Kaasuturbiinitekniikan kehittäminen yksiulotteisen prosessimallinnusohjelman avulla

Abstract

Tämä diplomityö on tehty osana toimeksiantaja yrityksen pulssikaasuturbiinin kehittämisprojektia. Yritys on kehittänyt uuden tyyppistä kaasuturbiinia, jonka toiminta periaate poikkeaa tavallisesta kaasuturbiinista palotapahtuman jaksottamisen ansioista. Kehityksen kohteena oleva kaasuturbiini on teholtaan 100–300 kW eli kyseessä on mikroturbiini. Työn tarkoituksena on käyttää yksidimensioista prosessin mallinnusohjelmaa, jolla pyritään mallintamaan pulssikaasuturbiinin polttoprosessi mahdollisimman tarkasti. Mallinnusohjelmaksi valikoitui GT-POWER, joka on moottorin polttoprosessin mallinnus- ja simulointiohjelma.

Työn tavoitteena on saada pulssikaasuturbiinimalli vastaamaan todellisuutta sekä optimoida polttoprosessi niin, että hyötysuhde olisi mahdollisimman korkea, huomioiden kuitenkin rajoitteet kuten turbiiniin sisäänmenevän kaasun lämpötila. Toisena tavoitteena on luoda malli, joka vastaa mahdollisimman tarkasti kehitteellä olevaa prototyyppi pulssikaasuturbiinia. Prototyyppimallin ja varsinaisen pulssikaasuturbiinimallin välinen ero on se, että varsinainen malli on kaksiportainen ja protomalli vain yksiportainen. Työn tutkimusongelma on kuinka saada pulssikaasuturbiinimalli vastaamaan todellisuutta? sekä kuinka mallin hyötysuhdetta voisi vielä parantaa?

Teoriaosuus käsitteli kaasuturbiinitekniikkaa yleisesti, sisältäen kaasuturbiinin keskeiset komponentit, kaasuturbiinikategoriat, käytettävät polttoaineet sekä niistä aiheutuvat päästöt. Mikroturbiinikategoriaa tarkasteltiin myös hieman lähemmin ja läpi käytiin mikroturbiinisovelluksia sekä -markkinoita. Viimeinen teorialuku käsitteli mallinnusohjelma GT-POWER:ia.

Työn tuloksena saatiin luotua pulssikaasuturbiinimalli, joka vastaa hyvin tarkasti todellisuutta. Mallin optimoinnin tuloksena saatiin hyötysuhteeksi 36,2 %, joka on mikroturbiinille todella hyvä lukema. Lisäksi luotiin realistinen GT-POWER-malli prototyyppi pulssikaasuturbiinista. Protomallin hyötysuhteeksi saatiin lopulta 21,2 %.