Gaz Türbinli Motorlar – 2 | Kompresör

“Merhaba arkadaşlar Gaz Türbinli Motorlar ile başlayan yazı serimize santrifüj kompresör, eksenel kompresör ve bu kompresörlerin çalışma prensiplerini detaylı olarak inceleyerek devam edeceğiz. Bu yazıyı okumadan önce gaz türbinli motorlar hakkında ön bilgi edinmek isteyenlerin Havacılığın Kalbi: Gaz Türbinli Motorlar yazısını okumasını tavsiye ederiz.”

Kompresör, sıkıştırılabilir özelliğe sahip olan bir akışkanın basıncını arttırmak üzere kullanılan makinelere verilen genel bir isimdir. Gaz türbin motorunda türbin boyunca genişleme işleminden önce havanın sıkıştırılması gerekir. Bu sıkıştırma işlem, iki temel kompresör çeşidinden biri kullanılarak yapılır. Bunlardan biri santrifüj kompresör diğeri ise eksenel kompresördür. Eksenel Kompresörlerin kullanımı çok daha yaygın olsa da hem santrifüj kompresör hemde eksenel kompresör içeren hibrit şekilde kullanımları da mevcuttur. Şekil 1.1 de bu hibrit modele bir örnek olarak Rolls-Royce firmasına ait RTM322 modeli verilmiştir. Her iki kompresör tipi de türbin tarafından döndürülür ve genellikle türbin şaftına bağlıdır.

Kompresör çeşitlerinden biri olan santrifüj kompresörü tanımakla başlayalım. Santrifüj kompresör, tek veya çift taraflı bir çarka sahiptir. Çark, difüzör halkası içeren bir kompresör manifoldu içinde desteklenir. Akışkan çarkın dönüş hareketi ile hızlandırıldıktan sonra difüzörde yayılarak yavaşlatılır. Yavaşlayan akışkanın basıncı artar ve kompresör manifolduna geçen yüksek basınçlı akışkan daha sonra yanma odasına gönderilir.

Santrifüj kompresörün temelde üç bileşeni vardır;

• Çark (impeller)
• Difüzör
• Kompresör manifoldu

1. Çark

Çark, kompresör manifoldu ile bağlantılı olarak yakınsak geçişler oluşturan tek veya her iki yüzüne de radyal olarak yerleştirilmiş kanatlara sahip dövme bir diskten oluşur. Temel olarak üç çeşit çark tipi kullanılmaktadır. Şekil 1.2 de bu çark tipleri gösterilmiştir:

Bu çark tiplerinin birbirlerine göre avantajları ve dezavantajları bulunmaktadır. Geriye eğimli çarklar en yaygın olanıdır. Akışkanın kanat aralarına girmesi ve kanatları terk etmesi en az miktarda dönüşle gerçekleştiğinden, üçü arasında en yüksek verimi bu çark tipi sağlar. Radyal kanatlı çark tipine sahip santrifüj kompresörler basit geometrik yapıya sahip oldukları için üretimi diğerlerine göre daha kolaydır. Üç kanat tipi arasında geniş bir hacimsel debi aralığında en yüksek basınç artışını sağlarlar ancak bu basınç artışı, maksimum verim noktasından sonra hızla düşer. Öne eğimli kanatlı çarklar, radyal veya geriye eğimli kanatlardan daha düşük olmakla birlikte, geniş bir hacimsel debi aralığında hemen hemen sabit bir basınç artışı sağlarlar. Öne eğimli bu çark tipi genellikle daha fazla sayıda kanada sahiptir, ancak kanatlar daha küçüktür.

2. Difüzör

Santrifüj kompresörde, çarkı terk eden akışkan difüzör bölümüne geçer ve akışkanın hızı yavaşlatılırken basıncı arttırılır. Difüzör kanatlı(vaned),kanatsız(vaneless) veya her ikisinin kombinasyonu olabilir. Difüzör statik bir parça olduğu için toplam koşullar(basınç ve sıcaklık) bu parça üzerinde değişmez ancak statik basınç ve sıcaklık artar. Çark ve difüzör arasındaki açıklık önemli bir faktördür çünkü çok küçük bir açıklık kararsız akışkan hareketine ve titreşim yaratabilecek aerodinamik darbeleri oluşturabilmektedir. Yüksek hızlara değerlerine sahip kompresörlerde difüzör girişinde şok etkisi oluşturmaması için Mach sayısı 1 in altında tutulmaya çalışılır böylece şok sebebi ile oluşabilecek kayıplar en aza indirilir.

