriterlerini daha anlaşılması kolay hale getirecek ve zihinlerde daha kolay yer edinecektir.

1-Yüksek verim: Gaz türbinlerinde verimi etkileyen iki önemli faktör vardır. Bunlar kompresör sıkıştırma (basınç) oranı ile türbin giriş sıcaklığıdır. Gaz türbinlerinde eksenel akışlı kompresör kullanımı sıkıştırma oranını 7:1 oranından 40:1 oranına kadar yükseltmekte bu da türbine yanma sonunda yüksek basınçlı gazların girmesine neden olarak ısıl verimi ve türbin giriş sıcaklığını arttırmaktadır. Yanma sıcaklığını her 100 F (55.5 C) arttırmak çıkan işte % 10 luk, ısıl verimde ise % 1-1,5‟ lik bir artışa neden olmaktadır. Basit çevrimli gaz türbinlerinde kompresör sıkıştırma oranını ve türbin giriş sıcaklığını arttırmak ısıl verimi arttırmaktadır. Isıl verimi arttırmanın başka bir yöntemi de gaz türbininde rejeneratör

6

kullanımıdır. Günümüz gaz türbinleri çalışma sıcaklıklarında rejeneratör kullanımı ısıl verimi

%10-15 civarlarında arttırmaktadır. Rejeneratörlü sistemlerde kompresör optimum sıkıştırma oranı 20:1 iken basit çevrimli gaz türbinlerinde ise 40:1 oranında olmaktadır. Günümüzde türbin giriş sıcaklıları 3000 F (1649 C) derecelere kadar ulaşmaktadır. Kompresörler ile ilgili detaylı bilgiler 4 üncü kısımda gaz türbinleri çevrimleri ile ilgili bilgiler 3 üncü kısımda daha detaylı olarak anlatılacaktır.

2-Uzun ömür ve dayanıklılık: Uzun ömür, gaz türbini dizayn parametrelerinden önemli bir tanesidir. Burada uzun ömürden kasıt verilen bir zaman diliminde gaz türbininin güç üretimine devam edebilme kabiliyetidir. Dayanıklılık ise kapsamlı bakım (overhol) periyoduna kadar geçen zaman dilimidir. Bir gaz türbininin uzun ömür tanımını formülize etmek istersek;

(1)

Zaman dilimi, saat bazında ki bu saatler bir yıl olarak tahmin edilir ve bir yılda 8760 saate tekabül etmektedir.

Planlanan bakım süresi için belirlenmiş zaman gecikmesi

Onarımdan kaynaklanan zorunlu ya da planlanmamış gecikmeler

Dayanıklılığı tanımlamak istersek: olmaktadır. (2)

Gaz türbinlerinde dayanıklılık, kullanılan yakıt tipine, uygulanan bakım tutum programlarına, çalışma modlarına, kontrol sistemi ve yanma sıcaklığı gibi parametrelere bağımlıdır. Gaz türbini dizaynında uzun ömür ve yüksek dayanıklılığı elde etmede göz önüne alınacak önemli parametreleri; kanat ve şaft gerilmeleri, kanat yükleri, materyal uygunluğu, yardımcı sistemler ve kontrol sistemleri şeklinde sıralayabiliriz.

3-Servis ve bakım yeteneği: Servis ve bakım kolaylığı gaz türbini dizaynının önemli bölümlerinden birini oluşturmaktadır. Servis beceri ve yeteneği egzoz sıcaklığını görüntüleme ve kontrol etme, şaft titreşim testlerini icra etme ve surge olaylarını kontrol ve gözlemleme gibi yapılan genel kontrollerdeki uygunluk becerisi şeklinde tanımlanabilmektedir. Bunun yanı sıra dizaynda, sıcak bölümlerin gözle kontrolünün yapılması maksadıyla boroskop testi için uygun kısımların belirlenmesi de önemli faktörlerden biridir.

4-Kolay montaj ve işçilik: Kolay montaj ve işçilik bir başka dizayn parametresidir. Gaz türbinleri satış öncesi fabrikada test edilir ve yine burada paketlenerek kuruluma hazırlanır.

5-Çevresel kabullere uygunluk: Gaz türbini dizaynında çevre dikkat edilmesi gereken kritik bir husustur. Gaz türbinlerinin çevreye olan ektileri yasal sınırlar içerisinde olma zorunlulukları dizaynerleri bu konuda dikkatli olmaya itmektedir. Yanma odaları bu konuda en çok dikkat çeken öğeler olmaktadır ve yanma odasında duman ve azot oksit üretimi

7

düşük olmalıdır. Yüksek sıcaklık gaz türbinleri azot oksit emisyonunu arttırmaktadır.

Bu emisyona karşı, yanma odasında çevrime su veya buhar enjekte edilerek mücadele edilmeye çalışılmaktadır ve bu konuda kuru düşük azot oksit emisyonlu yanma odaları geliştirilmeye çalışılmaktadır.

6-Yardımcı sistemler ile kontrol sistemi arasındaki uyumluluk: Yardımcı sistemler ve kontrol sistemleri dizayn edilirken çok dikkatli olunmalıdır. Yağlama yağı sistemi yardımcı sistemlerin en kritik olanlarından biridir, sistemin geri beslemesi hata kabul etmeyecek derecede iyi olmalıdır. Günümüzde gelişmiş gaz türbinleri dijital kontrol ile on-line izleme sisteminin çok iyi entegre edilmiş halidir.

7-Servis işçiliğinde ve yakıt kullanımında kolaylık: Servis işçiliğinde ve yakıt kullanımı esnek bir kriter olup türbin sistemlerinin gücünü arttırmaktadır fakat tüm uygulamalarda zorunlu bir uygulama değildir. (Giampaolo, Meherwan-2006)