Bütünleşik Ölçümler Kullanarak İzleme Deneyi

Deneysel inceleme için bir dikey şaftlı Francis türbin seçilmiştir. Seçilen bu ünite bir hidroelektrik santraldakinin aynısı ve dört özdeş üniteden ikincisidir.

Bu türbinler ünite başına yaklaşık 11MW

maksimum çıkış gücüne kadar

çalışabilmektedir. Birim ünite başına nominal debi 28m³/s, net düşü 51m civarında, N, 250rpm, Zb, 15 ve Zv, 24’ dür. Bu makinaların özel bir yönü, yağsız çalışması ve kauçuktan yapılmış olmasıdır. Bu makinalarda periyodik muayeneler yapılmıştır. Bu muayenelerde çarkların emiş tarafında ön kenarın bitişiğindeki

bölgede erozyon kavitasyonu görülmüştür. Aslında giriş kavitasyonu nedeniyle kütle kaybının ileri aşamaları işletmenin birkaç yıl sonrasında açığa çıkar.

Bu deneye ait bütünleşik aletleri tanımamız gerekir. Su türbinin döner çarkında titreşimleri ölçmek için bir mini telemetri sistemi kullanılmıştır. Bu sistem türbin kılavuz yatak yanındaki şaft etrafına monte edilmiş çok küçük ve hafif bir modülden oluşmaktadır. ICP sensörler için sinyal toplama modülü, sinyali forma sokmak ve örtüşmeyi önleyen düşük band geçiren filtre içerir. Bu 12 bit çözünürlüğe sahip encoder modülü tarafından kontrol edilir. Bu kodlayıcı aslında bir çoğullayıcıdır. Bir radyo frekans verici modülüne sırasıyla bağlanılan bir PCM çıkış sinyali üretir. Modülün enerjisi 5V DC bir bataryadan sağlanır. Alıcı istasyon bir alıcı anten ve 4 kanallı kod çözücü içerir. Dört analog çıkış sinyalinin uygun BNC konnektörü vardır. Bütün kanallar eş zamanlı örneklenmiştir ve iki kanal konfigürasyonu için kesim frekansı ünite başına 6000 Hz’ dir. Tüm sistem doğruluğu sensörsüz ±0.5%’ dir. Telemetri sistemi rezonans frekansı 52kHz civarında olan monte edilebilen bir yüksek frekanslı ivme ölçerle donatılmıştır. Bu sensör şafta vidayla yapıştırılmak suretiyle sabitlenmiştir.

Şekil 19- Bir Bulb Ünitenin Emme Borusu Duvarındaki Kavitasyon Sensörleri, (emme borusu menholünde, kılavuz kanat şaftında, türbin kılavuz yatağında).

Makinanın sabit parçalarında titreşim izlemek için tümleşik bir devrede benzer sensörlerden kullanılmıştır. Toplamda 3 adet ivmeölçer cıvatayla yapıştırılmak üzere montelenmiştir. Onlar uygun bir duruma getirilmiştir ve kayıtan önce kuvvetlendirilmiştir. Kurulum aletleri döner şaftın temassız dedeksiyonu için bir foto elektrik takometre probu ve 200kHz civarında bir

rezonans frekansa sahip bir akustik emisyon sensöründen oluşmaktadır. Analog çıkış sinyalleri eş zamanlı sayısallaştırılmış ve 48000Hz örnek frekansında kaydedilmiştir. Deneye ait ölçümler şöyle yapılmıştır. Türbin kılavuz yatağının üst ucuna yakın olmak üzere ivmeölçerler şafta monte edilmiştir. Aşağıdaki

62 şekilde de bu durum gösterilmiştir. İvmeölçerlerin geri kalan kısmı makinanın parçalarına monte edilecek şekilde yerleştirilmiştir. Özellikle iki tanesi diğerlerinde 90° radyal açıyla türbin kılavuz yatak duvarının üst parçasına yerleştirilmiştir. Onlar A13 ve A 14 diye adlandırılmıştır ve onlar cebri boruyla ilişkili yerlerdedir. Son ivmeölçer, D13, aksiyel yönde ayar kanadının üzerindedir. Son olarak radyal yönde A13 yakınına AE13’ le gösterilen akustik emisyon sensörü yerleştirilmiştir. Testler için türbin çeşitli şartlarda çalıştırılmıştır. Ayar kanadı 70%’ den 100%’ e kadar açılmıştır. Özellikle makine 70, 75, 80, 85, 95 ve 100% açıklıklarda çalıştırılmıştır[13].

