Değişken debilerde yüksek verimde çalışan bir çapraz akış türbini geliştirilmesi

KOCAELĠ ÜNĠVERSĠTESĠ * FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ

DEĞĠġKEN DEBĠLERDE YÜKSEK VERĠMDE ÇALIġAN BĠR

ÇAPRAZ AKIġ TÜRBĠNĠ GELĠġTĠRĠLMESĠ

DOKTORA TEZĠ

Alaattin Metin KAYA

Anabilim Dalı: Makina Mühendisliği

DanıĢman: Doç. Dr. K. Süleyman YĠĞĠT

i ÖNSÖZ

Hidroelektrik santraller; çevreye uyumlu, temiz, yenilenebilir, yüksek verimli, yakıt gideri olmayan, uzun ömürlü, iĢletme gideri çok düĢük, oldukça uzun ömürlü olmasının yanı sıra enerji fiyatlarında sigorta rolü üstlenen ve dıĢa bağımlı olmayan bir kaynak olması sebebiyle en önemli yenilenebilir enerji kaynağıdır. Ülkemizde toplam hidro elektrik enerji potansiyelinin %38 gibi az bir kısmı kullanılmaktadır. Büyük ve orta ölçekli santrallerin çevreci kabul edilmemeleri ve limitlerini doldurmaları sonucu kalan %62'lik hidroelektrik potansiyelin değerlendirilebilmesi için en önemli kaynaklar mikro ölçekli hidroelektrik santraller olmaktadır. Bu tez çalıĢmasında, mevcut çapraz akıĢ türbinleri ele alınarak incelenmiĢ, olumsuz yönleri tespit edilerek çözüm yolları araĢtırılmıĢtır. Bu doğrultuda ülkemiz koĢullarına uygun ve kontrol sorunu nispeten daha az olan bir Çapraz AkıĢ Türbini geliĢtirilmiĢtir. Sunulan yaklaĢımla, türbin, kısa sürede debi değiĢimlerine cevap verebilecek ve daima yüksek verimde çalıĢabilecek Ģekilde tasarlanmıĢ ve denemeleri yapılmıĢtır. Bu deneysel çalıĢma 2005K120370 numaralı, Küçük Hidroelektrik Santraller Ġçin Türbin GeliĢtirilmesi isimli DPT projesi olup bu proje kapsamında destek veren gerek DPT'ye gerekse bu projede emeği geçen herkese,

Doktora çalıĢma sürecinde ihtiyaç duyduğum, imkân, cesaret, fikir alıĢveriĢi gibi birçok konuda destekleyen hocalarımdan baĢta danıĢmanım Doç. Dr. K.Süleyman Yiğit, Yrd. Doç. Dr. Ġlyas Kandemir, Doç. Dr. Mahmut F. AkĢit, Prof. Dr. Aydın ġalcı ve Prof. Dr. Ġlhan Tekin Öztürk, Yrd. Doç. Dr. Bülent Kaya olmak üzere Yrd. Doç. Dr. Mehmet Ermurat, Doç. Dr. Ebubekir Yüksel, Doç. Dr. Fehmi Erzincanlı, Doç. Dr. M. Ali Arslan, Yrd. Doç. Dr. Abdülkadir Balıkçı, Doç. Dr. Hakan Hocaoğlu, Yrd. Doç. Dr. Mehmet Dal, Yrd. Doç. Dr. Cenk Çelik, ve isimlerini sayamadığım tüm hocalarıma, Çevre ve Orman Bakanı Prof. Dr. Veysel Eroğlu’na, DSĠ 14.Bölge Müdürlüğüne, ĠSKĠ Genel Müdürlüğü ve Ömerli ġube Müdürlüğüne, GYTE Yapı ĠĢleri Daire BaĢkanlığı ve ġb. Md. Ramazan Günal, Yüksek Mimar Alparslan Durukan, Elektrik Teknikeri Cihan Karaca ve mesai arkadaĢlarım ArĢ. Gör. Musa Özkan ve Volkan R. Akkaya’ya, çalıĢmamın bütün aĢamalarında beni yalnız bırakmayan dostlarım Ġlker Demir ile deneyler esnasında ve sonrasında yardımlarını esirgemeyen E. Öngüç Özer'e ve arkadaĢlarım Dr. Merthan Benli, Özgür Karacasu’ ya, kardeĢlerime, anneme ve babama sonsuz teĢekkürlerimi sunarım.

ii ĠÇĠNDEKĠLER ÖNSÖZ ... i ĠÇĠNDEKĠLER ... ii ġEKĠLLER LĠSTESĠ ... iv TABLOLAR LĠSTESĠ ... vi SEMBOLLER ... vii 1. GĠRĠġ ... 1 2. HĠDROLĠK TÜRBĠNLER... 5 2.1. Francis Türbini ... 7 2.2. Pelton Türbini ... 8

2.3. Çapraz AkıĢ Türbini ... 9

2.4. Kaplan Türbini ... 11

2.5. Hidrolik Türbinlerin Mukayesesi ve Seçim Kriterleri ... 12

2.5.1. ÇalıĢma bölgesi kesiĢim kriteri ... 12

2.5.2. ÇalıĢma bölgesi geniĢliği kriteri... 13

2.5.3. Ġmalat kolaylığı ve ekonomiklik kriteri... 14

2.5.4. Kavitasyon kriteri ... 14

2.5.5. Verim kriteri ... 15

3. ÇAPRAZ AKIġ (BANKĠ) TÜRBĠNĠ ... 16

3.1. Çapraz AkıĢ Türbini Tarihçesi ... 18

3.2. Çapraz AkıĢ Türbini Ġle Ġlgili Yapılan ÇalıĢmalar (Literatür Taraması) ... 18

3.3. Deney Türbini Tasarımı ... 25

3.4. Alternatör ve DiĢli Kutusu Seçimi ... 34

3.5. Sürgülü Vana Tasarımı ... 35

3.6. Deney Türbini ... 38

4. DENEY DÜZENEĞĠ ... 40

4.1. Deney Düzeneğinin Tasarımı ve Kurulumu ... 41

4.2. Deney Düzeneği Kısımları ... 44

4.2.1. Temel ve havuzlar ... 44

4.2.2. Kule ... 47

4.2.3. Ġç boru ... 48

4.2.4. Türbin odası ... 51

4.2.5. Kontrol odası ... 54

5. ÖLÇME VE VERĠ TOPLAMA SĠSTEMLERĠ ... 55

5.1. Debi Ölçme ... 55

5.2. DüĢü (Su Yüksekliği) Ölçme ... 56

5.3. Frekans Ölçme ... 56

5.4. Hidrolik Ünite ... 57

5.5. Pano ve Enerji Monitörü ... 57

6. DENEYSEL ÇALIġMALAR ... 59

6.1. Yüzey Cevap Yöntemi ile Model GeliĢtirilmesi ... 59

6.1.1. Performans Parametrelerinin (H, Q, θ) Frekansa Etkileri ... 66

iii

6.2. Ön Deneyler ... 74

6.2.1. Alternatör Kontrol Ünitesi Ön Deneyleri ... 74

6.2.2. Pompa, Türbin, Alternatör Sistemi Ön Deneyleri ... 74

6.3. Asıl Deneyler ... 76

6.3.1. DeğiĢik Debilerde Ayar Kanadı Açısının Türbin Genel Verimine Etkisi... 77

6.3.2. Debiye Göre Optimum Ayar Kanadı Açısının Belirlenmesi ... 78

6.3.3. Sürgülü Vananın Türbin Verimine Etkisi ... 80

6.3.4. Ayar Kanadı Sabit Tutulmasının Türbin Genel Verimine Etkisi ... 84

6.3.5. Sürgülü Vana Kullanılması ile Sabit Frekans Eğrisinin Elde Edilmesi ... 85

7. HESAPLAMALI AKIġKANLAR DĠNAMĠĞĠ ANALĠZLERĠ ... 86

8. MODELLEME VE SĠMÜLASYON ... 91

9. SONUÇLAR VE ÖNERĠLER ... 98

KAYNAKLAR ... 102

EKLER ... 106

iv ġEKĠLLER LĠSTESĠ

ġekil 2.1: Francis türbini çarkı imalatı ... 7

ġekil 2.2: Pelton türbini ve alternatör grubu ... 8

ġekil 2.3: Klasik çapraz akıĢ türbini parçaları ... 9

ġekil 2.4: Çapraz akıĢ türbinlerinde verim – yük oranı grafiği ... 10

ġekil 2.5: Kaplan türbini çarkı ... 11

ġekil 2.6: Su türbinlerin debi ve düĢüye göre çalıĢma aralıkları... 13

ġekil 3.1: Çapraz akıĢ türbini parçaları ve suyun çark içerisinde takip ettiği yol ... 16

ġekil 3.2: Çapraz AkıĢ türbini hız üçgenleri ... 17

ġekil 3.3: Çapraz akıĢ türbini kanat boĢlukları ... 29

ġekil 3.4. Boru içi akıĢlarda Reynolds Sayısı ve akıĢ tipi ... 33

ġekil 3.5: Tsarımı ve imalatı yapılan sürgülü vanalı türbin (özgün tasarım) ... 35

ġekil 3.6: Sürgülü vana tasarım çalıĢmaları ... 36

ġekil 3.7: Çapraz akıĢ türbini HAD analizleri tek taraflı sürgü durumu ... 37

ġekil 3.8: Sürgülü vana ve sürgüyü hareket ettiren hidrolik güç ünitesi ... 38

ġekil 3.9: Tasarımı, imalatı yapılan türbin ve sürgülü vana dahil parçaları ... 39

