Gaz Türbinlerinde Swirler Açısı ve Yanma Performansına Etkisi

Gaz türbinlerinde swirler açısı, yanma odasında hava ve yakıt karışımının dağılımını ve yanma verimini doğrudan etkileyen kritik bir parametredir. Swirler, hava akışına girdap (swirl) hareketi kazandırarak alev stabilitesini artırır, karışımı homojen hale getirir ve yanma verimini iyileştirir. Açının büyüklüğü, alev şekli, sıcaklık dağılımı, yanma hızı ve emisyon değerleri üzerinde belirleyici bir rol oynar. Optimum bir swirler açısı, daha verimli bir yanma süreci sağlarken, aynı zamanda düşük emisyon ve güvenilir bir çalışma performansı sunabilir. Ancak yanlış açı seçimleri, alev sönmesi, düzensiz yanma ve aşırı sıcaklık bölgeleri gibi sorunlara yol açabilir. Bu nedenle, gaz türbinlerinde swirlerin tasarımı dikkatle optimize edilmelidir.

Yanma odasının içi üç kısımdan oluşmaktadır: Birincil bölge (primary zone), ara bölge (intermediate zone) ve seyreltme bölgesi (dilution zone). Birincil bölgenin ana işlevi, alevi sabitlemek ve gelen yakıt-hava karışımının tamamen yanmasını sağlamak için yeterli süre, sıcaklık ve türbülansı sağlamaktır. Ara bölgenin amacı yanma ürünlerinin sıcaklığını düşürmek ve yanma sürecini tamamlamaktır. Birincil bölgede oluşan yüksek sıcaklıkların kontrol altına alınabilmesi için ek hava bu kısımdan girer ve yanma sürecinde yanmayan yakıt bu bölgede fazla hava ile yakılır. Seyreltme bölgesinin amacı yanma odasında oluşan sıcak gazların daha da soğutularak türbin giriş sıcaklığının düşürülmesini sağlamaktır.

Yanma odasının kısımları ve hava dağılımları

Birincil bölgedeki hava akış düzeni, alev kararlılığı açısından büyük önem taşır. Farklı hava akış düzenleri kullanılmakla birlikte, hepsinin ortak özelliği, sıcak yanma ürünlerinin bir kısmını gelen hava ve yakıt ile karıştırarak yeniden dolaşıma sokan girdaplar oluşturulmasıdır. Birincil bölgede hava geri dönüşümünü sağlamak için en etkili yöntemlerden biri, yakıt enjektörünün etrafındaki kubbe alanına swirler yerleştirerek girdaplar oluşturmaktır. Swirler, hava akışına dönme hareketi kazandırarak yanma bölgesinde daha iyi hava yakıt karışımı, daha yüksek türbülans ve dolayısıyla daha verimli yanma oluşmasını sağlamaktadır.

Tasarımı yapılan swirler

Örnek bir tasarım sürecinde Ansys Discovery kullanılarak kolaylıkla swirlerin oluşturduğu girdaplar incelenmiş ve tasarımda gerekli değişiklikler yapılmıştır.

Ansys Discovery ile yapılan CFD analizi

Örnek araştımada, farklı swirler açıları için non-premixed yanma analizi yapılmıştır. Türbülanslı akışın modellenmesi için SST k-ε yaklaşımı kullanılmış olup, bu model hem duvar yakınındaki hem de serbest bölgedeki türbülansı yeterli doğrulukla çözebilmektedir. Ayrıca yanma süreci, yakıt (CH4) ve oksitleyicinin (O2) ayrı ayrı beslendiği ve akış içinde karışarak tepkimeye girdiği non-premixed yanma türü üzerinden çözümlenmiştir. Elde edilen sonuçlar aşağıdaki görselde verilmiştir.

Elde edilen analiz sonuçları

30° swirler açısında, nispeten düşük girdap nedeniyle hava-yakıt karışımının merkezde toplanması sonucu daha dar ve yüksek sıcaklık çekirdeği oluşmaktadır. Bu durum lokal aşırı ısınma ve yüksek NOₓ emisyonu riski doğurabilir. 45° açıda, artan dönel hareketle birlikte sıcaklığın yanma odası boyunca daha geniş bir alana yayıldığı, ancak yine de merkezde belirgin bir sıcak bölgenin kaldığı gözlenir. 60° swirler açısında ise en yüksek dönel akış sayesinde karışım daha homojen dağılır ve tepe sıcaklıklar önceki iki açıya göre düşer; böylece genel ısıl dağılım daha dengeli ve potansiyel olarak NOₓ emisyonu daha düşük hale gelir.

Düşük swirl açısında (30°), türbülansın büyük ölçüde giriş bölgesinde yoğunlaştığı ve yanma odası içinde hızla azaldığı görülür. Bu, karışımın yeterince etkileşime girmemesine sebep olur. 45° açı, türbülans kinetik enerjisinin artarak giriş bölgesinden yanma odasının daha geniş kısımlarına yayıldığını gösterir, karışımı büyük oranda iyileştirir. 60° açısında ise TKE değerleri belirgin şekilde yükselir ve neredeyse tüm yanma odasına daha eşit şekilde yayılır. Bu güçlü türbülans, hızlı ve homojen hava-yakıt karışımı sağlarken, aynı zamanda sistemde akışsal kararsızlıkları artırabilecek bir unsur olarak da dikkat çeker.