Mini gaz türbinli motorda hidrojen ve biyogaz ilavelerinin jet yakıtının yanma ve emisyon performansına etkisinin sayısal incelenmesi
Numerical investigation of the effect of hydrogen and biogas additions on the combustion and emission performance of jet fuel in a mini gas turbine engine
Yazar: HÜSAMETTİN ALPEREN ALABAŞ
Danışman: PROF. DR. BİLGE ALBAYRAK ÇEPER
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Havacılık ve Uzay Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Uçak Mühendisliği = Aeronautical Engineering

Özet:
MİNİ GAZ TÜRBİNLİ MOTORDA HİDROJEN VE BİYOGAZ İLAVELERİNİN JET YAKITININ YANMA VE EMİSYON PERFORMANSINA ETKİSİNİN SAYISAL İNCELENMESİ
Hüsamettin Alperen ALABAŞ
Erciyes Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü
Doktora Tezi, Ocak 2024
Danışman: Prof. Dr. Bilge ALBAYRAK ÇEPER
ÖZET
Bu çalışma kapsamında ciddi bir kirletici olduğu bilinen gaz türbinli motor üzerinde HAD simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Simülasyon için kullanılan 3B GTM – 120 modeli basitleştirilerek 12 ayrı nozul yüzeyinden saf kerosen yakıtının deneysel çalışmalardan alınarak oluşturulan giriş parametreleriyle ayrık faz yöntemiyle enjekte edilerek 3 farklı devirde doğrulama ve bağımsızlık analizleri gerçekleştirilmiştir. Ön karışımsız yanma modelinin uygulandığı çalışmada, türbülans modeli için ölçeklenebilir duvar fonksiyonlu standart k- ε, radyasyon modeli için ayrık ordinatlar metodu kullanılmıştır. Alternatif yakıt olarak kullanılan hidrojen ve biyogaz ısıl güç sabit tutularak kerosenle %50 oranında karışım sağlayacak şekilde %10'ar artışlarla eklenmiştir. Aynı zamanda kullanılan alternatif yakıtların negatif etkilerinin giderilebilmesi için yakıcı hava içerisindeki O2 oranı %13 ile %30 oranında değiştirilmiştir. Jet yakıtı kerosen ile %50 oranına kadar karıştırılarak kullanılan H2'nin oluşturacağı negatif etkileri gidermek için yakıcı havadaki O2 oranı %13'e kadar azaltılarak renksiz dağıtılmış yanma şartlarında analizler yapılmıştır.  Özellikle %15 O2 ve %50 H2 olan analizde yanma odası çıkış sıcaklığı düşürülmeden NOX, CO ve CO2 emisyonlarında büyük azalma tespit edilmiştir. Kerosenle biyogazın ısıl güç sabit tutularak %50 oranına kadar karıştırılmasında ise sıcaklıkların istenilen seviyede tutulabilmesi için oksijence zenginleştirme yapılmıştır. Biyogaz ilavesiyle toplam C/H oranının azalmış ve karbon bazlı emisyonları iyileştirmiştir. Öte yandan oksijence zenginleştirmeye bağlı olarak alev sıcaklığı ve NOX emisyonlarında artış gözlemlenmiştir.
Anahtar Kelimeler: Yanma, HAD, Alternatif Yakıt, Hidrojen, Biyogaz, RDY, Oksijence Zenginleştirme

Abstract:
NUMERICAL INVESTIGATION OF THE EFFECT OF HYDROGEN AND BIOGAS ADDITIONS ON THE COMBUSTION AND EMISSION PERFORMANCE OF JET FUEL IN A MINI GAS TURBINE ENGINE 
Hüsamettin Alperen ALABAŞ
Erciyes University, Graduate School of Natural and Applied Sciences 
PhD Thesis, January 2024
Supervisor: Prof. Dr. Bilge ALBAYRAK ÇEPER
ABSTRACT
In the scope of this study, CFD simulations were conducted on a gas turbine engine, known to be a significant polluter. The 3D GTM – 120 model used for the simulation was simplified, and pure kerosene fuel was injected from 12 nozzle surfaces using the discrete phase method. The input parameters were taken from experimental studies, and verification and independence analyses were conducted at three different RPMs. In this study, the non-premixed combustion model was applied, and the standard k-ε model with a scalable wall function was used as the turbulence model. The discrete ordinates method was employed for the radiation model. Hydrogen and biogas, serving as alternative fuels, were incrementally added in 10% increments to achieve a 50% mixture with kerosene, while keeping the thermal power constant. Simultaneously, the O2 ratio in the combustion air was adjusted from 13% to 30% to mitigate the negative effects of the alternative fuels. To counteract the adverse impacts of H2, when mixed up to 50% with jet fuel and kerosene, the O2 rate in the combustion air was reduced to 13%, and analyses were conducted under colorless distributed combustion conditions. Particularly in the analysis with 15% O2 and 50% H2, a significant reduction in NOX, CO, and CO2 emissions was observed without decreasing the combustion chamber outlet temperature. When kerosene and biogas were mixed up to 50% while maintaining constant thermal power, oxygen enrichment was performed to maintain desired temperatures. The addition of biogas lowered the total C/H ratio, thus reducing carbon-based emissions. However, an increase in flame temperature and NOX emissions was noted due to oxygen enrichment
Keywords: Combustion, CFD, Alternative Fuels, Hydrogen, Biogas, CDC, Oxygen Enrichment