Gaz Turbinleri
Gaz türbini, gazların yüksek basınç ve sıcaklıkta genleşmesiyle mekanik enerji üreten bir içten yanmalı motor türüdür. Genellikle hava ve yakıt karışımının yanmasıyla oluşan yüksek enerjili gazların bir türbin kanatlarını döndürmesi prensibiyle çalışır. Bu mekanik enerji, elektrik jeneratörlerini çalıştırmak, uçak motorlarında itiş gücü sağlamak veya endüstriyel süreçlerde kullanılmak üzere dönüştürülür.
Gaz Türbininin Temel Çalışma Prensibi:
Hava Emişi: Türbin, çevreden
büyük miktarda havayı çeker.
Sıkıştırma: Kompresör, alınan
havayı sıkıştırarak yüksek basınçlı hale getirir.
Yanma: Sıkıştırılmış havaya yakıt
(genellikle doğal gaz, jet yakıtı veya dizel) enjekte edilir ve bu karışım
yanma odasında ateşlenir. Bu, yüksek sıcaklıkta ve basınçta gazlar üretir.
Genleşme ve Güç Üretimi: Yüksek
enerjili gazlar türbin kanatlarını döndürür. Bu dönme hareketi, mekanik
enerjiye dönüşür.
Egzoz: Kullanılan gazlar egzoz
yoluyla dışarı atılır.
Kullanım Alanları:
- Havacılık: Jet motorları, gaz türbinlerinin bir türüdür.
- Enerji Üretimi: Elektrik santrallerinde jeneratörleri çalıştırmak için kullanılır.
- Endüstriyel Uygulamalar: Gemi tahriki, pompa sistemleri ve kompresörler gibi alanlarda kullanılır.
Avantajları:
- Yüksek verimlilik ve güç-ağırlık oranı.
- Kompakt tasarım.
- Hızlı başlatma ve durdurma kapasitesi.
Dezavantajları:
- Yüksek işletme maliyetleri (özellikle yakıt tüketimi).
- Yüksek sıcaklık ve basınç nedeniyle bakım gereksinimi.
- Çalışma maddesi, özgül ısısı çevrim boyunca değişmeyen havadır.
- Sıkıştırma ve genişleme işlemleri izentropiktir.
- Elemanların giriş ve çıkışlarında kinetik enerji değişimi ihmal edilir.
- Elemanlarda basınç düşüşü olmadığı varsayılır.
- Çevrim boyunca çalışma maddesinin kütlesel debisi sabittir.
- Isı eşanjörü için ısı transferi tamdır.
Gerçek çevrimler ise teorik çevrimlerden farklıdır.
- Her bir eleman giriş ve çıkışı için kinetik enerji değişimi ihmal edilemez.
- Sıkıştırma ve genişleme işlemlerinde entropi değerinde değişim gözlemlenir.
- Elemanlarda meydana gelen akışkan sürtünmesi sonucu basınç kaybının yanında mekanik kayıplar da oluşur.
- Yapılan iş, sıkıştırma işlemininin gerektirdiğinden biraz daha fazla olmalıdır.
- Çevrim boyunca özgül ısı ve sıcaklık sabiti değerleri değişmektedir.
Basit bir gaz türbini; ortak mile monte edilen kompresör ve türbin ile yanma odasından oluşmaktadır.
Kompresöre giren atmosferik hava, basıncı bir miktar artmış şekilde yanma odasına ulaşır. Burada hava içerisine püskürtülen yakıt ilavesi ile birlikte yanma işlemi sabit basınç altında ve sürekli olmaktadır. Yanma sonucu oluşan ürünler, türbine girdikten sonra genişleyip türbin kanatçıklarını hareket ettirerek iş üretirler. Türbinden çıkan gazlar atmosfere atılır.
Çevrim "1- 2- 3- 4" olarak isimlendirilirse;
1- 2 ==> Hava, kompresörde sabit entropi değerinde sıkıştırılır. Bu esnada sıcaklık ve basınç değerleri yükselilir.
2- 3 ==> Sıkıştırılmış hava, yanma odasında sabit basınç altında ısı alır. Çalışma maddesinin sıcaklık değeri artmakla birlikte miktar da genişlemektedir.
