sCO2Eksenel Türbin Tasarımı için Yeni Yaklaşımlar
19-10-2020

sCO2Eksenel Türbin Tasarımı için Yeni Yaklaşımlar


Geçmişten günümüze enerji santrallerinin büyük bir bölümü, yüksek basınçtakisu buharının buhar türbinlerini döndürmesiyle güç üretmektedir. Süper kritik karbondioksit (sCO2) döngülerinde, CO2 sıcaklık ve basıncı, kritik değerlerin üzerindedir.CO2 yüksek yoğunluğa ve ısı kapasitesine sahip olduğu için,enerji santrallerinde gaz ve sıvı arasında izolatör olarak kullanılabilmektedir. Bu da daha yüksek çevrim verimliliği için büyük potansiyel sağlamaktadır.

Süper kritik karbondioksit (sCO2) daha enerji-yoğun bir akışkan olduğu için,  bu döngüye sahip santrallerde daha küçük boyutta ve düşük maliyetli türbinler kullanılabilir.

Bu blogda paylaşılan çalışmada, 10 MW'lık atık ısı geri kazanımı (WHR) uygulamaları için yeni sCO2eksenel türbin tasarımlarını araştırılmıştır. 2D eksenel kanat profili tasarımı için KulfanClass ShapeTransformation(CST) kullanılarak,  aerodinamik verimlilik ve mekanik gerilimler hesaplanmaktadır.

Eksenel Türbin Tasarım Yaklaşımı

Boyut, kapasite, çalışma koşulları vb. spesifikasyonlardan başlayarak 1- Boyutlu meanline hesaplamaları yapılır. Bu analizlerin sonuçları 2-Boyutlu (2B) kanat profili tasarımının temelini oluşturur.Bu çalışmada %50 reaksiyon türbini aerodinamik tasarımı kullanılmıştır ve akış rejimi ses altıdır.

CAESES yazılımı, eksenel türbinin parametrik modellemesi için kullanılmaktadır. CAESES ortamında tüm süreç,optimizasyon ve otomasyon özelliklerini kapsamaktadır.

CAESES yazılımında, eksenel türbin kanat profillerini parametrik hale getirmek için çeşitli yaklaşımlar kullanılmaktadır. Aşağıdaki şekilde, akış ve wedge açıları, yarıçaplar, kalınlık vb. parametrelerin doğrudan kontrolüne izin veren ortak bir metot uygulanmaktadır. Buna rağmen, bu yaklaşımın,geometrik varyasyonların esnekliği ile ilgili sınırlamaları vardır. Bir dizi kontrol noktası ve CST (Class ShapeOptimization)ile  tanımlanan B-spline eğrileri diğer metotlara örnektir. Bu yaklaşımlar, optimizasyon sürecinde tasarım varyasyonlarını arttırarak daha fazla esnekliğe ve şekil kontrolüne olanak sağlar.

Bu çalışmada, B-spline ve CST (Class ShapeTransformation)  yaklaşımlarını kullanan geometrilere dayalı parametrik tasarım,simülasyon ve optimizasyon süreçlerini kapsayan bir iş akışı oluşturulmuştur. Aşağıdaki adımlar kullanılarak optimizasyon işlemi yapılabilir;

1. 2 Boyutta (2D) temel profilinCaeses’aaktarılması;

2. Taban çizgisinin, basınç ve emme bölgelerine ayrılması

3. B-spline ve CST (Class ShapeTransformation)  ile basınç ve emme bölgelerinin otomatik olarak tasarlanması

4. B-spline kontrol noktalarında yerel koordinat sistemlerini belirleyerek vetemel profil referans alınarakhareket edilmesi

5. Bu noktaları teğet olarak hareket ettirmek ve giriş wedge açısını değiştirmek için basınç ve emme bölgelerindeki B-spline ön kenar teğet noktaları için başka bir yerel koordinat sisteminin uygulanması

6. Belirli özeliklerde profil alanı ve eğrilik gibi geometrik kısıtlamaların oluşturulması

7. Kontrol noktalarının ve CST (Class ShapeTransformation)  parametrelerinin varyasyonları için tasarım değişkenlerinin oluşturulması

8. 2D profili bir scripte aktaran ve CFD çözücüsünün CAESES ile bağlantısının kurulması

9. Kanat profil kaybını en aza indirmek için CAESES içindeki DAKOTA global optimizasyon motorunun kullanılması

CAESES'te oluşturulan özellik tanımları 1'den 7'ye kadar olan adımları otomatikleştirir ve B-spline ve CST (Class ShapeTransformation)  tabanlı kanat profili tasarım optimizasyonları için belirli kullanıcı tanımlı tasarım özellikleri oluşturulur.