3. Kompresör Manifoldu

Kompresörü saran ve içerisinde diğer elemanları barındıran elemandır. Rotorun hem eksenel hem radyal desteğini sağlayan yataklar da bu eleman içerisindedir ayrıca kompresörün içerisine gelen akışın ve çıkan akışın yönlendirildiği flanşlı bağlantılarda bu elemana monte edilmektedir. Akışkan hızlarının bilinmesi bu flanş bağlantılarının boyutlandırılmasında kullanılmaktadır. Kompresör manifoldu döküm(demir veya çelik), dövme veya kaynakla imal edilebilir.

Temelde 2 tip kompresör manifoldu bulunmaktadır bunlar yatay ve dikey olarak bölünmüş kompresör manifoldlarıdır.

Yatay olarak bölünmüş : Rotor eksenine paralel olarak bölünmüştür. Kasanın üst yarısı cıvatalanır ve alt kısma dübellenir. Kompresörün iç kısımlarına erişim bu kasa tasarımı ile kolaylaştırılmıştır.

Dikey olarak bölünmüş : Rotorun eksenine dikey olarak ayrılmıştır. Bu şekildeki tasarım yatay olarak bölünmüş tasarıma göre daha yüksek basınçları kaldırabilmektedir ancak bu şekilde tasarlanmış bir manifoldun bakımı için iç kısmın çıkarılması gerekmektedir.

Eksenel Kompresörler

Havacılık ve endüstriyel gaz türbini uygulamalarında yüksek verim ve tek mil ile daha

yüksek sıkıştırma oranlarına imkan sağlamaları nedeniyle günümüzde gaz türbinlerinde eksenel kompresörler daha yaygın olarak kullanılmaktadır.

Eksenel kompresör Şekil 2.2 de görüldüğü gibi giriş kılavuz kanatları, birbirine karşıt konumlu hareketli (rotor), sabit (stator),değişken açılı stator ve çıkış kılavuz kanat dizilerinden oluşmaktadır. Rotor ve stator kanatlarının oluşturduğu diziye kademe adı verilir.

Rotor

Genellikle bir aks veya mil etrafında yapılanmış olan rotorun temel görevi akışkanın hızını ve statik basıncını arttırmaktır. Yüksek hızda dönen rotor kanatlarının tasarımı eksenel kompresör tasarımında kritik öneme sahiptir. Rotor kanatları genellikle paslanmaz çelikten yapılmaktadır ancak eksenel kompresörde birçok kademe olduğundan dolayı iç kısımlara doğru ilerledikçe yüksek sıcaklık ve basınca maruz kalacak olan rotor kanatları titanyumdan yapılır ve boyutları ilk kademelerdekine oranla daha küçüktür.

Stator

Stator sırası ile kompresör muhafazasına yerleştirilmiş kanatlara sahiptir. Sabit olan stator, rotor kanatlarının hemen çıkışında belirli bir açı ile yerleştirilir. Stator’un görevi akışkanı doğru şekilde bir sonraki kademeye yönlendirmek ve basıncını arttırmaktır. Akışkanı yönlendirmesi bir sonraki rotor kademesine geçişte rotor verimi için kritik öneme sahiptir. Stator kanatları kompresörün ilk birkaç kademesinde değişken açılara sahiptir ve bunlara değişken açılı stator kanatları adı verilir.

SANTRİFUJ VE EKSENEL KOMPRESÖR İÇİN TEMEL TASARIM AKIŞ ŞEMASI

Kompresörden Beklenen Özellikler

Santrifüj ve eksenel kompresör tasarlamaya başlamadan bizim için en önemli tasarım kriteri motordan elde etmek istediğimiz güçtür. Kompresörün çalışmasını istediğimiz debi aralığı ve istenilen basınç oranı da kompresörün başlangıç tasarımında belirlenir. Gaz türbinli motorlar tasarlanırken yanma odası, türbinler ve mekanik kısıtlamalar dahil olmak üzer tüm parçalar birbirleri ile uyum içinde çalışmak zorundadır. Bu sebeple tasarımcıların ve üreticilerin sürekli olarak birbirleri ile bilgi alışverişinde bulunması gerekmektedir. Şimdilik türbin, yanma odası ve mekanik kısıtlamaları göz ardı edip temel tasarım aşamalarını inceleyeceğiz.

