Yanma odasının bölümleri

Yanma odasında yanma gömlek (laynerde) olmaktadır ve bu gömlek üç ana bölümden oluşmaktadır. Bu bölümleri aşağıdaki gibi sıralamak mümkündür.

107 1-Birinci bölge

2-İkinci bölge

3-Dilisyon bölgesi (Üçüncü bölge)

Aşağıdaki şekilde tipik bir gaz türbini yanma odası görülmektedir.

Şekil-4.2.1 Gaz türbini yanma odası (Karakoç-1997)

Gaz türbini yanma odasının üç bölümden oluştuğunu belirttikten sonra bu bölümleri ayrıntılı olarak inceleyelim.

4.2.3.1 Birinci bölge

Birinci bölgenin görevi alevi düzenlemek ve yakıtın tamamen yanmasını sağlamak için gerekli türbülans, sıcaklık ve zamanı temin etmektir. Ayrıca birinci bölümün önemli işlevi akış paternini belirlemektir bu nedenle yanma odasının en önemli kısmını oluşturmaktadır.

Değişik tiplerde yanma odaları için birinci bölge paternleri mevcuttur. Birinci bölgede akış paternini belirlemek için girdap yapıcı kanatçıklar kullanılabilmektedir. Bu kanatçıklar, kompresörden gelen hava akışına girişte önemli bir tanjantsal bileşen vererek, karşılaşan hava ile yakıtın karışmasını sağlamakta ve girdap hareketleri (Girdap hareketleri tanjantsal hızı arttırırken yarıçapı düşürmektedir.) ile karışıma sirkilasyonlu akış paterni sağlamaktadır.

Yanma odaları birçok farklı tiplerde akış paterni ile çalışmaktadır.

İngiliz endüstrisinde ve uçak gaz türbinlerinde kullanılan yanma odalarından biri Lucas yanma odalarıdır. Üretilen yanma odalarının isimleri üretici firmanın adıdır. Lucas yanma odalarında yakıt enjektörünün yanında küçük türbülans yapıcılar ve gömlek kısmında çok sayıda delikler mevcuttur.

108

Şekil-4.2.2 Lucas yanma odalarındaki akış paterni (Lefebvre-1998)

Örnek başka bir birinci bölge paterni ise General Electric yanma odalarında kullanılan ve akış paternini deliklerin oluşturduğu birinci bölge tipidir. Sirkülasyon bölgesine formunu delik kolonları tarafından oluşturulan girdaplar vermektedir.

Eğer büyük yanma odalarında yüksek ısı çıkışı bekleniyorsa bunun için çok sayıdaki küçük hava sirkülasyon bölgeleri yaratmak ve buna karşılık gelecek çok sayıda yakıt enjeksiyon noktaları koymak gerekmektedir.

4.2.3.2 Ġkinci bölge

İlk bölgedeki yanma reaksiyonu hava ve yakıtın düşük konsantrasyonlarından ötürü yavaştır ve yanma ilk bölge çıkışında tamamen gerçekleşmez. Bu durumda yanmanın tamamen geçekleşmesi amacıyla ilk bölgenin bir uzantıya ihtiyacı ortaya çıkar ve bu gereksinim ikinci bölge ile giderilir. Bir başka deyişle ikinci bölge birinci bölgenin devamı gibidir. İkinci bölgenin uzunluğu gaz akışıyla havanın karışması için gerekli minimum boy ile yanma reaksiyonunun tamamlanması için gerekli minimum zaman göz önüne alınarak belirlenir.

4.2.3.3 Dilisyon (Üçüncü bölge) bölgesi

Bu bölgenin görevi yanmadan arta kalan havayı almak, çeper soğutma ihtiyaçlarını karşılamak ve türbin için kabul edilebilir değerlerde ortalama bir sıcaklık dağılımı ile çıkış akımı sağlamaktır. Sıcaklık dağılımı ise patern faktörü terimi ile ifade edilmektedir. Yüksek türbin giriş sıcaklığına sahip modern yüksek performanslı gaz türbinlerinde yanma odası üçün bölümü için ideal patern faktörü, gerilmelerin yüksek olduğu kanatçık köklerinde ve uç kısımlarında minimum sıcaklık değerinin olması durumudur. Dilisyon için mevcut hava miktarı yanma odasının toplam hava akışının % 20-% 40‟ ı kadardır.