3- 4 ==> Daha sonra türbinde sabit entropi değerinde genişleyen çalışma maddesi türbine iş transfer eder. Bu esnada sıcaklık değeri düşmektedir.
4- 1 ==> Sabit basınç altında türbinden çıkan egzoz gazları atmosfere atılır. Basınç değeri teorik olarak atmosfer basıncına eşittir.
Isı eşanjörü eklemek gaz türbinlerinin verimini arttırabilir. Bu noktada egzoz gazları ile dışarıya atılanın ısının bir kısmı sisteme kazandırılır. Yakıt tüketiminden tasarruf sağlanır.
Kompresörde gerçekleşen sıkıştırma ve türbinde gerçekleşen genişleme işlemleri sabit sıcaklık altında yapılması gaz türbinlerinde verimi arttırabilir. Güçlükler nedeni ile her ne kadar bu durum çok mümkün olmasa da kademeli kompresör ve ara soğutuclar, kademeli türbin ve ara ısıtıcılar ile işlemin sabit sıcaklık altında gerçekleşmesine yaklaşılabilinir.
Bazı motorlarda kompresör bulunmaz. Uçak ileri doğru hareket ederken uçak yönüne ters olarak da hava hareketi söz konusudur. Sıkıştırma işlemi de bu havanın kinetik enerji dönüşümüne bağlıdır. Bu işlem, ram etkisi olarak da ifade edilir.
Kompresörsüz jet motorları;
- Kompresör ve türbin bulundurmayan ramjet,
- Az sayıda hareketli parça bulunduran ve yanma sonucu oluşan etkiden yararlanan pulsejet.
Turbojet motorlar, yüksek miktarda itiş gücü üretirler ve uçağın kısa sürede ivmelenmesini sağlarlar. Daha çok askeri uçak ve ses üstü hızlarda uçuş yapan hava araçlarında kullanılınır. Newton'un "Etki- Tepki" prensibine dayanmaktadır. Etki; yüksek hızda geriye itilen hava, tepki ise ters yönde hava aracına sağlanan kuvvettir.
Turbofan motorlar; itişi egzoz gazıyla elde eden, ön kısmında fan bulunduran motorlardır. Turbojet motorlara göre yakıt tasarrufu sağlamakla birlikte daha az gürültü üretirler. Genelde yolcu uçaklarında kullanılır. Hava akışı fan ile sağlanır ve fanın çalışması da şaftla kendisine bağlı olan türbin tarafından gerçekleştirilir. Fan kademesinin eklenmesi sonucu;
- Motordan geçen havanın kütle akışı artar.
- Böylelikle üretilen toplam itme gücü artar.
- Daha fazla hava sonucu, yakıt tüketimi ve emisyonda azalma meydana gelir.
- Motorun genel verimliliğini arttırmaya yardım eder.
- Uçak yük kapasitesinde artışa neden olabilir.
Turbofan motorlar, düşük ve yüksek bypaslı olmak üzere ikiye ayrılabilir. Fandan geçen hava kütlesi ve motor çekirdeğine yönelen hava kütlesi bu ayrım için önemli parametrelerdir. Hava kütlesine bağlı olarak da özgül itiş gücü ve jet hızı değişim göstermektedir. Yüksek bypaslı motorların itme gücü ve verimlilik dengesi iyi olduğu için ticari uçaklarda kullanımı yaygındır.
Turboprop motorlar, turbojet motorundan güç alarak pervaneyi çeviren uçak motorudur. Düşük hızda verimliliği yüksek olduğu için büyük kargo tipi uçaklarda kullanılır. Pervane, tahrik kuvvetinin önemli bir kısmını üretir. Bir miktar itme kuvveti de egzoz nozulundan çıkan gazlar ile sağlanır.
Turboşaft motorlar, jet itme yerine şaft gücü üretirler. Kademeli türbin ile sağlanan genleşme sonucu egzozdan ısı enerji eldesi ve çıkışta şaft gücüne dönüşüm sağlanır. Helikopter, tekne, gemi ve tanklarda uygulamaları mevcuttur.
