Bir Francis Türbin Modelinde Kavitasyon İzleme Testleri

Test işlemine geçmeden önce kısaca bir Francis türbinde ortaya çıkabilecek kavitasyon formlarını kısaca özetlemekte fayda vardır. Francis türbinde ortaya çıkabilecek kavitasyon tipleri; Ön kenar kavitasyonu, kavitasyonun bu tipi çok zaralıdır, çarklarda büyük ihtimalle derin erozyon oluşturur ve basınç dalgalanmalarına neden olur[1]. Gezer kabarcık kavitasyonu, eğer kabarcıklar çarkda çökerse erozyona neden olur, makine veriminde önemli derecede azalma olur, gürültülü ve şiddetli kavitasyon tipidir[1]. Emme borusu girdap kavitasyonu, türbinde ve santralde emme borusunda güçlü titreşimlere neden olan güçlü titreşimlerde basınç darbelerinde büyük patlamalara neden olur. Daha iyi verim noktasının ötesindeki girdap, emme borusu konisinde aksiyel yöne merkezlenmiştir[1]. Çarklar arası girdap kavitasyonu, güçlü titreşimlere neden olurlar[1]. Von Karman girdap kavitasyonu, eğer kapatma olayı oluşursa şiddetli titreşimler ve çınlama gürültüsü oluşur. Bunun bir sonucu olarak arka kenar hasar görebilir[1].

Basit olarak kavitasyonu ortaya çıkarma teknikleri şöyle sıralanabilir.

 Yapı ve Sıvı Kaynaklı Gürültü,

 Yüksek Frekans İçeriği,

 Genlik Modülasyonu,

 Düşük frekans İçeriği.

Kavitasyon izleme tekniklerini geliştirmek için laboratuvarlarda bir dizi testler uygulamaya konulmuştur. Eş zamanlı titreşimleri ve dinamik basınçları küçültülmüş ölçekli Francis türbin modelinde ölçmek mümkündür. Kanat çıkışında, zayıf ve aralıklı kavitasyon, çıkış kavitasyonu, güçlü kabarcık kavitasyonu, von Karman kavitasyonu ve titreşim giriş kavitasyonu ile birleştirilmiştir. Zaman ve frekans domeninde, kavitasyon tarafından yapı ve sıvıyla taşınan indüklenmiş gürültü analiz edilmiştir[3]. Başlangıçta çeşitli tipteki kavitasyonlar için düşük ve yüksek frekanslı sinyal bileşenleri karıştırılmıştır. Sonra yüksek frekans bandlarında genlik modüleli ana hidrodinamik frekanslar tanımlanmıştır.

56 Sonuçların analizinden her tip kavitasyon dedeksiyonu için pozisyon ve sinyal işleyici birçok uygun sensöre ilişkin birçok hüküm çıkarılabilir. Hem de işlenmiş veri analizinin detayı, gerçek durumla ilgili güvenilir bir şekilde tahmin yapılabilmesi için bazı ayrıntılı

hidrodinamik karakteristiklerin çıkmasına izin verebilmektedir. Şimdiye kadar aşınmadan dertli gerçek hidrolik türbinlerde kavitasyon izleme alanında birçok araştırma gerçekleştirmiştir. Bunlardan birisine ait deneysel yapı aşağıda incelenmiştir.

Şekil 6- Bir Francis Türbin Çarkının Şematik Görünümü, (5-Von Karman Girdap Kavitasyonu). İlgili testlere ait deneysel yapıya ait bilgiler şu

şekilde özetlenebilir. Testler LMH-EPFL test kulesinde, maksimum düşünün 100m ve maksimum debinin 1.4m³/s olduğu durumda gerçekleştirilmiştir. Küçültülmüş ölçekli model 20 adet ayar kanattan ve 19 kanatlı bir Francis çarkından oluşmaktadır. Test esnasında döner hız yaklaşık 874 rpm’ dir. Burada temel ana karakteristikler frekanslardır. Rastgele bir kanat ve rastgele bir kılavuz kanat hesaplanarak Çizelge-1’ e işlenmiştir.

