Development of a modular modeling tool for gas turbine steady state performance predictions
Gaz türbinleri durağan hal performans tahminleri için modüler modelleme aracının geliştirilmesi
- Tez No: 1020271
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SERTAÇ ÇADIRCI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Isı ve Akışkan Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Gaz türbini motorları, havacılık, enerji üretimi ve denizcilik gibi kritik sektörlerde yaygın biçimde kullanılan temel itki ve güç üretim sistemleridir. Bu motorların tasarım ve işletim süreçlerinde fiziksel prototip testlerinin yüksek maliyeti ve zaman gerektiren yapısı, sayısal performans tahmin araçlarına olan ihtiyacı kaçınılmaz kılmaktadır. Özellikle ön tasarım aşamasında, farklı motor mimarilerinin hızlı ve güvenilir biçimde değerlendirilebilmesi için modüler, esnek ve platform bağımsız simülasyon araçlarına gereksinim duyulmaktadır. Mevcut ticari yazılımların büyük çoğunluğu ya sabit ve önceden tanımlanmış motor konfigürasyonlarıyla sınırlıdır, ya ticari lisans gerektirmektedir ya da MATLAB/Simulink gibi tescilli bir çalışma ortamına bağımlıdır. Bu kısıtlamalar, gerçek anlamda modüler, açık kaynaklı ve derlenmiş bir programlama dilinde yazılmış bir simülasyon aracının geliştirilmesini motive etmektedir. Bu tez kapsamında, gaz türbini motorlarının durağan hal performans tahminleri için C++ programlama dilinde nesne yönelimli bir modelleme aracı geliştirilmiştir. Aracın tasarımında benimsenen temel ilke, her motor bileşeninin bağımsız, yeniden kullanılabilir ve kendi kendine yeterli bir sınıf olarak tanımlanmasıdır. Bu yaklaşım sayesinde kullanıcı; turbojet, turbofan, turboşaft ve benzeri farklı motor mimarilerini aynı bileşen kütüphanesini kullanarak, herhangi bir yapısal değişikliğe gerek kalmaksızın modelleyebilmektedir. Geliştirilen araç, herhangi bir ticari yazılım lisansı veya harici çalışma zamanı bağımlılığı gerektirmeksizin tüm işletim sistemlerinde derlenip çalıştırılabilmektedir. Tezin ikinci bölümünde, aracın bileşen modelleri ve bunların altında yatan termodinamik temeller ayrıntılı biçimde sunulmaktadır. Termodinamik hesaplamalar, sabit özgül ısı oranı varsayımına dayanmak yerine, sıcaklık ve yakıt-hava oranına göre değişen gaz özelliklerini tablolu veri üzerinden değerlendiren bir gaz modeline dayandırılmıştır. Bu yaklaşım, sabit özgül ısı oranı kabulünün önemli hatalar ürettiği yanma ve türbin bölgelerinde yüksek sıcaklıklarda ortaya çıkan değişimlerin doğru biçimde yakalanmasını sağlamaktadır. Atmosfer modeli olarak Uluslararası Standart Atmosfer kullanılmış; standart dışı gün koşullarının simüle edilmesine olanak tanıyan sıcaklık sapması parametresi de modele dahil edilmiştir. Giriş bileşeni, serbest akış koşullarından motor girişine kadar olan ram basınç kazanımını ve hava alığı basınç kayıplarını modellemektedir. İtki hesaplamaları için ram sürükleme kuvveti de bu bileşen tarafından hesaplanmaktadır. Kompresör bileşenleri, ölçeklendirme faktörleri aracılığıyla jenerik performans haritalarına dayandırılmıştır. Tasarım noktasında, kullanıcı tarafından belirlenen basınç