Bu deneyden elde edilen sonucu şu şekilde vermek mümkündür. 3kHz civarındaki ham sinyallerin otomatik gücünün gelişimi kavitasyon aktivitesinin varlığını göstermektedir. Sabit sensörlerin durumunda 20kHz’ e kadar yüksek frekanslı enerji gözlenmiştir. Bu da ölçüm sisteminin maksimum frekansıdır. Tümleşik sensör band genişliği telemetri sisteminin sınırları nedeniyle 6kHz ile sınırlıdır. 3kHz’ den 6kHz’ e kadar frekans bandında filtrelenen zaman sinyallerinin RMS değerleri en kötü kavitasyon şartları hakkında ilk bilgilere izin verir. Yine de bu sonuçlar genlik modülasyonuyla teyit edilmelidir. Enerji içeren bu band, kılavuz kanat çalışmasının bir fonksiyonudur ve iki eğilim gösterir. Türbin

kılavuz yatağında yerleştirilmiş sensörler için GVO ile enerji artar ancak 85%’ den 90%’ a geçilince aniden düşer. Böyle bir davranış 20kHz’ kadar frekans bandı için geçerlidir. Aksine tümleşik sensör eğilimi sürekli artmaktadır. Daha yüksek frekansların gözlenmesi için şüphe vardır. Ayar kanat sensör durumunda benzer artan davranış yüksek frekanslı bandlar için görüldü ancak 3kHz’ den 6kHz’ e kadar frekans bandında belirgin değildir.

Türbin kılavuz yatak civarında dönen şaft üzerine monte edilen ve bir ivmeölçer içeren telemetri sistemi, başarılı bir şekilde kurulduğu zaman kavitasyon erozyonundan kaynaklı titreşimleri izlemek için mükemmel sonuçlar vermektedir. Türbin kılavuz yatağında ve ayar kanatlarda monte edilmiş sensörler geleneksel algılama tekniklerini kullanarak 3 kHz’ den 6 kHz’ e kadar frekans band genişliğinde tümleşik sinyalleri analiz edebilmektedir. Modülasyon frekanslarındaki benzeşim prototip parçalarından alınan ölçümler arasında özellikle türbin kılavuz yatağında ve dönen şafttaki ölçümlerde eşitlik gösterir. Ayrıca, şaft üzerinde alınan nispeten düşük bir frekans aralığında titreşim ölçümleri, türbin kılavuz yatak üzerinde gerçekleştirilen bir yüksek frekans aralığında akustik emisyon ölçümleri ile benzerdir. Bu prototipde, tümleşik sinyallerle kılavuz kanattan alınan ölçümler aynı değildir.

Şekil 20- Ölçüm Sonuçlarının Fotoğrafı ve Ana Hatları. 5.1.5. Akustik Emisyonla Kavitasyon İzleme

Hidrolik türbinlerdeki kavitasyon kaynaklı hasarların yol açtığı endişelerin gün yüzüne çıkarılmasındaki diğer bir tespit yöntemi akustik emisyonların ölçümüdür. Yapılmış bir uygulama

üzerinden bu metodun değerlendirilmesini yapalım.

Bir hidroelektrik santralda kurulmuş üç adet Francis türbin ünitesi üzerinde açıklamalarımızı yapacağız. Kavitasyonun etkilerini daha iyi algılayabilmek için bu türbinlerden birincisi hiç

kullanılmamış yeni bir türbin olarak seçilmiştir. İkincisi 9000 saat ve üçüncüsü 340000 saat çalışmış türbinlerdir. Seçim farklı olduğu için her türbinin çalışma rejiminin de farklı olacağı aşikârdır. Çalışma, sıfır yük şartında başlayıp 10MW’ lık adımlarla 180MW aşırı yük durumuna doğru gidilerek yapılmıştır. WDI-AST AE sensörleri kullanılarak akustik emisyon izleme bütün şartlarda yapılmıştır. İzleme emme borusunda gerçekleştirilmiştir[14].

Şekil 21- Tipik Türbin Çalışma Dögüsü.

Yukarıdaki şekil, santralda yürütülen saha deneyleri sırasında elde edilen tipik sonuçlardır.10MW adımlarla yürütülen AE çıkışlarını göstermektedir. İdeal yaralı izleme daire içerisine alınmıştır[14].

Şekil 22- Seçilmiş Yeni Türbin.

Şekil 23- Seçilmiş Hasarlı Türbin.