ġekil 4.1: Deney düzeneğinin Ģematik görünümü ... 41

ġekil 4.2: Depolamasız hidroelektrik güç sistemi ve deney düzeneği ... 43

ġekil 4.3: Kule temeli ve havuz yapımı ... 45

ġekil 4.4: Havuz ve pompa havuzu ... 46

ġekil 4.5: Ġkinci borunun kaynatılarak kulenin tamamlanması ... 48

ġekil 4.6: Kule içinden iç boru ... 49

ġekil 4.7: Ġç boru (kaval) ... 50

ġekil 4.8: Türbin odası iç görünüĢ – I ... 52

ġekil 4.9: Türbin odası iç görünüĢ - II ... 53

ġekil 4.10: Kontrol panosu ... 54

ġekil 5.1: Debi ölçer ... 55

ġekil 5.2: Alternatör kumanda panosunun iç görüntüsü ve bağlantıları ... 58

ġekil 6.1: Deneysel frekans ile modelden elde edilen frekans mukayesesi ... 65

ġekil 6.2: Sabit debide (1080 m3_{/h) DüĢü- Frekans iliĢkisi ... 66}

ġekil 6.3: Sabit ayar kanadı açısında (12°) DüĢü - Frekans iliĢkisi ... 67

ġekil 6.4: Sabit düĢüde (8 m) Ayar Kanadı - Frekans iliĢkisi ... 68

ġekil 6.5: Sabit debide (1080 m3_{/h) Ayar Kanadı - Frekans iliĢkisi ... 68}

ġekil 6.6: Sabit ayar kanadı açısında (12°) Debi- Frekans iliĢkisi ... 69

ġekil 6.7: Sabit düĢüde (8 m) Debi- Frekans iliĢkisi ... 70

ġekil 6.8: Ayar kanadı açısı 12° için debi-düĢü-frekans yüzeyi ... 71

ġekil 6.9: Sabit debi (900 m3_{/h) düĢü-ayar kanadı açısı-frekans yüzeyi ... 72}

ġekil 6.10: Sabit düĢü (8m) için debi -ayar kanadı açısı-frekans yüzeyi ... 73

ġekil 6.11: Ayar kanadı açıları ... 77

ġekil 6.12: Debiye göre ayar kanadı açısı - türbin genel verimi grafiği ... 79

ġekil 6.13: Sürgülü vana kullanılarak ve kullanılmadan elde edilen en yüksek türbin verimleri ... 80

v

ġekil 6.14: Ayar kanadı açısı 12° sabit konumda ve debinin sürgülü vana ile

ayarlanması durumu debi-türbin verimi ... 81

ġekil 6.15: Sürgülü vana kullanım aralıkları... 82

ġekil 6.16: Ayar kanadı 12° sabit konumda sürgülü vana kullanımının türbin verimine etkisi ... 83

ġekil 6.17: Verim eğrileri mukayese ... 84

ġekil 6.18: Frekans eğrisi ... 85

ġekil 7.1: Sınır Ģartlarının verilmesi... 86

ġekil 7.2: Ağ yapısının oluĢturulması ... 87

ġekil 7.3: 3° ayar kanadı açısında akıĢ çizgileri ... 88

ġekil 7.4: 20° ayar kanadı açısında akıĢ çizgileri ... 89

ġekil 7.5: Ġterasyon sayısı ile yakınsama grafiği ... 90

ġekil 8.1: Jeneratör hız kontrol sisteminin blok Ģeması ... 91

ġekil 8.2: Sık kullanılan bir yağ basınçlı kontrol sistemi ... 92

ġekil 8.3: Çapraz akıĢ türbin modeli ... 94

ġekil 8.4. Sürgülü vana pozisyonunun debiye bağlı değiĢimi ... 95

ġekil 8.5. 50 Hz sabit frekansta sürgü açıklığının güce bağlı değiĢimi ... 95

ġekil 8.6. Gücün 9 kW'tan 6 kW'a değiĢimi ... 96

ġekil 8.7. Gücün 6 kW'tan 8 kW'a değiĢimi ... 96

vi TABLOLAR LĠSTESĠ

Tablo 1.1. Hidroelektrik santrallerin sınıflandırılması ... 1

Tablo 2.1. Türbinlerin Özgül Hıza Göre Sınıflandırılması ... 6

Tablo 2.2. Türbinlerin sınıflandırılması ... 6

Tablo 2.3: Çapraz akıĢ türbinlerinin çalıĢma aralıkları ... 10

Tablo 2.4: Su için sıcaklığa bağlı buharlaĢma basıncı değerleri ... 14

Tablo 3.1: Kpordze'nin türbin tasarımında kullanılması tavsiye ettiği denklemler ... 24

Tablo 3.2: Tasarımı yapılan çapraz akıĢ türbini tasarım parametreleri ... 25

Tablo 3.3: Tasarımı yapılan çapraz akıĢ türbini parametreleri ... 34

Tablo 5.1: Kumanda panosu parçaları ... 58

Tablo 6.1: Verime etki eden parametreler... 61

Tablo 6.2: Optimizasyon deney Ģartları ve deneylerin sonuçları ... 63

Tablo 6.3: Model analiz sonuçları ... 64

Tablo 6.4: Ayar kanadı açısının verime etkisi ... 78

vii SEMBOLLER

A : Çarka giriĢte akıĢ kesiti (m2) a : Radyal çark geniĢliği (m) b : Rotor geniĢliği (m) c : Mutlak hız (m/s) D1 : Çark dıĢ çapı (m) D2 : Çark iç çapı (m)

𝑒 : Kalan

f : Frekans (1/s)

g : Yerçekimi ivmesi (m/s2) H : Net düĢü (m)

J : Dönen elemanların atalet momenti (kgm2/s2) K : Hüzme kalınlığını belirleyen katsayı

k : DeğiĢken sayısı

L : Su sütunu uzunluğu (m) n : Devir Sayısı (1/s) nq : Özgül Hız Pe : Etkin güç (kW)

p : Alternatör çift kutup sayısı

Q : Suyun debisi - Türbin tasarım debisi (m3/s) r : Türbin yarıçapı (m)

R : Dönme yarıçapı (m)

R2 : Korelasyon Belirleme katsayısı Re : Reynolds Sayısı

s0 : Çarka giriĢte su jeti kalınlığı (m) s1 : Kanatlar arası açıklık (m)

s2 : Kanatlar arası açıklık (iç) (m) TL : Yükün oluĢturduğu tork (kgm2/) Tt : Türbin torku (kgm2/s2)

tm : Türbinin mekanik hareket süresi (s) tw : Su hareket süresi (s)

u : Çevresel hız (m/s) 𝑉 : Su hızı (m/s)

W : Dönen parçaların ağırlıkları (kg m/s2) w : Bağıl hız (m/s)

Xi : DeğiĢken y : Deneysel cevap

y1 : Mil merkezi su jeti mesafesi (m) 𝑦 _𝑖 : Tahmin edilen cevap

viii GREK ALFABESĠ

α1 : GiriĢ (Hücum) açısı α2 : Merkez açı

𝛽 : Bağıl açı

θ : Ayar kanadı açısı 𝛽₀ : Sabit (katsayı)

𝛽_𝑖 : Lineer kesiĢim katsayısı 𝛽_𝑖𝑗 : Ġkinci derece kesiĢim katsayısı 𝜀 : Profil yarıçapı (m)

g : Türbin genel verimi 𝜈 : Kinematik viskozite (m2/s) 𝜌 : Yoğunluk (kg/m3)

∅_𝑎 : GiriĢ ağzı geometrisine bağlı katsayı ∅𝑏 : Kanat sürtünme katsayısı

δ : Kanat profil açısı 𝜔 : Açısal hız (1/s)

Kısaltmalar

TEMSAN : Türkiye Elektro Mekanik Sanayi GYTE : Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü DPT : Devlet Planlama TeĢkilatı

DSĠ : Devlet Su ĠĢleri

ĠSKĠ : Ġstanbul Su ve Kanalizasyon Ġdaresi

YCY : Yüzey Cevap Yöntemi

ix

DEĞĠġKEN DEBĠLERDE YÜKSEK VERĠMDE ÇALIġAN BĠR ÇAPRAZ AKIġ TÜRBĠNĠ GELĠġTĠRĠLMESĠ

Alaattin Metin KAYA

Anahtar Kelimeler: Çapraz AkıĢ, Banki Türbini, Hidrolik Türbinler, Hidroelektrik Özet: Büyük hidroelektrik santrallerin yatırım maliyetlerinin yüksek olması büyük debi veya düĢülere ihtiyaç duyması ayrıca çevreci kabul edilmemeye baĢlaması yeni yatırımların küçük hidroelektrik santrallere doğru kaymasına neden olmuĢtur [1]. Ülkemizde büyük hidroelektrik santrallerin kurulacağı yeni yerlerin olmayıĢı veya verimli toprakların ve tarihi yapıların su altında kalması nedeniyle küçük hidroelektrik santraller, günümüzde en önemli yenilenebilir enerji kaynağı olarak görülmektedir.

Bu çalıĢmanın özgün tarafı, çapraz akıĢ türbinlerinde debi ayarının ilk defa bir sürgülü vana kullanılarak yapılmasıdır. Bu amaçla, ilk olarak; çapraz akıĢ (Banki) türbini temel alınarak yeni bir çapraz akıĢ türbin geliĢtirme ve kontrol sistemi tasarımı yapılmıĢtır. ÇalıĢmanın ikinci aĢamasında; tamamen yerli kaynaklar kullanılarak Türkiye Elektro Mekanik Sanayi (TEMSAN) A.ġ.'ye tasarlanan ve çizimleri yapılan türbin imal ettirilmiĢtir. Üçüncü aĢamada ise; türbinin test edilebilmesi için bir deney düzeneği tasarımı yapılarak GYTE'de düzeneğin kurulumu gerçekleĢtirilmiĢtir. Dördüncü aĢamada; Banki türbininin çalıĢma koĢullarının belirlenmesi amacı ile Yüzey Cevap Yöntemi (YCY) uygulanarak optimizasyon çalıĢmaları yapılmıĢtır. ÇalıĢma Ģartları belirlendikten sonra, beĢinci aĢamada; türbin performansı deneyleri, altıncı aĢamada; ise sürgülü vana performansı deneyleri yapılmıĢtır. Deneylerde debi kontrolü sürgülü vana ile yapılarak türbinin, düĢük debilerde yüksek verimde çalıĢması sağlanmıĢtır. Yedinci aĢamada; Deneylerden elde edilen sonuçlar, hesaplamalı akıĢkanlar dinamiği analizleri ile mukayese edilmiĢtir. Sekizinci ve son aĢamada ise; sistemden çekilen güç değiĢimlerinde sürgülü vananın rolü üzerine, Matlab-Simulink programı kullanılarak modelleme çalıĢmaları yapılmıĢtır. ÇalıĢmanın sonucunda ise, ilk kez bir sürgülü vana kullanılarak Çapraz AkıĢ Türbininin debi ayarının yapılabildiği ve sürgülü vana kullanımı ile tasarım debisinden daha düĢük debilerde verimde % 5'e varan iyileĢtirmeler elde edildiği görülmüĢtür. Ayrıca hesaplamalı akıĢkanlar dinamiği analizleri (HAD) ile mukayese edildiğinde nitelik bakımından benzer sonuçlar elde

x

DEVELOPMENT OF A CROSS FLOW TURBINE FOR VARIOUS FLOW RATE CONDITIONS AT HIGH EFFICIENCY

Alaattin Metin KAYA

Keywords: Cross Flow, Banki Turbine, Micro Hydropower, Hydroelectricity

Abstract: Micro hydroelectric power plants have been considered as the most important renewable energy sources since larger plants are no more environmentally accepted and finding suitable sites are difficult. Due to the fact that in our country there is no appropriate places to construct big hydroelectric power plants or possibility of flooding historical places and fertile land, micro hydroelectric power plant would be one of the most important renewable energy resources.

