Model tabanlı tasarım içeren bir mikro-türbin eşzamanlı tasarımı

Son 20 yılda enerji üretimi talebi, özellikle çevre politikaları, ultra-düşük veya sıfır emisyon sistemleri uygulamak için geliştirilmiş düzenlemeler, mobilizasyon ve teknolojik gelişmeler nedeniyle önemli ölçüde artmıştır. Buna bağlı olarak, yeni enerji üretimi ve ortak üretim sistemleri, alternatif, daha verimli, ucuz ve kolay erişilebilir ısı ve güç sağlama için sıcak konular haline geldi. Endüstrinin bu ihtiyaçlarını karşılamak için ayaklanan ve umut verici bir kaynaktan biri, mikro türbinlerdir. Özellikle kombine çevrim proseslerinde kullanıldıklarında, üretim verimliliği en yüksek güç nesillerinde çok önemli bir rol oynarlar. Bu tezde, başarılı bir tasarıma ulaşmak için, hedeflenen elektrik ve ısı oluşum değerleri davranışını analiz etmek için küçük ölçekli bir mikro türbin sistemi için parametrik çalışma modeli gerçekleştirilmiştir. Sistem içerisinde beklenen 1 - 1.5 bar basınç farkında, farklı RPM senaryoları ve beklenen enerji üretimi için gerekli güç çıktısı sağlamak için 800 - 1300 K türbin giriş sıcaklığı ile 0.1 - 0.5 kg/s kütle akış aralığı öngörülür. Sonunda, ev ve potansiyel diğer endüstrilere, ısı ve elektrik için nominal enerji üretimi yaklaşık 14 kW olan optimum sistem işletimi sağlanır. Mikro-türbin sisteminin tasarımı ve geliştirilmesi, sistem temelinde aşağıdaki model tabanlı tasarımla başta P&ID diyagramı taslağının hazırlanmasını kolaylaştıran çok disiplinli eşzamanlı mühendislik kullanılarak yürütülür. Model tabanlı yazılım ortamında bir matematiksel model, tüm işletim zarfında sistem dinamiklerini incelemek için kullanılır. Bu aynı zamanda, eşzamanlı ortamı kapsayan sistemin bulanık ön ucuna ters bilgi akışı sağlanır. Başka bir deyişle, tüm analizler ve gelişme boyunca, V-döngüsü içindeki model temelli tasarımlardan yararlanılır. Gaz türbinleri oldukça karmaşık sistemler ve genel performans davranışları da son derece lineer olmadığından, sistem bileşenlerinin her biri bağımsız olarak sonunda toplanacak şekilde modellenecektir. Modeller neredeyse gelişmiş bir dinamik çoklu disipliner simülasyon ortamı olan MATLAB / Simulink'te geliştirilmiştir. Modelleme yaklaşımı, her bir mikro türbin sistemi için ayrı ayrı, Brayton döngüsüne dayanan termodinamik ve fiziksel yasalara dayanan matematiksel model geliştirme ile başlar. Anabileşenlerindizaynsırası,kompresör,yanıcıvetürbinitakipeder. Bağımsız modeller, bileşenler arasındaki tutarlılığı sağlamak için eşzamanlı mühendislik süreci boyunca eşleşen modellerle karşılaştırılır. Bu ana parçalar tamamlandıktan ve tasarım amaçlarına uyduğundan emin olduktan sonra, giriş, lüle ve ısı değiştirici modellerinin diğer bölümleri geliştirildi. Her geliştirme aşamasında, doğru çalışmayı sağlamak için doğrulama analizleri yapılır. Ardından, tüm modeller tasarım, tasarım dışı ve geçici durumlarda daha ileri analizler ve simülasyonlar için tüm sistemi birlikte çalıştırmak için toplanır. Her bir bileşen modeli için kurum içi MATLAB programları geliştirilmiştir. Hem kompresör hem de türbin bölümlerinde, verileriyle endüstriyel ürünler kullanılır. Kompresör için Garrett GTX4294R santrifüj tipi, tasarım hedeflerine ulaşmak için başlangıç kütle akışı ve basınç gereksinimi tahminleri yardımıyla seçilir. Türbin için, bir haritanın eksenel tip ön-versiyonu okunur ve tasarım hedeflerine göre ölçeklendirilir. Her iki harita da endüstriyel GasTurb Smooth programları vasıtasıyla işlenir. Geliştirilen programlar GasTurb ile işlenen tüm kompresör / türbin haritalarını simüle edebilmektedir. Hem kompresör hem de türbin çözümü süreci boyunca, Newton-Raphson iteratif yöntem ile genel minimum rezidüel ve adaptif sağlam sayısal farklılaştırma yöntemlerinden yararlanılmaktadır. Buna ek olarak, bu yöntemler sistem için geçici kararlı durum çözümlerine ulaşmayı sağlar. Combustor tasarımı, geometri değişiklikleri, soğutma geometrisi efektleri ve yanmanın genel verimliliği için daha derin performans analizleri elde etmeyi sağlayan 1-D Network Model yardımıyla kurulmuştur. En uygun tasarım parametrelerini seçerek, modellenmesinin ardından, en düşük toplam basınç kaybı ve maksimum verimlilik ile en iyi yanıcı tasarımı yapılır. Bileşenlerin geri kalanı basit fiziksel yasalarla modellenmiştir. Tüm modellerin Simulink'e dönüştürülmesiyle, daha hızlı analizler ve simülasyonlar, kombine yöntemlerin tümü sayesinde gerçek zamanlı simülasyonlar yürütebilme özelliğiyle mümkündür. Tüm bu faktörler, daha ucuz, üretimi kolay, otomotiv, havacılık ve diğer endüstrilerde basit kullanılması hedeflenen çok gerçekçi bir mikro türbin sistemi elde etmeyi mümkün kılmaktadır. Sistem, santrifüjlü bir kompresör ve bir türbin ile birleştirilmiş tek bir şaft, boru şeklindeki yanma cihazı, reküperatör, alternatör ve bir egzoz ile bir ısı eşanjörüyle beraber bir araya getirilmiştir.