Gaz türbinli motorlarda ikincil hava sistemleri

TUSAŞ Motor Sanayii AŞ'nin (TEI) dergisi "TEI Post"un son sayısında (136), TEI’de şef mühendis olarak çalışan Dr. Erinç Erdem’in kaleme aldığı “Gaz Türbinli Motorlarda İkincil Hava Sistemleri” başlıklı yazısına yer veriliyor.

"TEI Post" dergisinin 136. sayısının tamamına, mobil uygulamamızın dergi bölümünden ulaşabilirsiniz.

“Gaz Türbinli Motorlarda İkincil Hava Sistemleri” başlıklı yazıyı takipçilerimize sunuyoruz:

Gaz türbinli motorlarda çevrim verimini artırmak için sıkıştırma oranını ve/veya türbin giriş sıcaklığını artırmak gerekmektedir. Sıkıştırma oranını artırmak daha iyi kompresör teknolojisine sahip olmayı; türbin giriş sıcaklığını artırmak ise daha iyi soğutma teknolojisiyle beraber malzeme teknolojisine sahip olmayı gerektirir. Modern motorlarda türbin giriş sıcaklıkları, malzeme limitlerinin üstünde yer aldığından türbin modülündeki komponentlerin soğutulması büyük önem taşır.

Bir başka önemli konu ise ana akış yolundan geçen havanın ve yanma ürünü gazların dönen ve sabit parçalar arasındaki boşluklardan kaçması, öncelikle modül verimlerinin sonra da motor veriminin düşmesine yol açar. Sızdırmazlığın sağlanabilmesi için dinamik sızdırmazlık elemanlarıyla kontrol edilen sızdırmazlık havasına ihtiyaç duyulmaktadır. Buna ek olarak dönen parçalarla sabit parçalar arasında bağlantıyı kuran rulmanların karterler içinde soğutulması yağ ile gerçekleştirilir. Yağın karterlerin dışına kaçmasını engellemek için sızdırmazlık (ya da basınçlandırma) havası kullanılır.

Motorun ana akış yönündeki eksenel yükler, aerodinamik akış yolu yükleriyle rotor-rotor ve rotor-stator boşluklarındaki yüklerin bileşkesidir. Bu yükler bilyalı rulmanlar tarafından taşınır ve bu sebeple nominal şartlarda rulmanların yük taşıma kapasitesinin altında olması gerekmektedir. Bu yükler bilyalı rulmanlar tarafından taşınır ve bu sebeple nominal şartlarda rulmanların yük taşıma kapasitesin altında olması gerekmektedir.

Bu bağlamda İkincil Hava Sistemleri'nin (İHS) fonksiyonları/görevleri aşağıda sıralanmıştır:

• Türbin modülü komponentleri için soğutma sağlamak

• Yatak bölgelerinde ve türbin disk boşluklarında sızdırmazlık sağlamak

• Eksenel yük yönetimi yapmak

Yukarıda yer alan görevleri yerine getirmek için kullanılan hava debileri kompresör modülünden çekilmekte olup ulaştırılacak komponentlere akışı düzenleyen ve limitleyen elemanlar tarafından iletilmektedir.

Yanma odasına girmeyen bu hava miktarlarının motorun itki ya da güç üretimine katkısı dolaylı yoldan olur, bu yüzden performans kaybına yol açar. Dolayısıyla minimum hava kullanımı esastır.

İHS, ana akış yolunda olmayan tüm hava akışlarından sorumludur ve doğası gereği ana akış yolundaki komponentleri destekleyen ve sabitleyen, dönen ana akış yolundan sınır şartları alınır; hava akışını düzenleyen ve limitleyen sızdırmazlık elemanları, delik, tüp, rotor-stator, rotor-rotor boşluğu gibi İHS elemanlarından geçirilir. Yol boyunca basınç düşüşü ve gerek ısı transferi gerekse rüzgar etkisinden (windage) kaynaklı ısınma hesaba katılır ve sonunda fonksiyonunu yerine getiren hava tekrar akış yoluna katılır ya da motorun dışına atılır.

İHS, fonksiyonları yerine getirirken gürbüz tasarım felsefesine (robust design) sahip olması gerekmektedir. Gürbüz tasarım felsefesi, hava akışlarının motorun çalışma zarfı boyunca gerçekleşen değişimlerden az etkilenmesini ve fonksiyonları güvenilir bir şekilde yerine getirmesini sağlar. Motor çalışma zarfı boyunca boşluklardaki ve özellikle dinamik sızdırmazlık elemanlarındaki değişimler, ana akış yolu basınç salınımları ve imalat toleransları hava debilerini değiştirir. Genellikle bu değişimler motorun değişik hızlarda motora giren ana akış debisiyle orantılı bir şekilde gerçekleşir. Bir diğer önemli nokta ise, motorun büyüme potansiyeline İHS’nin cevap verebilmesidir, bunun için akışları sınırlandıran elemanların büyük tasarlanması ve/veya geometrilerdeki ufak değişiklikler ile hava debilerinin artırılması gerekmektedir.

