Concurrent design of a micro-turbine incorporating model based design
Model tabanlı tasarım içeren bir mikro-türbin eşzamanlı tasarımı
- Tez No: 485215
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ONUR TUNÇER, YRD. DOÇ. DR. ÇAĞLAR ÜÇLER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Havacılık Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Energy, Aeronautical Engineering, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 155
Özet
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.
Özet (Çeviri)
Over the last two decades, energy generation demand has been increasing significantly, particularly because of environmental policies, enhanced regulations to enforce ultra-low or zero emission systems, mobilisation and technological improvements. Consequently, new energy generation and co-generation systems are hot topics to provide alternative, more efficient, cheap and easily accessible heat and power. One of the uprising and promising source to meet these needs of the industry is micro-turbines. Especially when they are used in combined cycle processes, they play a very important role in power generations with production capability of the highest efficiency. In this thesis, parametric study model for a small-scale micro-turbine system to analyse the behaviour for aimed electricity and heat generation values in order to reach out to a successful design is accomplished. Within the expected 1 – 1.5 bar pressure difference inside the system, 0.1 – 0.5 kg/s mass flow range is predicted with 800 – 1300 K turbine inlet temperature to provide required power outcome for different RPM scenarios and expected energy generation. At the end, an optimum system operation to serve households and potential other industries with a nominal energy generation of 14 kW for heat and electricity is achieved. Design and development of the micro-turbine system is conducted by utilizing multidisciplinary concurrent engineering facilitating mainly initial P&ID diagram drafting for system constitution with following model based design. A mathematical model within a model based software environment is used to study system dynamics within the entire operating envelope. This also delivered the reverse information flow to fuzzy front-end of the system spanning the concurrent environment. In other words, during all the analyses and development, model-based design within the V-cycle is taken advantage of. Since gas turbines are quite complex systems and highly non-linear in overall performance behaviours, each of the system component is going to modelled independently to be gathered at the end. The models are developed virtually in MATLAB/Simulink which is an advanced dynamic multidisciplinary simulation environment. Modelling approach starts with the mathematical models development for each micro-turbine system individually based on the thermodynamic and physical laws, based on Brayton cycle. The design order of main components follow compressor, combustor and turbine. Each independent model is compared with matching ones throughout concurrent engineering process to ensure the coherency between components. After these main parts are finalised and made sure to meet the design goals, other sections of recuperator and heat exchanger models are developed. During the each development phase, validation analyses are made to ensure the correct operation. After code development of each model, entire system is modeled in Simulink Simscape to run entire system together for further analyses and simulation on design, off-design and transient cases. For each component model, in-house MATLAB programs are developed. Both on compressor and turbine sections, industrial products with their data are used. For compressor, Garrett GTX4294R centrifugal type is chosen with the help of initial mass flow and pressure requirement estimations to meet the design goals. For turbine, axial type preliminary version of a map is read and scaled according to the design goals. Both maps are processed via industrial GasTurb Smooth programs. The developed programs are capable of simulating any compressor / turbine maps that are processed with GasTurb. During the solution process of both compressor and turbine, Newton-Raphson iterative method combined with general minimal residual and adaptive robust numerical differentiation methods are taken advantage of. Additionally, these methods enable to reach transient steady-state solutions for the system. Combustor design is established with the help of 1-D Network Model that enables to obtain deeper performance analyses of geometry variations, cooling geometry effects and general efficiency of combustion. With chosen most relevant design parameters, an optimum combustor design with the lowest total pressure loss and maximum efficiency is made, following by its modelling. Rest of the components are modelled with simple physical laws. By conversion of all models into Simulink, faster analyses and simulations are possible with further capability of running real-time simulations thanks to all combined methods. All these factors enable to achieve a very realistic micro-turbine system at the end that is aimed to be less expensive, easy to be produced and simple to be used in automative, aerospace and other industries. The system consists of an centrifugal compressor and a turbine, connected via a single shaft, tubular combustor together with recuperator, alternator, and an exhaust with a heat exchanger.
Benzer Tezler
- Sahada programlanabilir kapı dizileri ile lojik devre tasarımı
Başlık çevirisi yok
VOLKAN SEZER
Yüksek Lisans
Türkçe
1996
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. AHMET DERVİŞOĞLU
- Volgram ağır alaşımlarında başlangıç toz özelliklerinin sıvı gaz sinterlemesi yoluyla yoğunlaşma süreçlerine olan etkileri
Effects of initial powder characteristics on densificatıon processes via liquid-phase sintering in based heavy alloys
BURAK ÖZKAL
- Ai-enabled optimization of 3D-printed microneedles for simultaneous epidermal and dermal delivery
Eşzamanlı epidermal ve dermal ilaç teslimat için 3D baskılı mikroiğnelerin yapay zeka destekli optimizasyonu
MISAGH REZAPOUR SARABI
Doktora
İngilizce
2024
BiyomühendislikKoç ÜniversitesiBiyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SAVAŞ TAŞOĞLU
PROF. DR. METİN SİTTİ
- Mesleki yeterliklere göre eğitim ihtiyacı belirleme (Eğitim yöneticileri üzerine bir model uygulaması)
Training needs analysis according to professional competencies(A model application on school administrators)
GÜLNUR AK KÜÇÜKÇAYIR
Doktora
Türkçe
2022
Eğitim ve ÖğretimGazi ÜniversitesiEğitim Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NECATİ CEMALOĞLU