Düşük sıcaklık organik rankine çevrim uygulamalarında kullanılan radyal türbinin aerotermodinamik tasarımı ve simülasyonu
The aerothermodynamical design and simulation of radial turbines used in low temperature organic rankine cycle
Yazar: MURAT ERBAŞ
Danışman: PROF. DR. ATİLLA BIYIKOĞLU
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic

Özet:
Bu çalışmada, düşük sıcaklık Organik Rankine Çevriminde (ORÇ) kullanılacak bir gaz türbini sistemi tasarlanmıştır. Öncelikle, Organik Rankine Çevrimi 80oC çevrim üst sıcaklığı ve 40oC çevrim alt sıcaklığı için 1 MW mekanik güç üretecek şekilde tasarlanmıştır. Daha sonra, bu tasarım şartlarında en verimli şekilde çalışacak akışkan seçimi,  güvenlik, ozon tabakası inceltme potansiyeli ve küresel ısınma potansiyelleri dikkate alınarak yapılmış ve R123 soğutucu akışkanı iş akışkanı olarak belirlenmiştir. Belirlenen çevrim parametreleri kullanılarak türbin sisteminin izantropik veriminin optimizasyon modeli oluşturulmuş ve bu model ile türbin sisteminin verimi %86,3 olarak elde edilmiştir. Önerilen model, benzer bir gaz türbini üzerinde NASA tarafından gerçekleştirilen deney sonuçları kullanılarak doğrulanmış ve bu model kullanılarak tasarlanacak türbinin temel geometrik ve akış parametreleri belirlenmiştir. Türbin ve bileşenlerinin geometrisinin tasarlanmasında, korunum denklemleri ile birlikte literatürde mevcut olan ampirik bağıntılar ve sınırlayıcı şartlar kullanılmıştır. Doğrulanmış türbin parametreleri, tasarım denklemlerine tanıtılarak türbin çark, nozül, salyangoz, difüzör ve egzoz manifolduna ait tasarım parametreleri belirlenmiştir. Bu tasarım parametreleri,  türbin çarkı ve nozülünün çiziminde BLADEGEN, salyangoz, difüzör ve egzoz manifoldunun çiziminde SOLIDWORKS programlarına tanıtılarak 3 Boyutlu türbin elemanlarının çizimleri yapılmıştır. Türbin çarkı ve nozül çizimleri, TURBOGRID programı,  salyangoz, difüzör ve egzoz manifoldunun çizimleri ise ANSYS MESHING programına aktarılarak türbin elemanlarının ağ yapıları oluşturulmuştur. Türbin elemanlarının hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) modeli, ayrı ayrı, uygun sınır şartları kullanılarak ANSYS CFX programında koşulmuştur. HAD sonucunda, türbin elemanlarının içerisindeki akışkan hız dağılımları, akım çizgilerin doğrultuları, akışkan içerisindeki, türbin ve nozül kanat yüzeylerindeki basınç dağılımları, entropi üretimi dağılımları elde edilmiştir. HAD sonuçları ile oluşturulan türbin model sonuçları karşılaştırılarak tasarlanan türbin geometrisinin doğruluğu test edilmiştir. Test sonucunda, tasarlanan türbin sisteminin %88,8 verime ulaşabileceği belirlenmiştir.

Abstract:
In this study, a gas turbine system is designed to be used for low temperature Organic Rankine Cycle (ORC). First, Organic Rankine Cycle is designed to produce 1 MW mechanical power for the boiler exit temperature of 80 ° C and for the condenser exit temperature of 40 ° C. Then, the selection of refrigerant was performed to operate the system in the most efficient manner regarding safety, ozone layer depletion potential and a global warming potential of working fluid. The refrigerant, R123, was selected as the working fluid. The optimization model of isentropic efficiency of the turbine system was established by the specified cycle parameters and the efficiency of the turbine system was obtained as 86.3% by this model. The proposed model was verified by the experiment results performed by NASA on a similar gas turbine and the main geometric and flow parameters of the turbine to be designed were determined based on this model. In the design of geometry of turbine and its components, the conservation equations with empirical correlations available in the literature and the limiting conditions were used. The design parameters belonging to the turbine's impeller, nozzle, volute, diffuser and exhaust manifold were determined by introducing verified turbine parameters to the design equations. The 3-D drawings of turbine impeller and nozzle were done by introducing the design parameters to BLADEGEN, and the drawings of volute, diffuser and exhaust manifold were done by SOLIDWORKS. The grid structures of turbine impeller and nozzle were generated by introducing the drawings to TURBOGRID, and the grid structures of volute, diffuser and the exhaust manifold were generated by introducing the drawings to ANSYS MESHING. The computational fluid dynamics (CFD) model of turbine components was run separately on ANSYS CFX with appropriate boundary conditions. As a result of CFD analysis, the flow velocity distribution in the turbine components, direction of the stream lines in the fluid, the pressure distributions through the surfaces of turbine and the nozzle, and the distributions of entropy generation were obtained. The accuracy of the designed geometry of turbine system was tested by comparing the results of the proposed turbine model and the one obtained in the CFD analysis. It was concluded that the overall efficiency of the proposed turbine system could yield 88.8%.