Çizelge 1-Modelin Ana Karakteristik Frekansları. TEMEL RASTGELE KANAT RASTGELE KILAVUZ KANAT ff=rpm/60 Fb=19ff fv=20ff 14,56Hz 276,76Hz 291,33Hz İki adet ivmeölçer A1 ve A2, türbin kılavuz yatağına 180°C açı yapacak şekilde sırasıyla radyal ve aksiyel yönlerde yerleştirmiştir. İki adet dinamik basınç sensörü P1 ve P2, çark üstündeki ayar kanat kanallarının içerisine 90°C açıyla monte edilmiştir. Son olarak iki adet basıç sensörü P3 ve P4, emme borusunun üstüne 180°C açıyla monte edilmiştir.

Çıkış sinyalleri, örtüşmelerin giderilmesi için 20kHz alçak band geçiren Chebyschev filtreden geçirilmiştir. Kanal başına 50kHz örnek frekanslı eş zamanlı kayıt yapmak için bir LeCroy 6810 A/D konvertör kullanılmıştır. Bu deneyin yapılış amacını ve sonuçlarını gözden geçirelim. Şekil 8' in üst kısmında, tüm çalışma

koşulları için radyal yönde yatak üzerinde titreşim ölçümlerinin güç spektrumu çizilmiştir. Kavitasyon tipine bağlı olarak 25 kHz'e kadar yüksek frekans içeriklerin farklı uyarım seviyelerini göstermektedir. Güçlü kabarcık kavitasyon gerçekleştiği zaman büyük genlikler ortaya çıkar. Şekil 8’ in alt kısmında gösterildiği gibi düşük seviyeli benzer bir davranış, aksiyel yönde yatak titreşimleri için bulunur[4].

Şekil 8- Ralyal Yönde Yatak Titreşimlerinin Güç

Spektrumu.

Dinamik basınç ölçümleriyle ilgili en önemli sonuçlar emme borusu üzerinde bulunmuştur. Çeşitli rejimler için Şekil 9’ da P4 sensörünün güç spektrumu çizilmiştir. Bu durumda, en geniş uyarım 15 kHz'e kadar bulunur. Titreşimler için olduğu gibi, en büyük genlikler kabarcık kavitasyonu için dedekte edilmiştir. Fakat 5kHz altındaki düşük frekans aralığında bu tespit yapılmıştır. Burada dikkat çekici bir durum vardır ki bu durum kanat geçiş frekansındaki iki tek zirvenin olması enteresanlığıdır ve bant genişliği üzerindeki ikinci harmoniğin baskın olmasıdır.

Şekil 9- Emme Borusu Dinamik Basınçlarının

Güç Spektrumu.

A1’ deki titreşimlerinin ve P4’ deki basınçların genel değerleri bir adet 1kHz-19kHz geniş ve bir adet 10kHz-15kHz dar bantlı iki frekans bandında değerlendirilmiştir. Çizelge 2’de sonuçlar listelenmiştir.

Çizelge 2-Titreşimlerin ve Basınçların Genel Değerleri.

Şekiller, yüksek frekans bandında, ivme ve basınç büyüklüklerinin her ikisi içinde benzer bir eğilim gösterirler. Bu durumda rejimler, kavitasyonsuz şartlı artan genliklerle başlayan dönemlerde düzenlemiştir. Sonra giriş kavitasyonu, çıkış, çıkış&Karman ve kabarcık kavitasyonuyla bitirilir. Bu durum geniş değerlerle gösterilmiştir. Teknik, tamamen dijitaldir ve Hilbert dönüşümü temeline dayanır. Şekil 10’ daki kavitasyon bağımsız rejimiyle elde edilen modülasyon spektrumu, radyal yönde yatak titreşimleri için çıkış ve çıkış&Kamarn kavitasyon rejimleriyle elde edilen örneksel sonuçlarla karşılaştırılmıştır (A1). Kabarcık ve giriş kavitasyon rejimleri için Şekil 11' de aynen yapılmıştır. Dikkate alınan azaltılmış frekans X ekseninde kullanılmıştır ve o frekans, ilgili frekans ve temel frekans arasındaki oran gibi hesaplanır(=frekans/ff). Şekil 11' de çıkış ve çıkış&Kamarn kavitasyonla ilgili olarak emme borusu basınç titreşimleri için(P4) genlik modülayon sonuçları bir bağımsız kavitasyonla karşılaştırılarak çizilmiştir. Şekil 12' de, kavitasyon türlerinin geri kalanı için aynı durum yapılmıştır.