Analysis of turbines yields that cross flow turbine is one of the suitable types considering resources of our country. The reason behind their rare use is their lower efficiency at variable flow rates.

In this study, first of all, responding to our country’s demand and conditions, a cross flow turbine was designed. In the development-phase, turbine theory and experience of other researchers have been utilized. The turbine has been manufactured by Turkish Electro Mechanics Industry (TEMSAN), the only public institution of Turkey in its area and using completely domestic sources. In the second phase an experimental setup was designed and installed at Gebze Institute of Technology for testing the turbines of similar capacities. And then in the fourth phase Surface Response Method was applied to specify the operating range of the Banki Turbine. Turbine performance was tested, after constructing a hydroelectric laboratory with needed experimental setup and performance of the sliding valve which was a major contribution of this study was tested as a fifth and sixth phase, respectively. In the seventh phase, results were verified by computational fluid dynamics analyses. In the final phase, using Matlab-Simulink modelling and simulation were performed on the role of sliding valve for different power outputs. Our results showed that as the first time it is possible to make flow rate control of Cros Flow Turbine by using sliding valve. It is also shown that using the sliding valve increased the efficiency up to 5% under flow rates of designed flow rate. The computational fluid dynamic analysis also showed similar results to our experimental data.

1 1. GĠRĠġ

Hidroelektrik enerji, yüksekten düĢen ya da akan suyun sahip olduğu potansiyel ve/veya kinetik enerjiden elde edilen elektrik enerjisidir. Günümüzde suyun sahip olduğu enerji hidrolik türbin ile mekanik enerjiye, mekanik enerjinin de türbin ile birlikte çalıĢan alternatör yardımı ile elektrik enerjisine dönüĢtürülmesi sonucu elektrik enerjisi elde edilmektedir. Hidroelektrik enerjinin elde edildiği tesislere hidroelektrik santral adı verilir, baraj Ģeklinde ya da nehir üzerine kuruludurlar. Küçük ve büyük ölçekli hidroelektrik santraller, en önemli yenilenebilir enerji kaynağıdır ve yeryüzünün elektrik ihtiyacının %19’unu karĢılamaktadırlar [2]. Büyük ölçekli hidroelektrik santraller Avrupa’da artık çevreci kabul edilmemekte ve kapasitelerini doldurmuĢ durumdadırlar. Ülkemizde ise, yıllardır tartıĢmalara neden gerek tarihi değeri olan yapıların, gerek verimli toprakların sular altında kalması nedenleriyle artık küçük hidroelektrik santrallere yatırım ve destekler artmaktadır. Genellikle nehir üzerine kurulan küçük ölçekli hidroelektrik santraller, az geliĢmiĢ ülkelerde, kırsal alanlar için fiyat – verim açısından en yüksek orana sahiptir ve çevre ile dost olan enerji teknolojisi olarak düĢünülmektedir [2].

Hidroelektrik santrallerin sınıflandırılması Tablo 1.1'de görülmektedir. Bu sınıflandırmadaki değerler, ülkelere göre farklılıklar gösterebilmektedir.

Tablo 1.1. Hidroelektrik santrallerin sınıflandırılması [3]

10 MW ≤ Büyük

1 MW < Küçük < 10 MW 100 kW < Mini < 1 MW 5 kW < Mikro < 100 kW

2

Mikro türbinler, bataryaların Ģarj edilmesi, küçük bir mahallenin enerji ihtiyacının karĢılanması gibi uygulamalarda kullanılmaktadır. Özellikle merkezi yerleĢim yerlerinden uzak, enerjinin ulaĢtırılamadığı kırsal yerler için uygundur. Küçük ölçekli tesislerde de (alabalık çiftliği, taĢ ocağı, vs.) kullanılabilirler.

lMini türbinler, bir bölgenin elektrik enerjisinin karĢılanması için kullanılabileceği gibi üretilen elektrik ulusal Ģebekeye de aktarılabilecek seviyelerdedir. Bir baraj inĢaatı ve baraj göleti gibi çevresel etkiler olmaksızın uygulanabilmektedir.

Diğer daha büyük güçlerdeki türbinler daha çok bir nehir yatağına kurulan ve her türlü baraj etkileĢimlerinin dâhil olduğu uygulamalardır. Türkiye'de Kurulu kapasitesi 100 MW’tan büyük iĢletmede olan baraj ve HES’ler (EK-A)'da sunulmuĢtur.

Son yıllarda küçük ölçekli hidroelektrik santrallerin kullanımı önemli miktarda artmıĢ ve artmaya devam etmektedir. Sadece Çin’de 100.000’e yakın küçük ölçekli santral bulunmaktadır [4]. Dünya nüfusunun %22’lik kısmının yaĢadığı yerlerde elektrik iletim hatları bulunmamaktadır. Bu rakamın % 85’i geliĢmekte olan ülkelerin kırsal alanlarında yaĢamaktadır. GeliĢmekte olan ülkelerin kırsal alanlarında ve özellikle dağlık bölgelerinde önemli rol oynayan mikro hidroelektrik santrallerde mekanik enerji direkt olarak kullanılabildiği gibi elde edilen elektrik, evlerde, sanayide, tarımda da kullanılabilmektedir.

Türbinden elektrik ilk olarak 1881 yılında Amerika’da Niagara ġelaleleri yakınlarında kurulan Schoelkopf güç istasyonunda üretilmiĢtir [5]. Türkiye’de ise kurulan ilk santral 1902 yılında Tarsus’ta 60 kW’lık santraldir [6]. Günümüzde en büyük hidroelektrik santralin Çin’de inĢaatı devam etmektedir. Three Gorges Dam’da Ģu an her biri 700 MW kapasiteli 26 alternatör faaliyettedir. 2011 yılında 6 alternatörün daha devreye alınmasıyla kapasitesi 22,4 GW’ a ulaĢacak santralde, net düĢü 113 m’ye kadar çıkabilmektedir [7].

Türkiye’de teknik olarak değerlendirilebilir hidroelektrik potansiyel, toplam potansiyelin % 30’u ve yıllık 140 GWh’tir. Toplam potansiyelin yarısı teorik olarak

3

değerlendirilemez, kalan % 20’lik kısmı ise henüz ekonomik olmamaktadır. Günümüz 2010 yılı itibariyle iĢletmede bulunan 172 adet HES, 14.417 MW kurulu güce sahip ve bu değer toplam değerlendirilebilir hidroelektrik potansiyelin % 38’ine karĢılık gelmektedir [8]. ĠnĢa halinde 148 adet ve 8.600 MW kapasiteli santral ile inĢaatına henüz baĢlanmamıĢ 1.418 santralin kurulumu ile 45.000 MW kurulu güç ile ortalama yıllık 140.000 GWh üretim hedeflenmektedir. Özel sektörün projeleri ile bu rakamın 150.000 GWh’a ulaĢacağı tahmin edilmektedir.

ÇeĢitli enerji kaynakları içerisinde hidroelektrik enerji santralleri çevre dostu olmaları ve düĢük potansiyel risk taĢımaları sebebiyle tercih edilmektedir. Hidroelektrik santraller; çevreye uyumlu, temiz, yenilenebilir, yüksek verimli, yakıt gideri olmayan, enerji fiyatlarında sigorta rolü üstlenen, uzun ömürlü, iĢletme gideri çok düĢük dıĢa bağımlı olmayan bir kaynak olmasının yanı sıra oldukça uzun ömürlüdürler. Küçük bakımlar ile en az 50 yıllık ömürleri vardır [1]. Balıklara zarar vermemek için balık geçiĢlerine müsaade edecek pasajlar, ultrasonik çalıĢmalar vb. devam etmektedir.

Arızalar, bakım-onarım, iĢletme politikası, kuraklık gibi sebeplerle enerji üretiminde kapasite kullanımı ülkemizde %73 civarındadır. Termik santrallerde %68, hidroelektrik santrallerde ise %94 oranında kapasite kullanımı mevcuttur. Enerji üretimimizin %25’i yenilenebilir kaynak olarak nitelendirilen hidrolik kaynaklardan, %75’i ise termik kaynaklardan üretilmektedir [8]. Türkiye’de teknik ve ekonomik olarak değerlendirilebilecek tüm hidroelektrik potansiyelin 2023 yılına kadar elektrik enerjisi üretiminde kullanılması planlanmıĢtır [8].

Bu tez kapsamında, yurdumuzda denize dökülen binlerce küçük dere ve çaylarımızın enerji potansiyelini değerlendirmek üzere değiĢik debideki akarsulara detaylı ek bir mühendislik çalıĢması gerektirmeden kolayca uygulanabilecek, modüler ve düĢük maliyetli mikro-hidroelektrik türbin sistemlerinin tasarımı ve geliĢtirilmesi hedeflenmiĢtir. Yukarıda bahsedilen % 62'lik henüz kullanılmayan hidroelektrik potansiyelin kullanılması yönünde önemli katkı sağlaması düĢünülen bu çalıĢma ayrıca ekonomik olarak görülmeyen hidroelektrik potansiyelin de daha ekonomik hale gelmesinde azımsanmayacak rol oynayacağı tahmin edilmektedir. Ülkemizde

4

kullanılmayan büyük potansiyelin kalmasının en önemli nedenlerinden birisi, türbinlerin ilk yatırım maliyetlerinin yüksek olması gelmektedir. Ülkemizde hidroelektrik potansiyelin değerlendirilmesi söz konusu olduğunda Pelton, Francis ve Kaplan tipi türbinler akla gelmektedir. Bu türbinlerin verimleri çapraz akıĢ türbinlerinden yüksektir. Fakat verim / ilk yatırım maliyeti oranı düĢünüldüğünde çapraz akıĢ türbinleri ön plana çıkmaktadır. Ülkemiz enerji politikası ile çapraz akıĢ türbinlerinin kullanılması da büyük bir uyum sağlamakta ve teĢvik edilmektedir.