Yukarıdaki iki şekil, akustik emisyon çıkış değerlerini volt RMS cinsinden göstermektedir. Sıfır yükten maksimum aşırı yük şartlarına adım

adım gidilmiştir. Birincisi yeni ikincisi hasarlı türbin için verilmiş şekillerdir[14]. Hasarlı türbinde aşınmalar olduğu için yaralı bilgilerin ölçümünün yapılması sağlanamamıştır. Türbinde dinamik kararsızlıklar oluşmuştur.Akustik emisyon sensörleri 30-200kHz frekans aralığında olup 57-78 dB’ de çalışmaktadır[15]. AE emisyon ölçümlerinin sonucu elde edilen değerler, dinamik karasızlık ve titreşimlerin oluşması sebebiyle çarkların normal koşullardaki durumdan farklı bir yapıda olduğunu göstermektedir. Çalışmalar verimin daha iyi olduğu 150-160MW arasında yapılmıştır. Hasarlı türbindeki aşınmanın durumuna göre sensör çıkışı artış kaydetmiştir. Yani AE sinyalleri ile türbin çarkı arasında güvenilir niceliksel ilişki ortaya çıkmıştır. 6 SONUÇ

Kavitasyon, çalışma şartlarına ve makine tasarımına bağlı olarak hidrolik türbinlerde farklı şekillerde ortaya çıkabilmektedir. Yüksek titreşim seviyeleri, dengesizlikler ve aşınmalar makinanın çalışması sırasında bir hasara sebebiyet verebilir. En önemlisi de işletmede olan hidroelektrik santralin uzun süreli durmasına yol açabilir. Bu yüzdendir ki sistemi en az atıl zaman ve en az zararla kurtarmak gerekir. Bu da santralin çok iyi bir şekilde izlenmesiyle mümkün olabilir.

Kavitasyon yapısal titreşimlere, akustik emisyonlara ve hidrodinamik basınçlara neden olduğu için kavitasyonun tespitinde ve algılama tekniklerinde de bu sinyallerin analizlerinin kullanılması güvenilir sonuçlar açısından uygulanabilirdir.

Titreşim ve gürültü seslerinin ölçülmesiyle, stroboskopik araştırmayla model türbin üzerinde hangi çalışma şartları altında model türbinin neresinde ne miktarda kavitasyon olayı meydana geleceği bulunabilir. Buradan yola çıkarak da hidrolik ve benzerlik kanunları kullanılarak prototip türbin üzerindeki kavitasyon olayı tespit edilir. Böylece iyi bir kavitasyon izleme sistemi kurularak sistem performansına katkı sağlamak mümkün olur. Şöyle ki kavitasyonun izlenebilmesi, teçhizatların bakım planlamalarının yapılmasına imkân sağlar ve sistem zararları en aza indirgenebilir. Ayrıca veriminde düşmesi önlenmiş olur.

7 KAYNAKLAR

[1] Xavier Escaler^a, Eduard Egusquiza^a, Mohamed Farhat^b, Franc-ois Avellan^b, Miguel Coussirat^a, Received 7 June 2004; received in revised form 10 August 2004; accepted 11 August 2004. “ Detection of cavitation in hydraulic turbines”. ELSEVIER,

64

Processing. ^aCentre de Diagno`stic

Industrial i Fluidodina`mica (CDIF), Universitat Polite`cnica de Catalunya (UPC), Avinguda Diagonal 647, 08028 Barcelona, Spain, ^bLaboratoire de Machines Hydrauliques (LMH-IMHEF), Ecole Polytechnique Fe´de´rale de Lausanne (EPFL), Avenue de Cour 33bis, CH-1007 Lausanne, Switzerland.

[2] S. Khurana^a, Navtej^b and Hardeep Singh^C, Accepted 18 Feb.2012, Available online 1 March 2012. “Effect of Cavitation on Hydraulic Turbines- A Review”, International Journal of Current Engineering and Technology ISSN 2277 – 4106.

a

Department of Mechanical Engineering, Baddi University of Emerging Sciences and Technology Baddi, ^bDepartment of Mechanical Engineering, MMU Mullana,

c

Department of Mechanical Engineering, Terii Kurukshetra.

[3] B. Širok, M. Novak, M. Hočevar, J. Prost. “VISUALIZATION MONITORING OF CAVITATION IN WATER TURBINES”,

Dr.

brane.sirok@turboinstitut.si, Turboinštitut, Rovšnikova 7, SI 1210 Lj-Šentvid, Slovenia.