oranı, izentropik verim ve mil hızı değerlerinden dört adet ölçeklendirme faktörü hesaplanarak bileşen içinde saklanmaktadır. Tasarım dışı çalışma koşullarında ise bu faktörler, mevcut indirgenmiş kütlesel debi ve indirgenmiş mil hızı değerlerine karşılık gelen harita değerlerinin okunmasında kullanılmaktadır. Türbin bileşenleri de benzer bir harita tabanlı yaklaşımla modellenmiş olmakla birlikte, kompresörden farklı olarak türbin haritaları çoğunlukla tıkanma rejimine ulaşmakta ve bu durum modelde uygun biçimde ele alınmaktadır. Yanma odası modeli, yakıt-hava oranını enerji dengesi yoluyla hesaplamakta ve yanma verimliliğini kullanıcı tanımlı bir parametre olarak kabul etmektedir. Kanatma havası modeli, kompresörden çekilen havanın türbin soğutma ve diğer amaçlarla kullanılmasını modellemekte; kanatma havasının çıkış konuma göre farklı entalpiler ve basınçlarla sisteme yeniden dahil etmektedir. Ayırıcı bileşen, gelen akışı toplam basınç, toplam sıcaklık veya yakıt-hava oranında herhangi bir değişiklik yaratmadan bypass ve çekirdek akışlarına bölmektedir. Karıştırıcı bileşen, çekirdek ve bypass akışlarını birleştirmekte; karışım koşulları enerji, kütle ve momentum dengesi yoluyla hesaplanmaktadır. Lüle bileşeni, boğulma kontrolü ve boğaz alanı hesabı dahil olmak üzere itme ve özgül yakıt sarfiyatı hesaplamalarını gerçekleştirmektedir. Kanal bileşeni, toplam basınç kayıplarını dinamik basınçla orantılı biçimde modellemekte; bu sayede tasarım dışı koşullarda kanal kayıpları Mach sayısına bağlı olarak değişmektedir. Tezin üçüncü bölümünde, aracın yazılım mimarisi ve çözücü yapısı açıklanmaktadır. Bileşenler arası veri akışı, akış istasyonu kavramı aracılığıyla sağlanmaktadır. Her bileşen, çıkış akış istasyonu nesnesine bir işaretçi tutmakta; bir sonraki bileşen ise doğrudan bu işaretçi üzerinden giriş koşullarını okumaktadır. Bu yapı sayesinde, yukarı akıştaki bir bileşen çıkış koşullarını güncellediğinde, aşağı akıştaki bileşen herhangi bir açık veri transferine gerek kalmaksızın yeni değerlere erişmektedir. Çevrim denklemlerinin çözümü, Newton-Raphson tabanlı bir çözücü aracılığıyla gerçekleştirilmektedir. Bağımsız ve bağımlı değişken çiftleri, her motor mimarisi ve analiz modu için ayrı ayrı tanımlanmıştır. Tasarım noktası analizinde ölçeklendirme faktörleri hesaplanırken, tasarım dışı analizde bu faktörler sabit tutularak harita eşleştirmesi gerçekleştirilmektedir. Aynı bileşen nesnesi, herhangi bir yapısal değişiklik gerektirmeksizin her iki analiz moduna da hizmet edebilmektedir. Tezin dördüncü bölümünde, geliştirilen araç GasTurb 11 yazılımıyla doğrulanmıştır. Doğrulama çalışması, tek şaftlı turbojet ve iki şaftlı karışık akışlı turbofan olmak üzere iki farklı motor mimarisi üzerinde gerçekleştirilmiştir. Her iki mimari için de tasarım noktası koşullarında istasyon bazında toplam sıcaklık, toplam basınç, kütlesel debi ve yakıt-hava oranı değerleri karşılaştırılmıştır. Kütlesel debi farkının %0,05, toplam basınç farkının ise %0,1'in altında kaldığı görülmüştür. Net itki ve nozul boğaz alanı değerlerinde de %0,5'in altında mükemmel bir uyum elde edilmiştir. Özgül yakıt sarfiyatındaki