Ön Tasarım

Tasarlanacak kompresörün giriş debisi ve sıcaklığını kullanarak temel termodinamik ve akışkanlar dinamiği bilgileri ile kompresör hattı boyunca sıcaklık ve basınç değerleri elde edilir. Hız üçgenleri sayesinde kanat açıları belirlenir. Santrifüj kompresör tasarlarken giriş ve çıkış hız üçgenleri yeterli olmaktadır ancak eksenel kompresör tasarımında her kademenin hız üçgeninin çizilmesi gerekmektedir. Şekil 2.4 te bir kademe için hız üçgenleri çizilmiştir.

Eksenel kompresörler için hız üçgenlerinden elde veriler, termodinamik hesaplamalar ve kütlenin korunumu yasası ile birleştirilerek her kademedeki halka alanları(Annulus Area) hesaplanabilir. Şekil 2.5 te ön hesaplar ile elde edilen halka alan eğrisi örnek olarak gösterilmektedir.

Bu eğri temel olarak kompresörün kesit görünüşü ile baktığımızda alanının ne kadar daralacağı ve kullanılacak olan rotor-stator boyutları için bizlere ön bilgi sağlamaktadır. Bu eğri detay tasarımda optimize edilen bir eğridir.

Ön tasarımda bazı önemli parametrelerin incelenmesi gerekmektedir. Bu parametrelere Reaksiyon derecesi(Degree of Reaction), Kanat yüklemesi(Blade Loading), İş faktörü (Work Done Factor) örnek verilebilir. Bu bilgilere daha detaylı ulaşmak için Gas Turbine Theory kitabını buradan bulabilirsiniz.

Akış diyagramında da belirtildiği gibi ön tasarım hesaplarında kademe sayısı, çap, uzunluk, kademe yüklemesi ve vektör diyagramları belirlenir. Bu veriler ile birlikte üretimi sınırlayan teknolojik kısıtlamalarda ortaya konulur. Kompresör kanatlarının sıcaklığa dayanımları, kanatların uç kısımlarındaki aralığın genişliği gibi(tip clearance) durumlar teknolojik kısıtlamalara örnek verilebilir.

Ekstra Kayıp Etkileri

Ön tasarım hesaplarından sonra bazı kayıp modellerinin analizlerimize dâhil edilmesi gerekmektedir. Geçmişten bugüne tecrübelerle oluşturulmuş çeşitli kayıp modelleri bulunmaktadır. Burada unuttuğumuz veya dahil etmediğimiz kayıp modelleri olabilir. Bu kayıp modellerinin hesaplamalarına değinilmeyecek yalnızca modellerin oluşum sebeplerinden bahsedilecektir. Detaylı hesaplamaları için literatüre bakılabilir.

1. Boşluk Kaybı (Clearance Loss)

Kanatların şekil 2.6 da görüldüğü gibi uç kısımlarında belirli bir boşluk yer almaktadır. Buradaki boşluktan dolayı oluşan kayıp etkilerinden(akışkanın kaçması, tip vorteksi gibi..) boşluk kaybı modeli geliştirilmiştir. Çeşitli bilim insanları (Rodgers, Krylov, Spunde, Jansen ) bu kayıp modeli için belirli parametrelere bağlı korelasyonlar geliştirmişlerdir. Literatürde bu çalışmalar yer almaktadır.

2. Disk Sürtünme Kaybı (Disc Frıctıon Loss)

Bu kayıp modeli dönen rotor diski ile etrafındaki muhafaza içindeki akışkan arasındaki yapışkan (adhesive) kuvvetlerin bir sonucu olarak ortaya çıkar. Aungier, Daily, Nece, Shepherd, Boyce gibi çeşitli bilim insanları bu kayıp modeli için yine belirli parametreleri kullanarak analitik denklemler ortaya koymuştur.  Bu kayıp modeli akışkanın özelliklerinin ve geometri şeklinin kuvvetli fonksiyonudur.

3. Devirdaim Kaybı (Recırculatın Loss)

Bu kayıp havanın difüzörden , kanatlar ile devir daimini ilişkilendirmektedir. Akışkana verilen enerjinin bir kısmı çıkıştaki kanatların açısından kaynaklı olarak geri dönen debi sebebi ile kaybedilmektedir.

4. Kaçak Kaybı (Leakage Loss)

Tip bölgesindeki açıklık sebebi ile “Tip Leakage Vortex” adı verilen vorteksler oluşur ve bu vorteksler enerji kaybına sebep olmaktadır. Şekil 2.7 de gösterilen Leakage flow bölgesi bu kayıp modelini oluşturmaktadır.