Yüzey eğriliği ses altı kanat profilleri için basınç dağılımları üzerinde büyük bir etkiye sahiptir. - pürüzsüz bir yüzey sağlarkentasarım esnekliğini sağlar -

Aşağıdaki şekil, yerleştirilmiş taban profili eğrilik dağılımını gösterir; burada konum-0’da basınç yüzeyinin firar kenarı ve konum-1’de emme yüzeyinin firar kenarı temsil edilir. Eğrilik dağılımlarını düzeltmek için bir tamamlama yöntemi kullanılır (yalnızca B-spline'lar için). Eğriliğin monotonluğu, eğrilik dağılımını türevlendirme yoluyla tahmin edilir.

Eğrilik dağılımı, profil etrafında ayrı bölgelere ayrılır ve bu bölgeler için kısıtlama özellikleri oluşturulur. Tasarımda esnekliği sağlamak amacıyla toleranslar verilmiştir. Aşağıda kırmızı ile gösterilen bölge ile ihlal edilmiş bir eğrilik sınırlaması gösterilmektedir.

Eksenel Türbin Kanatlarının Aerodinamik Optimizasyonu

Türbin kanat profilleri, verim kayıplarını en aza indirecek şekilde optimize edilmiştir. Sırasıyla kontrol noktaları ve CST (Class ShapeOptimization)parametreleri için tasarım değişkenleri atanarak B-spline ve CST (Class ShapeOptimization ) geometrik parametreleme yöntemleri için ayrı optimizasyonlar gerçekleştirilmiştir. CAESES içinde,DAKOTA vekil tabanlı optimizasyon yöntemi kullanılmaktadır. Profil kaybı katsayısı Y2 normu, normalize edilmiş profil kaybı olarak tanımlanır ve her ayrı çalışmanın profil kaybı taban değerinin profil kaybına bölünmesiyle elde edilen orandır. Hem B-spline hem de CST (Class ShapeOptimization)yöntemlerinin benzer sayıda tasarım değişkenleri ve tasarım kısıtlamaları vardır ve her parametreleme yöntemi 60 yineleme içermektedir.

B-spline yönteminden uygun tasarımlar için normalleştirilmiş profil kayıpları aşağıda gösterilmiştir.Minimum profil kaybına sahip tasarım Y2-norm = 0.85’ tir, bu da taban çizgisine kıyasla %15  oranla profil kaybında azalma anlamına gelmektedir.

B-spline Optimizasyonu için Normalleştirilmiş Profil Kaybı

CST (Class ShapeTransformation)  yöntemi için, geometrideki değişikliğin tüm yüzeye uygulandığı durumda parametre değişimi %70'in üzerindedir. Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, optimizasyon taban çizgisine göre profil kaybında % 17'lik bir iyileşmeyi gösteren Y2-normu = 0.83'lük minimum profil kaybı bulunmuştur. CST (Class ShapeTransformation) yöntemi, B-spline yöntemi için 15, CST (Class ShapeTransformation) yöntemine kıyasla 40 varyasyon ile tasarım alanının daha fazlasını içermektedir. En iyi CST (Class ShapeTransformation)  tasarımı, en iyi B-spline tasarımına kıyasla profil kayıpları açısından %2 daha iyi sonuç vermiştir.


CST Optimizasyonu için Normalleştirilmiş Profil Kaybı

Diğer Etmenler 

Projede ayrıca, özellikle yüksek enerji yoğunluklu sCO2 döngüleri için türbin kanatlarının tasarımı için önemli bir nokta olan kanat gerilimi hesaplamaları dikkate alınmıştır. Santrifüj gerilmesinin ve akış yüklerine bağlı bükülme geriliminin toplamı olarak bıçak statik gerilimi için hesaplamalar yapılmıştır.

Ayrıca proje içerisinde 10 MW'lık bir uygulamadan 50 MW'a kadar ölçeklendirme yapılırken, artan güç yoğunluğunun türbin tasarımı üzerindeki etkilerini anlamak için çalışmalar yapılmıştır. Değişen çalışma koşullarında, bıçak boyutunda ve bıçak malzemelerindeki değişiklikler dikkate alınmıştır.

Sonuçlar

Atık ısı geri kazanım uygulamaları için kullanılan sCO2 türbinleri için eksenel türbin kanatlarının tasarımına ilişkin mevcut çalışma, önemli ölçüde daha düşük profil kayıpları ve dolayısıyla daha yüksek verimlilikler sergileyen yeni tasarımları araştırmak için yeni parametrik yöntemleri ve otomatik optimizasyon kullanımını göstermektedir.

B-spline tabanlıparametrizasyon, taban değerine kıyasla profil kaybında %15 azalma sağlayan bir tasarım sağlamıştır. CST (Class ShapeOptimization) tekniği ise taban değerine kıyasla profilkayıplarında% 17'lik bir azalma ile daha da iyi sonuçlar vermiştir. Bu da en iyi B-spline tasarımından %2 daha iyi bir sonuç alındığı anlamına gelmektedir.

Kaynak: https://www.caeses.com/blog/2020/novel-approaches-for-sco2-axial-turbine-design/