Gaz türbinlerinde yanma odalarının teorik incelenmesi ve nümerik olarak modellenmesi
Theoretical investigation and numerical modelling of gas turbine combustion chambers
Yazar: İBRAHİM ÖZSARI
Danışman: PROF. DR. YASİN ÜST
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering

Özet:
Günümüzde gaz türbinlerinin, alternatiflerine nazaran yapısının daha basit olması, hafifliği, güvenilirliği, maliyetinin düşüklüğü, çok çeşitli yakıt kullanabilmesi ve temiz enerji kaynaklarıyla uyumlu çalışabilmesi gibi özelliklerinden dolayı gaz türbinleri, enerji üretiminde çok önemli bir konuma gelmiştir. Bununla birlikte gaz türbinleri yanma odası üzerine büyük bir ilgi oluşmuştur. Bunlar arasında yanma odasının yanma performansının arttırılması ve yanma ile oluşacak NOX, SOX, CO ve CO2 emisyonlarının azaltılma ihtiyacı büyük bir önem taşımaktadır. Bu nedenle bu tezde, boru tipli bir gaz türbini yanma odası için Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği esaslı modelleme tekniği kullanılarak 2 boyutlu yanma modeli oluşturulmuştur. Yanma modeli metan, etan ve propan yakıtlarının iki basamaklı yanma reaksiyonu ve girdap ayrışma modeli kullanılarak oluşturulmuştur. Türbülans modeli olarak standart k-ԑ modeli, radyasyon modeli olarak da P-1 Model'i kullanılmıştır.
Bu çalışmada öncelikle 30 kW'lık ısıl güce sahip bir yakıcıda metan gazının farklı ekivalans oranlarındaki yanma işlemleri modellenmiştir. Bu modellerde sırasıyla 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 ve 1 ekivalans oranlarındaki yanma sonuçlarındaki sıcaklık dağılımları ve NOX oluşumları incelenmiştir. Sonra gaz türbinlerinin yanma odasında soğutma havası ve radyasyonla ısı transferi etkisinin sonuçları incelenmiştir. Ayrıca ısıl gücün yanma üzerindeki etkilerini incelemek için 50 kW'lık ısıl güce sahip bir yakıcı ile sonuçlar kıyaslanmıştır. Çok çeşitli yakıt yelpazesine sahip olan gaz türbinleri için metan, etan ve propan yakıtlarının yanmasıyla oluşan sıcaklık değerleri ve NOX emisyonları incelenmiştir. Gaz türbinlerinde NOX ve CO emisyonları için oluşturulmuş analitik yaklaşımlar üzerinde durularak birkaç yaklaşım ile sayısal simülasyonun sonuçları karşılaştırılmıştır.

Abstract:
Nowadays gas turbines, with simple construction, light weight, high reliability, low cost, versatile fuel operation and compatibility to clean energy resources, gained an important place in energy production area. But also, significant attention is paid to gas turbine combustion chambers to improve combustion performance of combustor and for need to reduce combustion emissions, namely NOX, SOX, CO and CO2, of great importance. In this thesis, a 2-dimensional combustion model based on computational fluid dynamics is developed considering  a can-type gas turbine combustor. Combustion model is composed of two step combustion reaction mechanisms of methane, ethane, propane fuels and Eddy Dissipation flow model, standard k-ε turbulence model and P-1 radiation heat transfer model.
In this study, firstly, combustor of 30 kW thermal power is modelled for combustion process analyses of methane at different equivalence ratios. NOX emission and temperature distributions in the combustor are investigated at different equivalence ratios, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 and 1, respectively. Then, investigation of cooling air effect and heat transfer with radiation effect in gas combustor is carried out. Besides, to investigate the effect of thermal power on combustion, output data of a 50 kW thermal power combustor is used for comparison. Later on, temperatures and NOX emission levels of gas turbines operating with several fuels, considering methane, ethane and propane, are investigated. Also, recent analytic investigations applied to gas turbines for NOX and CO emissions are considered and investigation outputs are compared with calculated numerical simulation results.