5. Giriş Açısı Kaybı (Incıdence Loss)

Akışkan kompresöre üniform bir giriş sağlayamaz dolayısıyla kompresör girişinde meydana gelen bu düzensizlik akış ayrılmasına sebep olur. Bu akış ayrılmasından kaynaklı enerji kaybını dikkate alan kayıp modelidir.

6. Kanat Yükleme Kaybı (Blade Loadıng Loss)

Bu kayıp modeli sınır tabakadaki negatif hız gradyeni nedeniyle gelişir , akışkanda yavaşlamaya sebep olan bu negatif gradyen aynı zamanda sınır tabaka kalınlığını arttırmaktadır. Bu artış ölü bölgelerin oluşmasına ve akış ayrılmalarına sebep olmaktadır.

7. Sürtünme Kaybı (Skın Frıctıon Loss)

Bu kayıp modeli türbülanslı akışkan sürtünmesi nedeniyle çark duvarlarında meydana gelen viskoz kuvvetlerinin etkisinden kaynaklanmaktadır. Bu kayıp dairesel bir bölüm üzerindeki akış dikkate alınarak hesaplanmaktadır. Borulardaki akış kayıpları hesapları ile benzerlik göstermektedir.

8. Kanatlı Difüzör Kaybı (Vaned Dıffuser Loss)

Bu kayıp modeli konik difüzörlerde yapılan deneysel sonuçlar ile bulunur. Giriş açısına kanatlardaki yüzey sürtünmesine, difüzör alanın , kanat yüklemesi gibi parametrelere bağlıdır.

9. Kanatsız Difüzör Kaybı (Vaneless Dıffuser Loss)

Bu kayıp modeli yukarıda daha önce ifade edilmiş olan kanatsız difüzör tipinin , sürtünmeye ve akışkan açısına bağlı olarak geliştirilmiş modeldir.

Daha birçok kayıp modeli yer almaktadır.(EndWall loss,Windage loss,Part span shroud loss,subsonic flow loss vs.) Ancak burada anlatılanlar temel kayıp modelleridir. Detaylı çalışmalar için literatüre bakılması gerekmektedir. Kayıp modellerinden uygun olanları seçildikten sonra ön tasarım hesaplamaları ile birleştirilir ve ardından 3 boyutlu detay tasarım aşamasına geçilir.  Bu aşamada gaz türbinli motorların tasarlanma aşamasındaki mekanik kısıtlamalardan olan yorulma,titreşim ve malzemeden bahsedeceğiz.

Yorulma

Gaz Türbinli Motorlarda kompresör rotorları en kolay arızalanan komponentlerden birisidir. Rotor kanatlarının arızalanması aslında birçok nedenden kaynaklabilir. Yorulma ve titreşimde bu sebeplerden bazılarıdır ayrıca yorulma kavramı, gaz türbinli motorlarda sadece kompresör için kullanılan bir kavram değildir. Kompresör, türbin ve yanma odasında sıcaklık, basınç değerleri farklılık gösterdiği için farklı malzemeler kullanılmaktadır. Bu malzeme seçimlerinin temel nedeni ise oluşabilecek yorulma, titreşim, korozyon hasarlarını en aza indirmektir. Yorulma hasarları, maruz kaldığı  mekanik yükten oluşabileceği gibi ani yüksek sıcaklık değişimlerinden kaynaklı ısıl yorulmalarda olabilir. Yorulmadan kaynaklı oluşacak hasarları 3 gruba ayırabiliriz;

• Yüksek Çevrimli Yorulma
• Düşük Çevrimli Yorulma
• Termomekanik yorulma

Titreşim

Gaz türbinli motorlarda çok yüksek hızlara çıkılması sebebi ile titreşimler ve doğal frekansların saptanması çok önemlidir. Motorun devir sayısı, şaftlara ve rotorlara zarar vermemesi için kritik hızın altında olmalıdır. Kritik hıza yakın değerlerde devamlı çalışan motorlarda yorulma hasarları da daha hızlı oluşur. Titreşimin sebeplerinde bahsedecek olursak;

• Çalışma akışkanı olarak kullandığımız havanın kanatlarda darbe etkisi yaratması
• Bir kademedeki statordan çıkan akışkanın hız ve yoğunluğun homoje olmamasından dolayı oluşan kuvvet dengesizliği
• Rotorun hassas yataklanmamış olması

İyi bir kompresör veya türbin kanadı tasarımında titreşimin rolü büyüktür. Doğal frekans ve mod şekilleriyle beraber malzemedeki sönümleme katsayısı da hesaplanmalıdır. Sistemin rijitliği arttırılmalı ve kritik hızların değeri yukarıya çekilmelidir. Bu aşama en karmaşık ve en uzun geçen süreçtir.