yaklaşık %2'lik sapma ise iki aracın kullandığı gaz modellerindeki farklılıklardan, özellikle de mevcut aracın yanma ürünlerindeki ayrışma etkilerini hesaba katmasından kaynaklandığı değerlendirilmektedir. Ayrışma, yanma sırasında açığa çıkan ısının bir kısmının moleküler bağları koparmak için harcanmasını gerektiren endotermik bir süreçtir ve bu durum çalışma akışkanına aktarılan net termal enerjiyi azaltmaktadır. Tezin beşinci bölümünde, iki şaftlı karışık akışlı turbofan modeli üzerinde kısmi güç ve uçuş zarfı analizleri sunulmaktadır. Kısmi güç analizinde motor, tasarım noktası indirgenmiş düşük basınç mil hızından (%100) yaklaşık %31,5 değerine kadar kademeli olarak düşürülmüştür. İndirgenmiş mil hızının azalmasıyla fan, daha düşük indirgenmiş kütlesel debi ve daha düşük basınç oranında çalışmakta; bu durum net itkinin ve yakıt debisinin azalmasına yol açmaktadır. Net itki ile özgül yakıt sarfiyatı arasındaki ilişki, her gaz türbininde görülen karakteristik kanca şeklini ortaya koymaktadır. Özgül yakıt sarfiyatı, tasarım noktası indirgenmiş mil hızından düşük hızlara gidildikçe önce azalmakta, belirli bir güç ayarında minimum değerine ulaşmakta ve ardından rölanti koşullarına doğru keskin biçimde artmaktadır. Bu minimum noktası motorun en verimli çalışma koşulunu temsil etmekte olup bileşen tasarımcıları bu tepe verim bölgesini pratikte seyir koşuluna denk gelecek biçimde konumlandırmaktadır. Bypass oranının kısmi güçte monoton olmayan bir davranış sergilemesi de beklenen fiziksel bir sonuç olarak elde edilmiştir. Bileşen çalışma noktalarının haritalar üzerindeki hareketi incelendiğinde, yüksek basınç ve düşük basınç türbinin çalışma aralığının büyük bölümünde boğuk rejiminde çalıştığı ve bunun yüksek basınç kompresörü çalışma hattının doğrusal karakterini açıkladığı görülmüştür. Uçuş zarfı analizinde motor performansı, deniz seviyesinden 14.000 m irtifaya ve 0 ile 0,9 Mach sayısı aralığında oluşturulan ayrık bir irtifa-Mach sayısı zarfı üzerinde değerlendirilmiştir. Tüm ucuş zarfı değerlendirmeleri, tasarım noktası indirgenmiş düşük basınç mil hızında, yani maksimum güç koşulunda gerçekleştirilmiştir. Net itki, giriş toplam basıncının arttığı düşük irtifa ve yüksek Mach sayısı koşullarında artmakta; yüksek irtifa ve düşük Mach sayısı koşullarında ise azalmaktadır. Yakıt debisi genel olarak kütlesel debi davranışını takip etmektedir; ancak bileşen verimlerinin çalışma noktasına bağlı değişimi nedeniyle bu iki büyüklük zarfı boyunca birebir örtüşmemektedir. Yüksek basınç kompresörü çıkış sıcaklığı ve yanma odası çıkış sıcaklığının irtifa ve Mach sayısıyla değişimi, sabit indirgenmiş mil hızı koşulunda sıcaklık oranının yaklaşık sabit kalması beklentisiyle tutarlı sonuçlar vermiştir. Sonuç olarak bu çalışmada geliştirilen araç, gaz türbini performans analizinin temel gereksinimlerini karşılayan, gerçek anlamda modüler, platform bağımsız ve açık erişimli bir simülasyon ortamı sunmaktadır. Gelecek çalışmalar kapsamında fan çıkışı katmanlı modeli, bileşen haritaları için Reynolds sayısı düzeltme faktörleri ve geçiçi hal simülasyon kapasitesinin araca entegrasyonu planlanmaktadır.