Dr. Matej NOVAK, E-mail:

matej.novak@turboinstitut.si, Turboinštitut, Rovšnikova 7, SI 1210 Lj-Šentvid, Slovenia. Marko HOČEVAR, Turboinštitut, Rovšnikova 7, SI 1210 Lj-Šentvid, Slovenia. Dr. Josef PROST, Institute for Waterpower and Pumps Institute for Waterpower and Pumps TU Vienna, Karlsplatz 13/305, A-1040 Vienna, Austria Phone: +43 1 58801 30515 (30501), FAX +43 1 58801 30599, E-mail: jprost@pop.tuwien.ac.at

[4] http://mvtenerji.com/wpcontent/uploads/20 4/06/kurs_notlar%C4%B1_EnerjiSA02.pdf. 29-30 Nisan 2014.

[5] François AVELLAN, Professor, The 6th International Conference on Hydraulic Machinery and Hydrodynamics Timisoara, Romania, October 21 - 22, 2004. “INTRODUCTION TO CAVITATION IN HYDRAULIC MACHINERY”. Laboratory for Hydraulic Machines, School of Engineering EPFL Swiss Federal Institute of Technology Lausanne Avenue de Cour 33 Bis, CH-1007, Lausanne, Switzerland.

[6] Vladyslav Pastushenko, “Kavitation in Wasserturbinen Entwicklung eines Monitoringsystem”. TECHNISCHE UNIVERSITAT MÜNCHEN INSTUTUT FÜR ENERGIETECHNIK MW7.

[7] PDF processed with CutePDF evaluation editionwww.CutePDF.com.

http://www.yildiz.edu.tr/~fcelik/dersler/gemi direnci/PDF/9.%20Kavitasyon.pdf.

[8] Bajram Zeqiri, Pierre N. G´elat, Mark Hodnett, and Nigel D. Lee, ieee transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, vol. 50, no. 10, october 2003. “A Novel Sensor for Monitoring Acoustic Cavitation. Part I: Concept, Theory, and Prototype Development”.

[9] Hari Kallingalthodi, “CAVITATION

DETECTION IN A WATER JET

PROPULSION UNIT”, A thesis submitted in partial fulfilment of the requirements for the Degree of Master of Engineering in Electrical and Computer Engineering at the University of Canterbury, Christchurch, New Zealand April 2009.

[10] Xavier Escaler^a, Mohamed Farhat^b, Philippe Ausoni^c, Eduard Egusquiza^d, François Avellane

. Sixth International Symposium on Cavitation CAV2006, Wageningen, The Netherlands, September 2006. “Cavitation Monitoring Of Hydroturbines:Test In A Francis Turbine Model”. a

Center for Industrial Diagnostics, UPC(Spain), ^b Laboratory for Hydrolic Machines, EPFL (Switzerland), ^c Laboratory for Hydrolic Machines, EPFL (Switzerland),

d

Center for Industrial Diagnostics, UPC(Spain), ^e Laboratory for Hydrolic Machines, EPFL (Switzerland).

[11] www.andritz.com/diatech

[12] Branko Balic, “Turbine Cavitation Diagnostics and Monitoring multidimensional and Simple Techniques. Korto Cavitation Services, Luxembourg korto@korto.com, www.korto.com.

[13] Xavier Escaler, Universitat Politecnica de Catalunya, Escaler@mf.upc.es. Eduard Egusquiza, Universitat Politecnica de Catalunya, Egusquiza@mf.upc.es. Mohamed Farhat, Ecole Polytechnique

Federale de Lausanne,

Mohamed.Farha@epfl.ch. François Avellan, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Francois.Avellan@epfl.ch.“ Vibration Cavitation Detection Using Onboard Measurements”.Fifth International Symposium on Cavitation (cav2003), Osaka, Japan, November 1-4, 2003. [14] Fernando Ribeiro Queiroz, Centro Técnico

de Ensaios e Medições, Furnas Centrais Elétricas, 37945-970, São José da Barra, Brazil. e-mail: bauzer@demec.ufmg.br, nandorq@furnas.com.br. Eduardo Bauzer Medeiro, Lázaro Valentim Donadon, Marco Túlio Corrêa de Faria Department of Mechanical Engineering, Universidade Federal de Minas Gerais, Av.Antônio Carlos 662, 31270-901, Belo Horizonte

MG, Brazil. “ACOUSTIC EMISSION EVALUATION OF CAVITATION INDUCED HYDRAULIC TURBINE WEAR”.

[15] Ikenna Chukwudi Ezeasor, Lulea University of Technology, JUNE 18, 2010. “Review of Condition Monitoring of Cavitation Phenomenon in Hydropower Plants (Master’ s Thesıs)”.