Bu amaçla ilk olarak ülkemize uygun türbin tipi belirlenmesi amacıyla etüt çalıĢması yapılmıĢ, bu çalıĢmanın neticesinde “Çapraz AkıĢ” türbinlerinin uygun türbin olduğu belirlenmiĢtir. BaĢlıca nedenler ise çalıĢma bölgesinin sınırlarının çok geniĢ bir düĢü ve debi aralığını kapsaması, çalıĢma bölgesi en çok diğer türbinlerle kesiĢen türbin olması (kısmi olarak diğer türbinlerin çalıĢma bölgelerinde de kullanılabilmekte ve böylece birden fazla türbin için tasarım yapılmasına gerek kalmamaktadır), imalat kolaylığı ve ekonomiklik kriteri açısından tamamen yerli sermaye ile ve ucuza imal edilebilmesi ve kavitasyon [4] olmamasıdır.

Türbin tipi belirlendikten sonra, türbinin tasarımına geçilmiĢ, 16 kW’lık türbinin uygun olacağı kanaatine varılmıĢtır. Tasarımı yapılan türbinin imalatı (TEMSAN) Türkiye Elektromekanik Sanayi A.ġ.’ye yaptırılmıĢtır.

Bu esnada, Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü (GYTE), Çayırova kampüsünde, türbinin test edilebilmesi için deney düzeneği kurulum çalıĢmalarına baĢlanmıĢtır. Kurulum esnasında, sadece 16 kW’lık türbin için değil, benzer türbinler için de test düzeneğinin eksikliği fark edilmiĢtir. Bu nedenle türbin testleri için kurulan deney düzeneğinde, 15 m düĢüye, 3200 m3

/h (900 l/s) debiye kadar farklı çalıĢma aralıklarına sahip türbinler kolaylıkla test edilebilmektedir [EK-B].

5

2. HĠDROLĠK TÜRBĠNLER

Hidrolik türbinler, suyun sahip olduğu hidrolik enerjinin mekanik enerjiye dönüĢtürülmesinde kullanılan makinelerdir. Enerji dönüĢümü ekseni etrafında dönen çark ve üzerindeki kanatlarda meydana gelir. Suyun sahip olduğu düĢü ve debiye bağlı olarak maksimum verim için kullanılan çarkın geometrisi değiĢir. Buna göre değiĢik türbin tipleri ortaya çıkmıĢtır. Su türbinlerinin imalat maliyetini minimize etmek oldukça güçtür. Bunun baĢlıca nedeni her türbinin değiĢik düĢü ve debiye göre tasarım ve imal edilme zorunluluğundan kaynaklanmaktadır. Zira her türbinin çalıĢtığı düĢü ve debi birbirinden farklı olmaktadır.

Hidroelektrik Santralde kullanılacak türbin tipini belirleyen en önemli iki tasarım parametresi suyun düĢüsü (H) ve debisidir (Q). Üçüncü tasarım parametresi olarak ise devir sayısı (n) gelmektedir. Türbinler bu üç parametreyi kapsayan, benzerlik bağıntıları kullanılarak elde edilen ve karakteristik bir büyüklük olan özgül hız (nq) kullanılarak sınıflandırılırlar. En önemli sınıflandırma Ģekli türbin tipini belirleyen özgül hıza göre sınıflandırmadır. Özgül hız, geometrik benzerliğe sahip türbinlerde, birim debi ve düĢüde 1 BG güç veren türbinin devir sayısıdır [6]. Özgül hız, SI birim sisteminde nq ile gösterilmektedir.

Özgül hız, denklem 2.1 kullanılarak efektif güç ise (2.2) eĢitliği ile hesaplanır [9]:

(2.1)

 

P_e  _o_g (2.2)

Türbinlerin sınıflandırılması özgül hıza göre Tablo 2.1'de ve türbin tipine göre Tablo 2.2'de sunulmaktadır. 4 / 3 o q H Q n n 

6

Tablo 2.1. Türbinlerin Özgül Hıza Göre Sınıflandırılması [4, 10]

nq Türbin Tipi

1 - 17 Pelton veya Turgo 11 - 55 Çapraz AkıĢ 16 - 35 YavaĢ Francis 35 - 62 Orta hızlı Francis 62 - 125 Hızlı Francis 80 - 300 Kaplan

Yukarıdaki sınıflandırmada piyasada değiĢik isimlerle anılan tüm türbin isimleri mevcut değildir. Türbin konstrüksiyonuna göre değiĢik isimlerin kullanıldığı diğer türbinler yukarıdaki listedeki sınıflandırmalardan birisinin tipik bir uygulaması olup farklı olarak isimlendirilmiĢlerdir. Örneğin, Boru tipi ve S–tipi türbinler gerçekte prensip olarak bir Kaplan türbini uygulamasıdır. Temel türbin tipleri hakkında aĢağıda bilgi verilmiĢtir.

Türbin çarkına suyun giriĢ Ģekli artan özgül hızla birlikte radyal halden eksenel hale dönüĢür. Artan özgül hız, debinin artması ve/veya düĢünün azalması anlamındadır. DüĢük potansiyelde fazla debinin çarktan geçirilebilmesi düzgün eksenle bir akıĢ ile mümkün olmaktadır. Özgül hıza bağlı olarak çark geometrisinde değiĢim olmaktadır.

Tablo 2.2. Türbinlerin sınıflandırılması [11]

YÜKSEK DÜġÜ ORTA DÜġÜ ALÇAK _DÜġÜ

ETKĠ Pelton Turgo

Çok püskürtücülü Pelton

Çapraz akıĢ Turgo

Çok püskürtücülü Pelton

Çapraz akıĢ

TEPKĠ _{Türbin gibi çalıĢan pompalar} Francis Kaplan

7 2.1. Francis Türbini

1849 yılında James Francis tarafından geliĢtirilen Francis türbinleri, modern türbinlerin ilkidir. Reaksiyon tipi hidrolik türbinlerdir. Suyun basınç enerjisini kullanırlar. AkıĢ çark içinde radyal doğrultudadır. DüĢük ve orta büyüklükteki düĢülerde, orta büyüklükteki debilerde çalıĢırlar.

En yüksek verimi sağlayan özgül hız nq: 55 dolayındadır. Türbin büyüdükçe genel verim artar ve %95’lere kadar çıkar. Üniter güç değerleri (daha büyük güçteki istisnaları olmakla beraber) günümüzde 700 MW civarlarındadır ve 20 m düĢüden 700 m düĢülere kadar çalıĢabilmektedir. Ünite baĢına en büyük gücü verebilen türbinlerdir. Bu nedenle büyük hidroelektrik santrallerde tercih edilirler. Su, salyangoz Ģeklindeki parçadan çark kanatlarına radyal doğrultuda yönlendirilir ve eksenel doğrultuda yayıcı ile dıĢarı atılır.

ġekil 2.1: Francis türbini çarkı imalatı [12]

Çark imalatı hem ileri teknoloji gerektirmekte hem de boyutlarının büyüklüğünden dolayı geniĢ yer ve imkânlar gerektirmektedir. Bu konuya bir örnek ġekil 2.1’de görülmektedir. Amerika BirleĢik Devletleri'ndeki, Grand Coulee Dam'da kullanılmakta olan, 700 MW elektrik üretmekte iken, yapılan iyileĢtirmeler neticesinde 805 MW'a çıkarılan bir Francis türbini çarkı görülmektedir.

8 2.2. Pelton Türbini

1870'li yıllarda Lester Pelton tarafından keĢfedilen Pelton türbini, aksiyon tipi hidrolik türbinlerdendir. Suyun kinetik enerjisini kullanmaktadırlar. Bu türbinler debinin küçük ve düĢünün yüksek olduğu durumlarda tercih edilmektedirler. DüĢü değerleri 2000 m’lere kadar ulaĢabilmektedir. Özgül hızları ise küçüktür. Su bir lülede hızlandırılarak çarka yönlendirilir. Türbinin giriĢ ve çıkıĢı arasındaki enerji farkı esas olarak kinetik enerji farkına karĢılık gelir. Diğer bir deyiĢle suyun çarka giriĢ ve çıkıĢtaki basınçları pratik olarak birbirine eĢittir. Yani reaksiyon derecesi sıfırdır [13].

ġekil 2.2: Pelton türbini ve alternatör grubu [14]

Pelton türbinlerinin çarkları büyüklük bakımından oldukça geniĢ bir aralıktadır. ġekil 2.2'de Pelton türbini çarkı, püskürtücü ve alternatör grubu görülmektedir. Kanatları yan yana iki kepçe veya kovandan oluĢmaktadır ve keskin bir köĢe ile birbirinden ayrılmıĢtır. Püskürtülen su keskin kenar üzerinde iki kısma ayrılır, yön değiĢtirerek teğet olarak kanat alanı üzerine vurur ve çarkın devrine göre kinetik enerjisini bırakır. Her çift kepçe, dıĢ kısmında diĢli vaziyettedir. Bu tarz sıralamanın amacı, püskürtülen suyun püskürtme yönüne hissedilir derecede dikey olmadan kanada çarpmasını önlemektir [15].

9 2.3. Çapraz AkıĢ Türbini

Çapraz akıĢ türbini temel olarak çark, lüle, ayar kanadı ve gövdeden ibaret dört parçadan oluĢur. Cebri boru ile türbine taĢınan su daralan kesitli lüleden geçirilerek hızı artırılır. Ayar kanadı ile istenen debi sağlanır. Su yüksek hızda çark kanatlarına teğetsele yakın bir Ģekilde yönlendirilir.