Özet (Çeviri)
Gas turbine engines are fundamental propulsion and power generation systems widely employed in critical fields including aviation, energy production, and marine applications. The high cost of physical testing during the design and operation of these engines has made the use of numerical performance prediction tools an indispensable part of the development process. In particular, modular and flexible simulation tools that enable the rapid and reliable evaluation of different engine architectures are essential during the preliminary design phase. In this thesis, an object-oriented gas turbine steady-state performance simulation tool has been developed in the C++ programming language. The tool represents each engine component as an independent, self-contained class, allowing the user to construct arbitrary engine architectures by connecting components in series or parallel arrangements. The tool can be compiled and executed on any operating system without requiring any commercial software licenses or external runtime dependencies. The thermodynamic calculations are based on a gas model that evaluates gas properties from tabulated data as a function of temperature and fuel-to-air ratio, rather than relying on the constant specific heat ratio assumption. This approach accurately captures the variation of gas properties at the elevated temperatures encountered in the combustion and turbine sections of the engine. The International Standard Atmosphere is employed as the ambient model, and a temperature deviation parameter is included to allow the simulation of non-standard day conditions such as hot or cold day operations. The on design and off design analyses of compressor and turbine components are based on generic performance maps anchored to the user-specified design conditions through scaling factors. At the design point, scaling factors are computed from the user-defined pressure ratio, isentropic efficiency, and spool speed, and stored within the component. During off-design operation, these factors are applied to evaluate the component maps at the current operating conditions. The cycle equations are solved iteratively using a Newton-Raphson based cycle matching solver, in which independent and dependent variable pairs are defined separately for each engine architecture and analysis mode. The developed tool has been validated against GasTurb 11 at the design point for both a single-spool turbojet and a two-spool mixed-flow turbofan engine architecture. Station-by-station comparisons demonstrated that mass flow deviations remain below 0.05% and total pressure deviations below 0.1%. The observed discrepancy in specific fuel consumption of approximately 2% is attributed to differences between the gas models employed by the two tools, specifically the fact that the present tool accounts for dissociation effects in the combustion products whereas GasTurb 11 employs a simplified gas model that neglects dissociation. Following validation, part-power throttling and flight envelope analyses were conducted using the two-spool mixed-flow turbofan model. In the throttling analysis, the movement of component operating points across their respective performance maps was examined as the corrected LP spool speed was reduced from the design value, and the characteristic hook-shaped net thrust versus specific fuel consumption curve was obtained. In the flight envelope analysis, engine performance was evaluated across a grid of altitude and Mach number combinations spanning from sea level to 14,000 m and from Mach 0 to 0.9. The predicted trends in net thrust, fuel flow, and component temperatures were found to be consistent with the expected physical behavior of this class of engine, confirming that the tool provides reliable and physically meaningful off-design performance predictions. The modular architecture of the tool enables straightforward integration of new component models, alternative gas property formulations, and additional engine architectures. Future development directions include the implementation of fan stratification modeling, Reynolds number correction factors for component maps, and transient performance simulation capabilities.
Benzer Tezler
- İki zamanlı bir gemi dizel ana makinesi'in modeli ve simülasyonu
Modelling and simulation of two stroke marine diesel engine
ÇAĞLAR DERE
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDeniz Ulaştırma İşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. İSMAİL ÇİÇEK
- Antakya tarihi ticaret merkezi mekansal yapı değişim ve gelişim sürecinin kent ticaret merkezi planlamasına etkinliği
The Effectiveness of spatial structural chance and development period of the historical trade center of Antakya in the urban trade planning
NEVİN TURGUT
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
Şehircilik ve Bölge PlanlamaGazi ÜniversitesiŞehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. NURCAN UYDAŞ
- Ovulasyon indüksiyonu tedavisinde folliküler gelişimin ultrasonografik takibi
Başlık çevirisi yok
MERİH BAYRAM
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
1987
Kadın Hastalıkları ve DoğumGazi ÜniversitesiKadın Hastalıkları ve Doğum Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MÜLAZIM YILDIRIM
- Sivas-Kangal yöresinde kırsal gelişme ve pazara açılma sürecindeki farklılaşmalar (bir örnek olay incelemesi)
Başlık çevirisi yok
FAHRİ ERCEM
Yüksek Lisans
Türkçe
1984
SosyolojiCumhuriyet ÜniversitesiSosyoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. A. VAHAP SAĞ