Termodinamik Yazıları (On Thermodynamics) Taner Derbentli
Bu sayfada termodinamikle ilgili kısa yazılarımı bulacaksınız.
(On this page you will find short articles that I will write on thermodynamics)
Gaz Türbinleri Gas Turbines
|
Bugün en yaygın olarak kullanılan güç üreticileri, benzin motorları, Diesel motorları, gaz türbinleri ve buhar türbinleridir. Uçaklara güç sağlayan gaz türbini lise yıllarından beri ilgimi çekmiştir. Gaz türbini gazyağı veya doğal gaz ile çalışan içten yanmalı bir motordur. Gaz türbinleri bugün uçaklarda, elektrik üreten santrallarda ve az da olsa gemi, kara taşıma araçlarında kullanılmaktadır. Gaz türbinlerinin büyüklüğü (gücü) 50 kW’ dan 50 MW’ a kadar değişebilmektedir. Gaz türbini aslında temel olarak kompresör, yanma odası ve gaz türbininden oluşan bir ısı makinasının adıdır. Hava kompresörde hacimsel olarak yaklaşık bire beş oranında sıkıştırıldıktan sonra, yanma odasında içine gazyağı veya doğal gaz püskürtülerek yakılır. Sıcaklığı yaklaşık 1500 K’ e yükselir. Sıcak ve yüksek basınçlı yanma sonu gazları türbinde genişleyerek güç üretir. Türbinde üretilen güçle kompresörde tüketilen güç arasındaki fark, mekanik güç olarak da kullanılabilir veya uçaklarda olduğu gibi bir lüle aracılığıyla tepkiye dönüştürülebilir. Gaz türbini, ideal Brayton çevrimine dayanır. Çevrim, sabit entropide sıkıştırma, sabit basınçta çevrime ısı geçişi, sabit entropide genişleme ve sabit basınçta çevreye ısı geçişi adımlarından oluşur. Çevrim ilk kez ABD’ li mühendis George Brayton (1830-1892) tarafından 1870 yılında tasarlanmıştır. Ancak gaz türbini motorunun geliştirilmesi, 1930’ lı yıllarda Sir Frank Whittle (1907-1996) tarafından İngiltere’ de gerçekleştirilmiştir. Whittle’ ın başarıyla çözdüğü mühendislik problemi aynı şaft üzerinde bulunan türbinde yapılan genişleme işinin, kompresörde gereken sıkıştırma işinden daha büyük olmasını gerçekleştirmekti. Gaz türbinlerinin ısıl verimleri diğer motorlara göre düşüktür. Bunun nedeni de çevrimin en yüksek sıcaklığının yaklaşık 1500 K’ le sınırlı olmasıdır. Bu sınırlamanın gerekçesi, yanma sonu gazlarına sürekli açık bulunan türbin kanatçıklarının ancak belirtilen sıcaklıklara dayanabilmesidir. Bu nedenle son yıllarda gaz türbinleri üzerindeki araştırmalar çoğunlukla, daha dayanıklı seramik kanatçıkların geliştirilmesi, ve ön kademe kanatçıklarında soğutma yapılması üzerine olmuştur. Gaz türbini motorlarının bir diğer zayıf yanı da çok gürültülü çalışmalarıdır. Günümüz yolcu ve savaş uçaklarının hemen tümünde, gaz türbini motorunun evrildiği son aşama olan turbofan motorları kullanılmaktadır. Bu motorlarda, emilen havanın bir bölümü içte bulunan gaz türbininden geçerken, bir bölümü de gaz türbinini çevreleyen ve önünde içteki gaz türbinine bağlı büyük bir pervane (fan) bulunan bir kanaldan geçmektedir. Böylece hem motor gürültüsü azaltılmakta, hem de uçakların iniş kalkış performansları iyileştirilmektedir. Günümüzde büyük gaz türbinleri elektrik üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu uygulamalarda gaz türbinleri ya tekil olarak ya da buhar türbiniyle birlikte (kombine çevrim) çalışır. Gaz türbinleri bileşik ısı-güç üretimi (kojenerasyon) için de kullanılmaktadır. (15 Eylül 2017) |
The most widely used engines for producing power today are the gasoline engine, the Diesel
engine, the gas turbine and the steam turbine. As the power plant of airplanes, the gas
turbine has attracted my attention since my high school years. Gas turbine is an internal
combustion engine which uses kerosene or natural gas as fuel. Gas turbines are used in
airplanes, electric producing power plants, and to a smaller extent in ships and trucks.
The size (power) of the gas turbines range from 50 KW to 50 MW. In principle, gas turbine is the name given to a heat engine composed of a compressor, combustion chamber and a turbine. Air is compressed in a ratio of approximately 1 to 5 in volume in an air compressor, is then burned with kerosene or natural gas sprayed into the combustion chamber. Its temperature becomes nearly 1500 K. The hot and high pressure combustion products then expand in the turbine to produce power. The difference betweeen the power generated in the turbine and the power consumed in the compressor may be used as mechanical power or may be converted to thrust with the help of a nozzle as in the airplanes. Gas turbine is based on the Brayton Cyle. The cycle consists of four processes, namely isentropic compression, constant pressure heat addition, isentropic expansion and constant pressure heat rejection to surroundings. The cycle was first conceived by an American engineer George Brayton (1830-1892) in 1870. But the development of the gas turbine was achieved by Sir Frank Whittle (1907-1996) in England in 1930’s. The engineering problem that was successfully solved by Whittle was to develop more power in the turbine then the power used by the compressor connected to the turbine on the same shaft. The thermal efficiency of the gas turbine is lower than the other engines. This is because the maximum temperature of the cycle is limited to approximately 1500 K. The reason for this limitation is to protect the gas turbine blades continuously exposed to hot combustion gases from failure. Therefore the research on gas turbines has centered mainly on ceramic turbine blade materials durable at higher temperatures and the cooling of the gas turbine blades. Another diasadvantage of the gas turbine engine is the high noise that it produces. Turbofan engines, which is the topmost version that the gas turbines has evolved to, are used in almost all passenger and war planes used in our day. Part of the air taken into the engine is diverted to a channel surrounding the gas turbine, at the front of which is a large propeller (fan) driven by the engine, while the rest of the air intake passes through the gas turbine itself. By doing this, the engine noise is reduced and the takeoff and landing performance of the airplanes are improved. Stationary gas turbines are widely used for producing electrical power today. In these applications the gas turbines are either used alone or combined with steam turbines. Gas turbines are also used for cogeneration or combined heat and power production. (September 15, 2017) |