Çapraz akıĢ türbininin önemli bir avantajı konstrüksiyonunun basit ve imalatının kolay ve ucuz olmasıdır. Yapısının basit oluĢu aynı zamanda iĢletim maliyetlerini de düĢürmektedir. Ayrıca sık bakım gerektirmez ve bakımı kolaydır. Bu türbin temel olarak bir etki (aksiyon) tipi türbindir, yani suyun kinetik enerjisini kullanan bir türbindir, bu nedenle rotor boyunca basınç sabit kalmaktadır [16].

ġekil 2.3: Klasik çapraz akıĢ türbini parçaları [17]

ġekil 2.3’te ana hatları verilen çapraz akıĢ türbininin numaralandırılmıĢ parçalarından 1, 5: Gövde, 2: Ayar kanadı, 3: Çark, 4: Yataklar, 6: Hava giriĢ parçası (emniyet supabı), 7: Su boĢaltma kısmı, 8: Türbin giriĢ parçası Ģeklinde gösterilmekdir.

10

Tablo 2.3: Çapraz akıĢ türbinlerinin çalıĢma aralıkları [10, 18]

DüĢü (m) Debi (lt/s) Güç (kW) Özgül Hız (𝑛_𝑞)

3 – 200 25 – 13000 1 – 2000 11 - 55

Tablo 2.3'te düĢü, debi, güç ve özgül hız açısından çapraz akıĢ türbinlerinin çalıĢma aralıkları, ġekil 2.4'te ise yük oranlarına göre türbin verimleri ve bu verimlerin Francis türbini verimi ile mukayesesi sunulmaktadır.

ġekil 2.4: Çapraz akıĢ türbinlerinde verim – yük oranı grafiği [18]

Bu türbinler genellikle aynı mil üzerinde, sadece 1:2 oranında uzunlukları farklı iki türbinden oluĢacak Ģekilde imal edilirler. Böylece gelen debiye göre 1/3, 2/3 ve ikisinin birden çalıĢması durumunda da 3/3 debi oranlarında çalıĢabilirler [18]. Bütün Banki türbinlerinde geçerli olan hız üçgenleri, tasarımı yapılan türbinin boyutları ile birlikte ġekil 3.1'de sunulmuĢtur.

11 2.4. Kaplan Türbini

1913 yılında Viktor Kaplan'ın, Francis türbininden hareketle ortaya çıkardığı reaksiyon tipi hidrolik türbinlerdendir [19]. Kaplan türbinlerinde özgül hız (nq) arttıkça akıĢ eksenel doğrultu kazanır. Özgül hız, 135'ten büyük ise akıĢ tamamen eksenel bir durum gösterir. Özgül hız, debi ile orantılı olduğundan, yüksek özgül hıza ulaĢıldığında debi de yüksek olmaktadır. Artan debi ile sürtünme kayıpları da artar. Sürtünme kayıplarını azaltmak için Francis türbinlerindeki çark kanatlarını dıĢtan saran çember kaldırılır. Böylece gemi uskuruna benzer bir çark elde edilir. Çark kanatları (palalar) sabit ise bu tip türbinlere uskur çarklar veya türbinler denir.

ġekil 2.5: Kaplan türbini çarkı [20]

Yüksek özgül hızlarda kısmi yüklerdeki verimi düzeltebilmek için ve farklı yük ve düĢülerde düzgün çalıĢmanın sağlanması için palalar ayarlanabilir yapılmaktadır. Bu Ģekilde verimde düĢme olmaksızın özgül hız (nq) 300 değerine kadar yükseltilebilmektedir. Palaların açılarının ayarlanabildiği bu türbinler ise Kaplan türbinleri olarak bilinir. Kaplan türbinleri genelde alçak düĢü ve yüksek debi türbinleridir. DüĢü değerleri 1–30 m aralığında olabilir. Önemli bir avantajları aynı düĢü ve debi değerleri için (özgül hızın büyük olmasından dolayı) türbin daha yüksek bir hızda çalıĢtığından türbin ve alternatör boyutları küçülür. Bu yüzden kesiĢim bölgelerinde Francis türbinlerinden daha çok tercih edilirler. Dezavantajları ise kavitasyon direncinin az olması, bu türbinlerin kullanılabileceği düĢü sınırını küçük

12

tutmaktadır. Bir Kaplan Türbini çarkı ve çark içerisinde suyun akıĢı ġekil 2.5'te görülmektedir.

2.5. Hidrolik Türbinlerin Mukayesesi ve Seçim Kriterleri

Her türbin tipinin uygulanabildiği ve verimli olarak çalıĢtığı belirli çalıĢma Ģartları vardır. Bu çalıĢma Ģartlarının sınırları düĢü ve debi değerleriyle çizilmiĢtir. Türbinlerin çalıĢma bölgeleri, daha çok düĢü–özgül hız veya düĢü–debi grafikleri üzerinde değerlendirilmektedir.

Küçük ölçekli HES’lerde kullanılabilecek türbinler için değiĢik kıstaslara göre değerlendirmeler aĢağıya listelenmiĢtir.

2.5.1. ÇalıĢma bölgesi kesiĢim kriteri

Diğer bir değerlendirme kriteri olarak, çalıĢma bölgesi en çok diğer türbinlerle kesiĢen türbin olarak alınabilir. Bu kritere göre, ġekil 2.6’da da görüldüğü üzere, Çapraz akıĢ türbini diğer türbinlerle en çok kesiĢim bölgesi olan türbin olarak ön plana çıkmaktadır. Alçak düĢü ve debilerde çalıĢabilme açısından sadece Kaplan türbinlerinin kullanılabildiği bölgeyi de içine almaktadır. Diğer taraftan Francis türbinlerinin kullanıldığı orta düĢülerde ve kısmi olarak Pelton türbinlerinin kullanıldığı yüksek düĢülerde de kullanılabilmektedir.

Bu kriterle birlikte Ģu önemli hususun altı çizilmelidir. Tasarlanan bir türbin tipi, kısmi olarak diğer türbinlerin çalıĢma bölgelerinde de kullanılabilmekte ve böylece birden fazla türbin için tasarım yapılmasına gerek kalmamaktadır. Ancak, bir türbin tipi ile diğer türbinlerin tüm çalıĢma bölgesinin kapsanamayacağı da unutulmamalıdır.

Hatırda tutulması gereken diğer bir önemli husus ise, her türbinin kendi çalıĢma bölgesinde performanslı olarak kullanılabileceğidir. Örneğin çok yüksek düĢü ve küçük debi değerleri için uygun olan Pelton türbini yerine bir baĢka türbin tipinin

13

kullanılması, kanat profillerinin konstrüktif olarak imalatını çok zor hale getirmesinin yanında türbin verimi de çok düĢük olacaktır.

2.5.2. ÇalıĢma bölgesi geniĢliği kriteri

Türbinler en geniĢ düĢü ve debi aralığında kullanılabilme açısından karĢılaĢtırıldığında, türbinlerin taradıkları çalıĢma alanları, ġekil 2.6’da eĢdeğer seviyelerde gözükmektedir. Çapraz akıĢ türbininin çalıĢma bölgesinin sınırlarının geniĢ bir düĢü ve debi aralığını kapsadığı göze çarpmaktadır [10].

ġekil 2.6: Su türbinlerin debi ve düĢüye göre çalıĢma aralıkları [21]

Michell-Banki Kaplan Francis Pelton Turgo

14 2.5.3. Ġmalat kolaylığı ve ekonomiklik kriteri

Bütün türbin tiplerine göre imalatı en kolay ve ucuz olan türbin Çapraz akıĢ türbinidir. Bu tip türbinler tamamıyla kaynak konstrüksiyon ile imal edilebilecek bir çark geometrisine sahiptir. Döküm veya çok özel imalat yöntemlerini gerektirecek bir parçası yoktur. Sadece ayar kanadı ve lüle kısmı için istenen profillerin imalatı biraz hassasiyet gerektirir. Kanatları gerektiğinde istenen açı ve çapa uygun boru malzemesinden de kesilebilir. Sıradan bir atölyede özel makineler gerektirmeden kolaylıkla ve tamamen yerli sermaye ile imal edilebilir.

2.5.4. Kavitasyon kriteri

Kavitasyon, hidrolik makinelerde tasarımı sınırlayan önemli bir parametredir. Bir sıvı akımının mutlak basıncı, sıvının ilgili sıcaklıkta buhar basıncının altına düĢtüğünde, akımda küçük gaz kabarcıkları oluĢmaya baĢlar. Bu kabarcıklar, hidrolik makine tarafından basıncın yüksek olduğu bölgeye sürüklenerek 0.03 saniye gibi çok kısa bir sürede patlayarak içlerindeki sıvı buharı yoğuĢur, hava ve diğer gazlar da yeniden akıĢkan içerisinde erir. Sadece sıvı akımlarında meydana gelebilen bu olaya kavitasyon denmektedir [22]. Gaz kabarcıklarının patlamasıyla boĢalan hacimlerin sıvı tarafından aynı hızla doldurulması, basıncın çok yüksek değerlere ulaĢmasına ve titireĢimlere neden olmaktadır.

AkıĢkanın buharlaĢma basıncı sıcaklık ile de değiĢtiğinden, akıĢkanın sıcaklığı da kavitasyonu etkilemektedir. Yüksek sıcaklık kavitasyon tehlikesini artırmaktadır. Tablo 2.4'te suyun buharlaĢma basıncının sıcaklık ile değiĢimi görülmektedir.

Tablo 2.4: Su için sıcaklığa bağlı buharlaĢma basıncı değerleri [23]

Sıcaklık (°C) 20 40 60 80 100

BuharlaĢma Basıncı (bar) 0.02337 0.07375 0.19920 0.47360 1.01330

Kavitasyonun baĢlıca etkileri ve önemi ise; i. Çekiç darbelerine benzer Ģiddetli gürültü,

15

iii. Debi, düĢü veya basma yüksekliği, güç ve verim gibi performans değerlerinde önemli ölçüde ve çok hızlı düĢüĢler,

iv. Hidromekanik performansta düĢüĢ ve cidarlarda aĢınma olarak sıralanabilir.