Jenerik türbin modülü için ikincil hava akış ağı, “Şekil 1”de yer almaktadır. Yüksek basınç türbininde, 1. sabit kanatçık için kompresör çıkış havası, soğutma havası olarak yukarıdan ve aşağıdan yollanır. 1. dönen kanatçık için ise kompresör çıkış havası soğutma havası olarak sabit döndürücü nozullardan kanatçığın dönüş yönüne doğru döndürülerek yollanır. Böylelikle dönen eksen sistemindeki bağıl sıcaklık düşürülür. 2. sabit kanatçık ve 2. dönen kanatçığı için ise basınç yeterli olduğu sürece kompresörün daha düşük kademesinden çekilerek sırasıyla yukarıdan ve aşağıdan yollanır. Bu tasarım felsefesiyle diğer türbin kademeleri de soğutulur. Muhafaza tarafında yer alan türbin kılıflarının soğutulması için de yine kompresör çıkış havası ya da ara kademe havası kullanılır. Diskler, dönen kanatçıkları tutan büyük yapılar olup kanatçıklardan daha düşük sıcaklık limitlerine sahiptir. Dolayısıyla yanma sonrası oluşan yüksek sıcaklıklı ana hava akışının disk boşluklarına girmesinin engellenmesi ve sızdırmazlık havası ile disk yüzeylerini süpürülerek soğutmak büyük önem taşır. Bunu yaparken motorun ani hızlanmalarından ve/ veya yavaşlamalarından doğan diskler üzerindeki sıcaklık farkları, ömür açısından belirleyici bir etken olduğundan soğutma havasının optimize edilmesi gerekmektedir. Gereğinden fazla sızdırmazlık havası kullanımı performans kaybına yol açar, disklerdeki sıcaklık farkını artırıp ömürlerini kısaltır, gereğinden az hava kullanımı ise sıcak gaz girişine yol açar ve gönderilen sızdırmazlık havasının rüzgar etkisinden dolayı ısınmasına yol açar.Aşağıda yer alan diskler için, dönen kanatçıkları tutan büyük dönen yapılar olup kanatçıklardan daha düşük sıcaklık limitlerine sahip olduğundan dolayı, sızdırmazlık havası ile disk yüzeylerinin süpürülerek soğutulması ve sıcak gaz girişinin disk boşluklarına girmesinin engellenmesi büyük önem taşımaktadır. Bunu yaparken, motorun ani hızlanmalarından doğacak diskler üzerindeki sıcaklık farkları, ömür açısından belirleyici bir etken olduğundan dolayı soğutma havasının optimize edilmesi gerekmektedir. Karterlerde yağ sızdırmazlığının sağlanabilmesi için kompresörün ön kademelerinden çekilen hava çeşitli İHS elemanlarından geçerek karter bölgesine yönlendirilir ve basınçlandırma sağlanır. Bu hava, yol boyunca basınç düşüşüne maruz kalır ve rüzgâr etkisinden ve ısı transferinden dolayı ısınır. Basınç düşüşünün yol boyunca az seviyede olup, en büyük düşüşün ise sızdırmazlık sağlayan kritik elemanlarda (Şekil 2) gerçekleşmesi ve debilerin bu elemanlar tarafından sınırlandırılması esastır. Karterlerdeki yağın koklaşmasını engellemek için basınçlandırma havasındaki sıcaklık artışının minimumda tutulması gerekmektedir. Bunu sağlamak için akıllı akış yolu tasarımları kullanılarak rüzgâr etkisinin ve ısı transferinin en aza çekilmesi gerekmektedir. Karterlerdeki yağın koklaşmasını engellemek için basınçlandırma havasındaki sıcaklık artışının minimumda tutulması gerekmektedir; bunu sağlamak için akıllı akış yolu tasarımları kullanarak rüzgâr etkisinin ve ısı transferinin en aza çekilmesi önemlidir. Böylelikle karterlerin içinde rulmanları soğutan yağ, sıcaklık limitlerinin altında çalışır ve etkinliği düşmez, yağın sıçradığı metal yüzeylerde ve geri besleme hatlarında kurumlaşma olmaz ve rulmanlar güvenli çalışır.

Nasıl bir atletin başarılı ve güçlü olması için vücudundaki hava, kan ve vücut sıvısı dolaşım sistemlerinin düzgün, verimli ve güvenilir çalışması gerekiyorsa, bir gaz türbinli motorun düzgün çalışması için de ikincil hava, yağ ve yakıt sistemlerinin düzgün, verimli ve güvenilir çalışması gerekmektedir. İHS’si düzgün çalışmayan bir gaz türbinli motor, güvenilir olmayan düşük verimli bir motordur.