109 4.2.4 Yanma odası tipleri

Bir yanma odası formu silindirik bir gömlek (layner) ve onun etrafını saran muhafazadan oluşmaktadır. Gaz türbinlerinde yanma odaları farklı dizaynlarda yapılabilmektedir. Fakat bu dizaynların başlıcaları ve en çok kullanılan tipleri aşağıda olduğu gibidir:

1-Boru şeklindeki yanma odaları (Can type) a. Tekli boru şeklindeki yanma odaları b. Çoklu boru şeklindeki yanma odaları

2-Halka şeklindeki yanma odaları (Annular type)

3-Boru-halka şeklindeki yanma odaları (Can-Annular type)

Şekil-4.2.3 Yanma odası biçimleri (Martinelli-2002)

Endüstri tipi gaz türbinlerinde yanma odaları genellikle tekbir ünite halinde yapılır. Bu takdirde oda, türbin ve kompresörden müteşekkil gurubun yanına dik olarak, daha nadiren de üst tarafına yatay olarak yerleştirilir.

4.2.4.1 Boru Ģeklindeki yanma odaları

Boru şeklindeki yanma odası alev borusu şeklinde yapılmış, küçük çaplı deliklere sahip tek bir gömlek ve onu çevreleyen muhafazadan oluşmaktadır. Yakıt enjektörü yanma odasının birinci bölümü orta kısmındadır. Bu tip yanma odaları genellikle radyal akışlı kompresöre sahip gaz türbinlerinde kullanılmaktadır. Tekli veya çoklu tip uygulamaları mevcuttur. Bu tip yanma odasında yanma işlemine değinecek olursak; bu sistemde hava difizöre geldiğinde bölünür ve yakıt yakılan bölümün etrafında dairesel şeklinde sıralanan (çoklu tip) yanma odalarına yollanır. Çoklu tipte her bir yanma odası, yakıt nozulu ve yakıcı çemberinden oluşur. Birincil hava nozula gönderilir ve yanmanın başlangıcını oluşturur. Soğutma yapan ikincil hava gömlek ve yakıcı bölüm arasından geçer. Gömlek birkaç sıra deliğe ya da dışarıdaki ikincil havanın girebileceği deliklere yarıklara sahiptir. Gömlek boyunca gömleği soğutan ikincil hava deliklerden yanma odasına girerek yanma için ek hava temin eder.

110

Yanma tamamlandıktan sonra yanma odasından çıkan yanmış gazlar türbine yönlendirilir. Bu noktada, yakıt nozullarını bay-pas eden ikincil hava yanma sonucu oluşan gazlarla karışır ve sıcak gazları türbin için uygun bir sıcaklığa kadar soğutur.

Şekil-4.2.4 Tekli boru tipi yanma odası Şekil-4.2.5 Çoklu boru tipi yanma odası

(Soares-2007) (Soares-2007)

Bu tip yanma odası toplam ağırlık ve kapladığı toplam hacim bakımından aynı yakma kapasitesine sahip diğer yanma odalarına karşı avantajlıdır. Ayrıca çoklu tipte bir yanma odasında, arıza olması durumunda diğerleri çalışır durumda kaldığından işletme emniyeti yüksektir ve arızalı yanma odası kolaylıkla yedeğini takmak suretiyle değiştirilebilir. Fakat bu tip yanma odalarını dezavantajı basınç düşmesinin diğerlerine oranla yüksek olmasıdır ve çoklu boru tipi yanma odasında bir veya birkaç yanma odasının arıza sebebiyle devre dışı kalması dolayısıyla yanma odası sisteminin çevresindeki sıcaklıklar farklı değerler alacaktır, bu durumda yanma odası verimini düşürecektir.