Bu 3 boyutlu sayısal analizler yardımları ile hem akışkan alanının detaylı olarak incelenmesi yapılmakta hemde statik ve dinamik yüklemeler ile deformasyonlar incelenebilmektedir. Ön tasarımda tam olarak belirlenmeyen profiller, kademeler vs. bu aşamada belirlenmektedir. İteratif olarak gerçekleştirilen performans analizleri ile birlikte uygun geometri tasarlanmış olur.

Malzeme

Kompresör içerisinde akışkanın basıncının ve sıcaklığın geniş aralıklarda çalışması malzemelerin yüksek sıcaklık ve yüksek gerilmeye dayanıklı olması gerekir. Ayrıca yorulma, çatlama ve oksidasyona karşıda dirençli olmalıdır. Hiçbir malzeme tek başına bu özellikleri bulundurmayacağından alaşım metalleri kullanılır. Çok yüksek sıcaklığına dayanabilen alaşımlar süper alaşımlar denir. Genellikle nikel, kobalt bazlı alaşımlardır. Dayanıklılık için  alüminyum ve titanyum alaşımları tercih edilir ve alaşıma eklenir. Titanyum, alçak basınç alanındaki stator kanatları için kullanılabilir, ancak kompresörün iç kademelerinde karşılaşılan yüksek sıcaklık ve basınç için sıkıştırma sisteminde daha küçük stator kanatları için geriye doğru uygun değildir.  Çünkü diğer mekanik arızaların bir sonucu olarak dönen ve statik bileşenler arasında meydana gelebilecek herhangi bir aşırı ovalama, sürtünme ile titanyum tutuştur. Bu da pahalı onarım masraflarına ve muhtemel uçuşa elverişlilik tehlikesine yol açabilir.

Basınç Dalgalanması (Surge)

Gaz türbinlerinin en büyük sorunlarından biri düşük ısıl verimdir ve ısıl verimi arttırıp bu sorunun çözümüne yönelikte temel iki yöntem bulunmaktadır. Bu yöntemler, kompresörlerdeki sıkıştırma oranını ve yanma sıcaklığını (türbin giriş sıcaklığı) artırmaktır. Bu nedenle gaz türbininin kompresöründe elde edilen sıkıştırma oranı ısıl verim açısından son derece önem taşımaktadır. Gaz türbinlerinde eksenel akışlı kompresör kullanımında, kompresör rotoru bir mil vasıtası ile gaz üretici türbin tarafından çevrilmektedir. Ayrı bir mil ile döndürülen bir türbin yoksa yoksa bu tip uygulamalar tek milli gaz türbin uygulamaları olarak bilinmektedir. Eksenel akışlı kompresörlerin kullanıldığı bu tip gaz türbinlerinde, türbinde üretilen gücün % 55-65 civarı kompresör tarafından harcanmaktadır. Günümüzde kullanılan eksenel akışlı kompresörler 17 ila 25 kademeden olusmakta ve yüksek sıkıstırma oranlarını sağlamaktadır.

Böylelikle Gaz Türbinli Motorlar-2 | Kompresör  hakkında yazımızı bitirmiştik olduk. Bahsedilen bilgiler akademik veya savunma Sanayi sektöründe uzmanlık isteyen konulardır.  Bu konuda çalışmak isteyen arkadaşlarımızın mutlaka literatüre hakim olmaları gerekmektedir.

Oğuz Kılıç ve Avni Ertaş

Kaynaklar

• MODELLING OF LOSSES IN MULTI-STAGE AXIAL COMPRESSORS WITH SUBSONIC CONDITIONS William James Swift B. Eng (Mechanical)
• Significance of Loss Models in Aerothermodynamic Simulation for Axial Turbines Ning WEI
• Determination of a suitable set of loss models for centrifugal compressor performance prediction
• 3D Numerical Investigation of axial compressor- Murat TAŞTAN
• Materials for Gas Turbines – An Overview Nageswara Rao Muktinutalapati VIT University India
• Rolls Royce- Jet Engine

Fatih Mehmet

Defence Turk Genel Yayın Yönetmeni. Kocaeli Üniversitesi Bilgisayar Programcılığı mezunu ve amatör fotoğrafçı. Teknoloji, otomotiv ve uluslararası ilişkiler meraklısı. Savunma sanayii araştırmacısı.