Şekil 10- A1 İçin Çıkış ve çıkış Karman

kavitasyonuyla bağımsız kavitasyonun karşılaştırlması.

58 Şekil 11- A1 İçin kabarcık ve giriş

kavitasyonuyla bağımsız kavitasyonun karşılaştırlması.

Evvela, bağımsız kavitasyon şartlarıyla modülasyon spektrumunun ana hatları karşılaştırıldığın kavitayonun her tipinin tayfında yükseliş gözlenmiştir. Bu hem titreşim hem de basınç ölçümlerinde vuku buldu. Daha az önemli sonuçlar özellikle yatak ölçümlerinde giriş kavitasyonu için bulunmuştur. Farklı olmayan frekanslarda belirgin olarak yüksek frekanslı modülasyona rastlanmıştır. Tam tersine kavitasyon tiplerinin kalanı için tipik frekans tepeleri iyi belirgindir.

Kabarcık kavitasyonu A1’ de fb ve P4’ de fb ve 2fb frekanslarında bir genlik modülasyonuna neden olur. Çıkış&Karman kavitasyon şartı A1 ve P4’ ün her ikisinde de ff, fb ve yan banlarda fb±ff’ de bir modülasyonu gösterir. Son olarak çıkış kavitasyonu fb’ de tepe olmayan (2ff, 3ff, ….) harmoniklerinin bazıları ve ff’ de modülasyonu sunar. Kavitasyonu olmayan modülasyon spektrumu fb ve harmoniklerde hiç tepe göstermez. Fakat ff ve onların harmoniklerinin bazılarında belirgin tepeler vardır.

Özetle güçlü yoğunluğa sahip olduğunu gösteren kabarcık kavitasyonu ve çıkış&Karman için birçok ilgili modülasyon işaretlerinin olduğu tanımlanmıştır. Tersine öteki iki tip çıkış ve giriş, görsel yorumlamayla kavitasyonun zayıf formları gibi dikkate alınmıştır. Sonuç olarak birilerinin sonradan görünmesinin dedeksiyonun çok zor olması sürpriz değildir. Ana karakteristik frekanslarının modülasyonunun kökenini belirginleştirmek amacıyla kavitasyon olayı, basınç titreşimlerinin bir düşük frekanslı güç spektrumu

bir emme borusunda hesaplanmıştır. Emme borusu basınç sensörü P3’ den alınan sonuçlar kavitasyonsuz, çıkış&Karman ve kabarcık kavitasyonu için Şekil 14’ de çizilmiştir. Emme borusu imalatlarındaki etkin ana basınç titreşimleri tarafından kavitasyon modülasyonunda görüldüğü şekilde uyarıldı.

Şekil 12- P4 İçin Çıkış ve çıkış Karman

kavitasyonuyla bağımsız kavitasyonun modülasyonunun karşılaştırılması.

Şekil 13- P4 İçin kabarcık ve giriş

kavitasyonuyla bağımsız kavitasyon modülasyonunun karşılaştırılması.

Çark çıkışı ve arka kenarların sistem çıkışlarında, kavitasyonun bu tiplerinde mantıksal olarak bu görünüm meydana gelir. Çıkış&Karman kavitasyonları için, fb ve fb+ff

tepeler f_f gibi dedekte edildi. Kabarcık kavitasyonu için, fb ve 2fb’ de iki tepe dedekte edildi ki kısmi yük girdap dizisinin yalpalama dönüş frekansında yan bant tepeleriyle dönerek görünür. Son olarak o kavitasyonsuz olarak not edilmeidir, fb tepe açıkça görünür[4].

Şekil 14- Kavitasyonsuz, Çıkış&Karman ve

Kabarcık Kavitasyon rejimleri ile Emme Borusundaki Basıncın Güç Spektrumu.

5.1.2 DIA TECH CAV Kavitasyon İzleme