Çapraz akıĢ ve Pelton türbinleri kavitasyonun olmadığı türbinlerdir. Olsa olsa kanat yüzeylerinde çok yerel kavitasyon olabilir ki buda düĢük seviyelerdedir. Ancak su darbesi sebebiyle yıpranma Ģimdiye kadar bildirilen zararlardandır. Kavitasyonun olmaması; türbin kanatlarının aĢınmaması, dolayısıyla daha ucuz malzemeden imal edilebilmesine olanak sağlamakta ve bakım masraflarının düĢük olması anlamındadır. Bakım masraflarının düĢük olmasının yanı sıra, bakım süresince iĢletmeden uzaklaĢma gibi durumlar da minimum seviyeye inmektedir. Francis ve Kaplan tipi türbinlerde ise kavitasyon tasarımı sınırlayan en önemli parametrelerden biri olarak dikkate alınmak zorundadır.

2.5.5. Verim kriteri

Mevcut türbin tiplerinin yük–verim grafikleri aĢağıdaki Ģekilde gösterilmiĢtir. Tam yükte tüm türbin tipleri 0.90’a varan verim değerlerine ulaĢabilmektedir. Bu noktada Francis türbini en yüksek verim değerine sahiptir. Ancak kısmi yüklerde türbinlerin verim değerleri çok değiĢim göstermektedir. Kısmi yük durumu pratik olarak, üniteden istenen gücün düĢük olması veya su debisinin düĢmesi durumunda karĢılaĢılabilecek bir durumdur. Su kaynağının azalması durumlarında ve su stoklarının verimli kullanılması açısından kısmi yüklerde de verimin yüksek olması istenir. Yani tüm yüklerde yatık bir verim eğrisi istenen bir özelliktir.

Yük–verim grafiklerinde Pelton, Kaplan, düĢük hızlı Francis türbinleri kısmi yüklerde de yüksek verimli türbinler olarak dikkati çekmektedir. Fakat Bölüm 2.2’de de belirtildiği gibi verim kriteri açısından çapraz akıĢ türbini verim eğrisinin yatay olması nedeniyle kısmi yüklerde daha avantajlı olmaktadır.

16 3. ÇAPRAZ AKIġ (BANKĠ) TÜRBĠNĠ

Bölüm 2.3'te kısa bilgi verilen çapraz akıĢ türbinleri tarihçesi ve günümüze kadar yapılan çalıĢmalar bu kısımda anlatılmaktadır. Diğer türbinlerde akıĢ, eksenel ya da radyal olurken, bu türbinler akıĢın çapraz olması bakımından diğer türbinlerden farklıdır. Su çarka iki kez çarpar. Bu yüzden iki kademeli türbin olarak da bilinir ve bu özellik sadece çapraz akıĢ türbininde mevcuttur. Suyun çarktan ikinci geçiĢ merkezden dıĢa doğru, yani birinci geçiĢin tersi yönde olduğundan kanatlar arasında olabilecek yabancı madde sıkıĢmaları da önemli ölçüde önlenmiĢ olur. Bu özelliğinden dolayı kendi kendini temizleme özelliğine sahiptir. Ġki kere kanatlara çarpan su, her iki kademede de enerjisini türbine vermektedir. Enerji transferinin % 72’si birinci kademede olurken, % 28’lik kısmı ikinci kademede gerçekleĢir [24]. DüĢük hız makineleridir, kullanım alanları oldukça geniĢtir.

ġekil 3.1: Çapraz akıĢ türbini parçaları ve suyun çark içerisinde takip ettiği yol

Su AkıĢı

Ayar Kanadı

Mil

17

Suyun çark içerisindeki hareketini gözlemlemek amacı ile yapılan bir CFD analizinin bir görüntüsü ġekil 3.1'de gösterilmektedir. Çapraz akıĢ türbini hız üçgenleri ise ġekil 3.2'de görülmektedir. Su türbine A noktasından girmekte ve D noktasından türbini terk etmektedir.

ġekil 3.2: Çapraz AkıĢ türbini hız üçgenleri [24]

AkıĢa karĢı oluĢan direnci azaltmak amacıyla kanatçıkların uçları inceltilmektedir. Kanatlar, bir borunun uzunlamasına ortadan kesilmiĢ ve uçları paralel disklere kaynatılmıĢ Ģekildedir. Ayar kanadı bir vana gibi çalıĢarak türbin debisini ayarlamaktadır. Türbinin maksimum verimi diğer türbinlerden daha düĢüktür, fakat verim eğrisi değiĢken yüklerde yatık olduğundan çok tercih edilen bir türbin çeĢididir. Nehir debileri bazı aylarda düĢmektedir. Böyle durumlarda yüksek maksimum verim fakat düĢük kısmı yük verimine sahip türbinlerin yıllık

A

B

C

18

performanslarının daha düĢük olduğu görülmüĢtür. Su, türbini terk ederken yaprak, çimen gibi atıkları bırakmadığı için temizlemek gereği oluĢmadığı gibi verim düĢmesine neden olan tıkanıklıklar da söz konusu olmamaktadır. Dolayısıyla daha düĢük verimine rağmen daha güvenilir türbin çeĢididir.

3.1. Çapraz AkıĢ Türbini Tarihçesi

Mikro hidroelektriğin temelinde ahĢap değirmen çarkları yatmaktadır. Çarklar, değirmen olarak genellikle buğday öğütmek amacı ile Avrupa ve Asya’nın birçok ülkesinde yaklaĢık 2000 yıldır kullanılmaktadır. Ġlk hidroelektrik santral 1881 yılında Amerika BirleĢik Devletleri’nde büyük debili bir nehir üzerine kurulmuĢtur [6].

Çapraz akıĢ türbini olarak Türkçesi bilinen türbin üç farklı Ģekilde adlandırılmaktadır. Üç isim de yaygın olarak kullanılmaktadır. ÇalıĢma prensibinden ötürü, çapraz akıĢ (Cross-Flow) türbini denmektedir. Türbin diğer isimlerini ise kâĢiflerinin isimlerinden almıĢtır. Avustralyalı Antony Michell ve Macar Donat Banki’den dolayı “Michell-Banki Türbini”, Alman Fritz Ossberger’den dolayı da “Ossberger Türbini” olarak da adlandırılmıĢtır. Antony Michell, 1903 yılında türbinin tasarım patentini almıĢtır ve türbin Weymouth firması tarafından imal edilmiĢtir [5]. 1917 yılında Donat Banki, türbinin parametrelerini belirlemiĢtir [25]. Banki’nin türbini Almanya’da “German Museum”da sergilenmektedir. Bu türbin, 8 inç çapında, yaklaĢık 4 inç geniĢliğinde ve 40 kanattan oluĢmaktadır. Ossberger, 1933 yılında kendi özgün fikirlerini de ekleyerek türbinin patentini almıĢ ve seri üretime geçmiĢtir. Bugün Ossberger firması, bu türbinlerin imalatını yapan lider kurumdur.

3.2. Çapraz AkıĢ Türbini Ġle Ġlgili Yapılan ÇalıĢmalar (Literatür Taraması)

Literatürde Çapraz akıĢ türbinleri konusunda yapılan çalıĢmalarının baĢında, bu konuda ilk çalıĢma ve yayın olan, Donat Banki tarafından yapılan yayın gelir [25]. Bu çalıĢmada türbinin ilk teorisi verilmiĢ olup, birtakım büyüklüklerin de hesaplanma yöntemleri verilmiĢtir. Çapraz akıĢ türbinleri üzerine yapılan ilk deneysel çalıĢmada, Donat Banki’nin teorisini verdiği türbinin tasarım ve kurulumu

19

yapılarak, türbinin karakteristik eğriler ve dağ eğrileri Macmore ve Merryfield tarafından elde edilmiĢtir [24]. 1949 yılında yapılan bu çalıĢma daha sonra yapılan hemen bütün çalıĢmalar için bir referans olmuĢtur. Banki’nin yayınını açıklayıcı, öğretici ve uygulaması olması nedeniyle temel bir çalıĢmadır. Haimerl, 1960 yılında türbinin parçalarını, iĢletme koĢullarını, yataklanmasını teorik olarak vermiĢtir ve Francis türbini ile verim ve ekonomiklik açılarından mukayese etmiĢtir [26]. Chappell, 1983 yılında, türbinin pleksiglas plastik borulardan imal edilebileceğini ve 100kW altı kapasitelerde imalat maliyetini yarı yarıya düĢüreceğini belirtmiĢtir [27]. Simpson, 1983’te, kendi kendini temizleyebilen, geniĢ düĢü ve debi aralıklarında çalıĢabilen ve imalatı kolay türbin olduğunu göstermiĢtir. Bu özelliklerinden dolayı, 1.5m’den büyük düĢülerde nehir üzerine kurulan santraller için mükemmel türbin olduğunu söylemiĢtir [28]. Hothersall, türbinin 40 - 200 olan özgül hızın sadece türbinin geniĢliğinin değiĢtirilmesi ile elde edilebileceğini göstermiĢ. Bu durumun neticesinde, türbin çarkının parçalı yapılmasını önermiĢ, neticesinin akıĢtaki dalgalanmanın kötü etkisinin bertaraf edileceğini ve 30m ile 40m arasındaki düĢülerde en az 100kW güç elde edileceğini iddia etmiĢtir [29]. Intermediate Technology Development Group (ITDG) adı altında bir grup araĢtırmacı; geliĢmekte olan ülkelerde mikro hidroelektrik güç çalıĢmaları yapmıĢ ve imalatı içi en uygun yerlerin Nepal, Pakistan ve Tayland olduğunu bulmuĢlardır. Türbin Nepal’de, öğütücü, yağ çıkartma için güç sağlamakta ve ayrıca kırsal alanlar için elektrik elde etmede kullanılmaktadır [30]. Thapar ve Anderson (1984): Türbinde kavitasyon olmadığını fakat türbine gelen suda bulunuyorsa kum zerreciklerinin de bu etkiyi yapabileceğini bulmuĢlardır. Pazout (1984); Kısa sürede türbin imalatı yapabilen Çekoslovakya’dan (Çek Cumhuriyeti ve Slovakya’nın ayrılmadan önceki isimleri) iki giriĢimci ismi vermiĢtir; Metaz Tynek ve Kovopodrik Brno. Bu firmaların 30 kW’a kadar türbinler ürettiklerini söylemiĢlerdir. Smith (1985); Kongo Cumhuriyetinde, Türbinin teknik tasarım ve kullanımı ile ilgili çalıĢmalar yapmıĢtır. Nakase, türbinin karakteristik bazı değerlerinin verim üzerine etkilerini deneysel olarak incelemiĢtir [31]. Nakase ve Fukutomi, aynı çarkla iki farklı giriĢ ağzını deneyerek debiye bağlı olarak gücün kontrolüne ayar kanadının etkisini incelemiĢlerdir [32].