4.2.4.2 Halka Ģeklindeki yanma odaları

Bu tip yanma odaları halka şeklinde ve gaz türbini şaftını tamamen saracak biçimde, iç ve dış muhafaza arasında yer alan tek bir gömlekten oluşmaktadır. Yanma odasının ön kısmı kompresöre arka kısmı ise direkt olarak türbine açılmaktadır. Hava gömleğe halkasal kanalın çevresinde bulunan birkaç ağızdan aynı zamanda içeriye verilerek türbülanslı hale getirilir. Bu suretle hava ile yakıt en iyi şekilde karıştırılarak hem iyi bir yanma elde edilmiş, hem de gömlek iç yüzey alanında en uygun hacim elde edilerek yanma sonu gazların maksimum derecede soğutulması sağlanmış, delikler sayesinde de ikincil hava ile yanma odası cidarları soğutulmuş olur. Bu sayede de alev dış halkadan uzak tutulmuş olur. Yakıt ise gömlek girişi çevresinde bulunan seri halde bağlanmış yakıt nozulları tarafından püskürtülmektedir.

111

Şekil-4.2.6 Halka tipi yanma odası (Soares-2007)

Bu tip yanma odaları doğru akımlı boru tipi yanma odaları gibi düşük sürüklenme kaybı, küçük çap ve yüksek akış hızı gibi avantajlara sahiptir. Fakat halka tipi yanma odaları boru tiplerine kıyasla daha az yüzey hacim oranına sahiptir. Böylece daha az soğutma havasına ihtiyaç duyarlar. Ağırlıkları boru tipi yanma odalarına göre daha az ve performansları daha iyidir.

Halka tipi yanma odalarının dezavantajlarını aşağıdaki gibi sıralamak mümkündür:

1-Bu tip yanma odaları için gerekli olan büyük çap ve ince cidarlı silindirler nedeniyle sistemin yapısı zayıftır. Bu yüzden gömlek duvarlarının eğilip bükülmesine mani olmak oldukça zordur. Bu husus büyük çaplı gaz türbinlerinin imalinde büyük güçlüklere sebebiyet vermektedir.

2-Bakım ve onarım için tüm yanma odasının gaz türbininden sökülmesi gerekmektedir.

3-Yakıtı püskürtmek için kullanılan memelerin sayısının çok olmasına rağmen iyi bir yakıt hava dağılımı elde etmek oldukça zordur.

4.2.4.3 Boru-halka Ģeklindeki yanma odaları

Günümüzde kullanılmakta olan birçok gaz türbininde bu tip yanma odası uygulaması mevcuttur. Özellikle çok büyük turbo jet ve turbo fan motorlarda kullanılmaktadırlar. Boru tipi ve halka tipi yanma odalarının uygun bir şekilde kombinasyonuyla oluşturulmuşlardır. Bu tip yanma odasının dizaynı, ayrı boru tipi yanma odalarının silindirik bir yanma odasına yerleştirilmiş şeklidir. Bu dizayn sayesinde tek bir sistemin meydana getirdiği yüksek basınç

112

düşüşü ortadan kalmakta; hem de halkasal kanalın içinde münferit alev boruları bulunduğundan işletme emniyeti artmaktadır. Bu sistem, hem çevrede düzgün bir sıcaklık dağılımını sağlar, hem de bir alev borusunun devre dışı kalması halinde, bölgesel sıcaklık artışlarına mahal bırakmaz. Eğer yakıt nozullarından biri tıkanırsa, kızgın noktaların tehlikesi bu sistemde en aza indirilir. Ayrıca bu sistemde yanma, münferit alev boruları içinde daha kolaylıkla yanabilen bir karışım olduğundan daha hızlı olur.

Şekil-4.2.7 Boru-halka tipti yanma odaları (Soares-2007)

Boru halka tip yanma odası hem boru hem de halka tip yanma odalarının avantajlarını birleştirir. Aynı zamanda diğer tiplerin birçok dezavantajlarını ortadan kaldırır. Sökülebilir ve silindirik yapıdaki bir kaplama bütün yakıcı bölümü sarar. Bu durum her bir boru tip yanma odasının, boru-halka tip yanma odasının gaz türbininden sökülmeden kontrol etmek ve değiştirme işlemini kolayca yapmak mümkündür.