20

Yapılan birçok çalıĢmada ise akım çizgileri sonlu elemanlar analizi ile incelenmiĢtir. Genel olarak Çapraz akıĢ türbini üzerine yapılan çalıĢmalarda ise türbininin boyutları, teorisi, karakteristik eğrileri, akımın giriĢ ve çıkıĢta teorik olarak incelenmesi, basınç dağılımlarının ölçülmesi ile türbinin iĢletme Ģartları incelenmiĢtir. Son yıllarda ise daha çok çark ve giriĢ ağzı deneysel ve teorik incelenmeye baĢlanmıĢtır. Olgun, Çapraz akıĢ türbininin tasarım parametrelerini ve iĢletme özelliklerini deneysel, giriĢ ağzı çıkıĢındaki serbest huzme yörüngesinin belirlenmesi üzerine de teorik çalıĢmalar yapmıĢtır [33]. Yine Olgun, Çapraz akıĢ türbini performans araĢtırması yapmıĢtır [34].

Choi, Y.D. ve ark., Türbinin hem yapısal hem de performans analizini yapmıĢlardır [35]. Ticari bir CFD kodu kullanılarak, kanatcık açısının değiĢimi ile türbin performansı analiz edilmiĢ ve bu analizler yardımı ile türbinin yapısal analizi yapılmıĢtır. Sonuçlarında, giriĢ ve çıkıĢ açılarının türbin performansında önemli derecede etkili olduğu gösterilmiĢtir. Rotor kanatlarındaki basıncın, hem 1. hem de 2. kademedeki kanat açıları ile önemli ölçüde değiĢtiği, akıĢkan hızı ile değiĢiminin ise çok küçük olduğu görülmüĢtür. Türbinin ortasındaki boĢlukta meydana gelen suyun karıĢmasının hidrolik kayıp oluĢturarak, türbin veriminin önemli derecede düĢmesine neden olduğunu göstermiĢtir. Daha önce Zhao’nun deneysel çalıĢmalarla %76,2 elde ettiği verim, bu çalıĢmacılar tarafından nümerik olarak %65,7 bulunmuĢtur. Toplam elde edilen güç ise 0,59kW yerine 0,51kW bulunmuĢtur. Fakat bu çalıĢma tek fazlı yapılmıĢtır. Zhao’nun deneysel incelediği türbin iki fazlı olmasına karĢın, hesaplamalarda kolaylık sağlayacağı için tek fazlı incelemiĢlerdir. Maksimum verimler arasında %10,5’lik bir fark oluĢmuĢtur. Ġkinci faz olarak hava olmaması durumunda türbin boĢluklarında girdaplardan dolayı suyun karıĢması verimi önemli derecede düĢüreceği, ayrıca havanın; türbin milinde çarpıĢma kayıplarını azatlaması ile türbin verimine katkı sağlayacağı gösterilmiĢtir.

Aynı kiĢiler, diğer bir çalıĢmalarında ise en uygun giriĢ ağzı Ģeklini belirlemeye çalıĢmıĢlardır. Nümerik yöntemler kullanılarak türbin performans karakteristiklerinin simültane olarak etki ve tepki türbini olduğu gösterilmiĢtir [36] .

21

Su jeti, türbin gövdesinin sadece bir kısmından geçtiği için türbindeki iç akıĢ çok karmaĢıktır. Bu tip türbinler Banki’nin teorisi ve deneye dayalı formülleriyle tasarlanmaktadır. Fukutomi, J., Y. Senoo, and Y. Nakase ise bu çalıĢmalarında, türbin içindeki akıĢın iki boyutlu analizini yapmıĢlardır. Gövdeye bağlı sistemde akım çizgileri boyunca kararsız akıĢ, nümerik olarak hesaplamıĢ ve gövde boyunca akıĢ özellikleri incelenmiĢtir. Buna ilaveten sonuçlar, deneysel sonuçlar ile karĢılaĢtırılmıĢ ve çok iyi bir uyum olduğu gösterilmiĢtir. Ayrıca, gövde boyunca akıĢın üniform olmadığı açık bir Ģekilde gösterilmiĢtir [37].

Desai, V.R. and N.M. Aziz, bazı geometrik parametrelerin, türbin verimine etkisini deneysel olarak incelemiĢlerdir. Türbin modelleri 3 farklı kanat sayısı, 3 farklı giriĢ açısı ve 3 farklı çap oranı ile sınırlandırılmıĢtır. 3 farklı giriĢ açısını sağlamak için giriĢ ağzı geometrisi de deneylerde sınırlandırılmıĢtır. 27 kanat, 3 farklı giriĢ ağzı ile test edilmiĢtir. Deney sonuçları, açık bir Ģekilde, artan kanat sayısı ile verimin arttığını göstermektedir. Bunun da ötesinde, 24 dereceden daha büyük giriĢ açıları ile maksimum türbin verimini elde edilememesinin de sonucu olarak, 24 derece giriĢ açısı için en verimli çap oranı 0,68 olarak belirlenmiĢtir. Daha büyük giriĢ açılarında, çap oranının 0,60 dan 0,75’e çıkması ile maksimum verimin azaldığı görülmüĢtür [38].

Fiuzat, A.A. and B.P. Akerkar, bir çapraz akıĢ türbininin iki kademesindeki elde edilen güçleri belirlemek amacıyla çalıĢmalar yapmıĢlardır. Bu çalıĢmalar için özel bir türbin tasarlanıp imal edilmiĢtir. Türbinin özelliği ise akıĢı rotorun içine yönlendiren yardımcı bir mekanizma ihtiva etmesidir. Elde edilen gücün dağılımını belirlemek için, yönlendiricili ve yönlendiricisiz deneyler yapılmıĢtır. Ölçümler, yardımcı mekanizmadan, giriĢ ağzına karĢı basınç oluĢturmadığı emin olunduktan sonra yapılmıĢtır. 1. kademedeki güç dağılımı, yönlendirici monte edilmiĢ Ģekilde belirlenmiĢtir. Toplam güç ise, yönlendirici olmaksızın belirlenmiĢtir. Bu iki durum arasındaki denge ise ikinci kademedeki güç dağılımıdır. Sonuç olarak ikinci kademede elde edilen gücün, literatürdeki analitik değerlerden daha fazla olduğu ve ikinci kademe performansında iyileĢtirme çalıĢmaları yapılması durumunda, türbin veriminin artacağını göstermiĢtir [39].

22

Franjic, K., çalıĢmasında çapraz akıĢ türbinini tanımlamıĢ ve temelde teorik olarak aynı fakat bazı prensipleri farklı olan Ossberger ve Cink türbinlerini mukayese etmiĢlerdir. Mukayese sonucunda, temel kontrol özellikleri ve verimleri arasındaki farklılıkları tablo halinde sunmuĢlardır [40].

Khosrowpanah, bu türbinler üzerinde doktora çalıĢması yapmıĢ, çapraz akıĢ türbini konusunda çok önemli bir araĢtırmacıdır. Khosrowpanah, kanat sayısının, çark çapının ve debi/düĢü değiĢimlerinde giriĢ açısının verime olan etkilerini deneysel incelemiĢlerdir. ÇalıĢmasında, 6 inç çapında 4 farklı çark denemiĢtir. Bu çarklara akıĢ dikey olarak 58°,78° ve 90° açılarında girmektedir. Sonuçlarda her bir giriĢ ağzı açıklıklarında, değiĢik debi/düĢü varyasyonlarında çarklar, boyutsuz parametreler ile mukayese edilmiĢtir [41]. ÇalıĢmasının sonuçlarından baĢlıca önemlileri aĢağıda sunulmaktadır.

 Türbin maksimum veriminin, giriĢ ağzı açısının 58°’den 90°’ye artması ile artacağı ve sabit çark geniĢliğinde, çark çapındaki küçülme ile düĢük oranda azalacağı sonucuna varılmıĢtır.

 Bu çalıĢmalardaki bütün maksimum verimler daima, sabit giriĢ geniĢlik oranı için aynı birim hızda elde edilmiĢtir.

 Deneylerde kullanılan çarklarda maksimum verim, 0.54 hız oranında elde edilmiĢtir.

 Çark hızı, giriĢ açısının ve kanat sayısının artması ile azalmakta, verilen çark geniĢliğinde, çark çapının azalması ile artmaktadır.

 Anlık en yüksek birim güç, maksimum verimin elde edildiği birim hızdan az daha düĢük bir hızda elde edilmiĢtir.

 Khosrowpanah tarafından yapılan bu deneysel çalıĢmalarda kanat sayısı, verime ve türbinden elde edilen güce etki eden makul bir parametre olmuĢtur. Khosrowpanah, çalıĢmalarında, 12 inç çapında bir çark için en uygun kanat sayısı 15 olarak belirlenmiĢtir.

 Her bir giriĢ ağzı açısı için, sabit debide, kanat sayısındaki azalma ile toplam basıncın ve statik basıncın azaldığı görülmüĢtür.

23

 Kanat geniĢliğinin, kanat boĢluğuna optimum oranını 90° giriĢ ağzı açısı için 1.03 olarak elde etmiĢtir.

Khosrowpanah ve arkadaĢları; Türbinin teorik ve deneysel olarak tarihsel geliĢimini incelemiĢ, imalatının kolay oluĢundan dolayı kırsal alanlarda kolaylıkla imal edilebileceğini söylemiĢlerdir. Türbine girecek olan çöplerin, türbin çarkının yarım dönüĢünden sonra girmeye çalıĢtıkları, türbin çıkıĢının ise akımın ekolojisine oksijen açısından fayda sağladığı ve bu türbinlerde kavitasyon olmadığını göstermiĢlerdir [42].

Khosrowpanah ve arkadaĢları, Khosrowpanah ve Fiuzat ve arkadaĢları [39] tarafından yapılan bu deneysel çalıĢmaların sonucu olarak, giriĢ açısı ve çap oranındaki artıĢ ve kanat sayısındaki azalma ile birim debinin artacağı sonucuna varılmıĢtır.

Panasyuk ve arkadaĢları; Orta Asya’da, bölgesel enerji kaynaklarını kullanarak dağlık bölgeler için alternatif enerji temini üzerinde çalıĢmalar yapmıĢlardır. Bu çalıĢmalarında, rüzgâr enerjisi, güneĢ enerjisi, içten yanmalı motor ve hidroelektrik enerji kullanmıĢlardır. En kullanıĢlı olarak, hidroelektrik enerji ön plana çıkmıĢtır ve bu nedenle 3 farklı kapasitede türbin tasarlamıĢlardır. Türbin kontrolünde zorluk yaĢamıĢlardır. Mikro hidroelektrik santral çalıĢmaları yapmıĢlardır ve sonuçlarında küçük düĢü bölgeleri için Uskur, daha büyük düĢüler için Çapraz akıĢ türbinlerinin en uygun olduğunu belirtmiĢlerdir [43].

Türbindeki iç akıĢın üniform olmaması nedeniyle çalıĢma yapan bir diğer çalıĢmacı grubu olan Fukutomi ve arkadaĢları, dönme boyunca kanatlardaki değiĢken olan akıĢkan kuvvetlerini deneysel ve teorik olarak incelemiĢlerdir. Deneysel çalıĢmalarda, bir test kanadındaki teğetsel ve radyal kuvvetler, gerilim ölçer ve kayan halka yardımı ile ölçülmüĢtür. Teorik çalıĢmalarda, değiĢken momentum teorisi ile bu kuvvetler nümerik olarak incelenmiĢtir. Deneysel ve teorik sonuçlar karĢılaĢtırıldığında iyi bir uyum olduğu görülmüĢtür. En yüksek kuvvetin, kanatların giriĢinin hemen öncesinde oluĢtuğu, hem deneysel hem de teorik sonuçlarda görülmüĢtür [44].

24

Kpordze; hidrolik türbin seçimi için yeni bir yöntem önermiĢtir. 174 türbin için çalıĢmalar yapıp, regresyon analizi yaptıktan sonra Çapraz akıĢ türbinleri için Tablo 3.1'de verilmiĢtir [45]:

Tablo 3.1: Kpordze'nin türbin tasarımında kullanılması tavsiye ettiği denklemler [45]

𝐷 = 0.329 𝑃 𝐻 0.275 𝐷 = 1.730 𝑄 𝐻 0.191 𝐷 = 0.814 𝐻 𝑄 −0.222 𝑛 = 38.451 𝐻 𝐷 1.032 𝑛 = 74.927 𝐻 3 2 𝑄 0.331 𝑃 𝐻 = 341.218 𝑄 𝑛 0.641

Pereira ve Borges, çapraz akıĢ türbini giriĢ ağzındaki akıĢı deneysel incelemiĢlerdir. Bu incelemelerde, iki farklı giriĢ ağzı konfigürasyonunda, giriĢ ağzı iç duvarlarındaki statik basınç dağılımını incelenmiĢtir. Ġlk durumda, giriĢ ağzı tek baĢına incelenirken, ikinci durumda türbin gövdesi ile monte edilmiĢ durumda deneyler yapılmıĢtır [46].

Reddy, H., V. Seshadri, and D.P. Kothari, su tahliye borusunun, 5 kW güce sahip bir çapraz akıĢ türbininin performansına etkisini incelemiĢlerdir. Türbin üzerindeki 203 mm’lik su boĢaltma borusu, daha uzun olması durumunda verime etkileri incelenerek en uygun değeri bulmaya çalıĢmıĢlardır. Verim, güç, devir sayısı ve 4 farklı hız oranı değerleri incelenmiĢtir. Ġncelemeler, tüpsüz, 203 mm, 250 mm ve 300 mm değerleri için 4 farklı durumda ve 3-9 m arasındaki düĢülerde yapılmıĢtır [47].

25 3.3. Deney Türbini Tasarımı

Türbin tasarımı yapılırken Donat Banki’nin verdiği teori kullanılmıĢtır. Bu teoriye göre en yüksek verimde çalıĢabilecek türbin tasarlanmıĢtır. Tasarımı yapılan türbinin imalatı ise Ankara’da bulunan ve bir kamu kuruluĢu olan Temsan A.ġ.’ye yaptırılmıĢtır.

Türbin hesaplamalarına geçmeden önce türbinin çalıĢma koĢulları tasarlanmıĢtır. Bu tasarım yapılırken, laboratuar ortamında denenebilecek, aynı zamanda deneyler bittikten sonra kullanılabilecek bir türbin olması hedeflenmiĢtir. Bu kapsamda turbo makinelerde benzerlik kurallarının geçerli olduğu da düĢünülerek, türbin boyutlarının çok büyük olması elzem hale gelmekten çıkmıĢtır. Yani yeterli büyüklükteki türbin için deneyler yapılıp, sonrasında benzerlik ve model teorisi kullanılarak daha büyük ve küçük boyutlardaki benzer türbinlerin de karakteristik eğrileri kolaylıkla hesaplanabilmektedir. Bu çalıĢmada düĢü, debi seçilmiĢ, genel verim ise %70 kabul edilmiĢtir.

Tablo 3.2: Tasarımı yapılan çapraz akıĢ türbini tasarım parametreleri

DüĢü (m) Debi (lt/s) 𝜂𝑔 8 300 0.70 Türbin efektif gücü: 𝑃𝑒 = 𝜌𝑔𝑄𝐻𝜂 = 1000 9.81 0.3 8 0.7 (3.1) 𝑃_𝑒 = 16.5 𝑘𝑊 𝑃_𝑒 = 22 𝐵𝐺

özelliklerde sahip bir türbin yapılıp denenmesi uygun görülmüĢtür.

Burada genel verim, türbinden elde edilen gücün, hidrolik güce (sudan elde edilebilecek maksimum güç) oranı olarak tanımlanmıĢtır.

Euler Denklemine göre genel olarak su türbinlerinde,

26 (3.2) ifadesi, (3.1) eĢitliğinde yerine konursa;

𝑃 = 𝜌𝑔𝑄𝐻𝜂 = 𝜌𝑄 𝑢1𝑐1𝑐𝑜𝑠𝛼1− 𝑢2𝑐2𝑐𝑜𝑠𝛼2 (3.3)

elde edilir. Çapraz akıĢ türbinlerinde su kanatlara iki kez çarptığından iki giriĢ ve iki çıkıĢ vardır. EĢitlik (3.3), Çapraz akıĢ türbinine uygulanırsa (3.4) halini alır,

𝑃 = 𝜌𝑔𝑄𝐻𝜂 = 𝜌𝑄 𝑢1𝑐1𝑐𝑜𝑠𝛼1− 𝑢2𝑐2𝑐𝑜𝑠𝛼2+ 𝑢3𝑐3𝑐𝑜𝑠𝛼3− 𝑢4𝑐4𝑐𝑜𝑠𝛼4 (3.4) 𝑢₁ = 𝑢₃, 𝑐₂ = 𝑐₃, 𝛼₂ = 𝛼₃ olduğundan (3.4) sadeleĢerek; 𝑃 = 𝜌𝑄 𝑢₁𝑐₁𝑐𝑜𝑠𝛼₁− 𝑢₄𝑐₄𝑐𝑜𝑠𝛼₄ (3.5) halini alır. 𝑐₄𝑐𝑜𝑠𝛼₄ = 𝑢₄− 𝑤₄𝑐𝑜𝑠 180 − 𝛽₄ (3.6) 𝑐1𝑐𝑜𝑠𝛼1 = 𝑢1+ 𝑤1𝑐𝑜𝑠𝛽1 (3.7) 𝑤₄ = 𝜙_𝑏𝑤₁ (3.8) 𝛽₄ = 180 − 𝛽₁ (3.9) kullanılarak (3.5), 𝑃 = 𝜌𝑄𝑢 𝑐1𝑐𝑜𝑠𝛼1− 𝑢 1 + 𝜙𝑏 (3.10)

27 𝑃0 = 𝜌𝑔𝑄𝐻 (3.11) 𝑐 = 𝜙_𝑎 2𝑔𝐻 𝐻 = 𝑐2 2𝑔𝜙_𝑎2 (3.12) verim, 𝜂 = 𝑃 𝑃0 =𝜌𝑄𝑢 𝑐1𝑐𝑜𝑠𝛼1− 𝑢 1 + 𝜙𝑏 𝜌𝑔𝑄 𝑐2 2𝑔𝜙𝑎2 (3.13)

gerekli sadeleĢtirmeler yapıldığında,

𝜂 = 2𝜙_𝑎2𝑢1

𝑐₁ 𝑐𝑜𝑠𝛼1− 𝑢1

𝑐₁ 1 + 𝜙𝑏

(3.14)

Ģeklinde elde edilir. Maksimum verim elde edebilmek için EĢitlik (3.14)’ün türevi alınıp sıfıra eĢitlendiğinde,

𝑢1 = 1

2𝑐1𝑐𝑜𝑠𝛼1 (3.15)

bulunur. Maksimum verim için (3.15) ifadesi, (3.14) eĢitliğinde yerine konursa,

𝜂𝑚𝑎𝑥 = 1 2𝜙𝑎

2 _{1 + 𝜙}

𝑏 𝑐𝑜𝑠2𝛼1 (3.16)

28

Ġdeal verimi için, 𝜙_𝑎 = 𝜙_𝑏 = 1 alınır ve (3.16)’dan

𝜂_{𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙} = 𝑐𝑜𝑠2_𝛼

1 (3.17)

olur. Burada hücum açısı (𝛼₁) sıfıra ne derece yaklaĢırsa verimin de o derece arttığı açıkça görülmektedir. Hatta en yüksek verim hücum açısının sıfır olduğu durumda elde edilmektedir. Fakat pratikte bu mümkün olamamaktadır. Hücum açısının küçülmesi, türbine suyun girmesini engellemektedir. Bu nedenle Çapraz akıĢ türbinlerinde, su kaçaklarının az olması ve hücum açısının da fazla büyük olmaması için Donat Banki bu değerin 16° değerinde maksimum verimin elde edileceğini söylemiĢtir. Bu nedenle hücum açısı 𝛼₁, 16° olarak kullanılmaktadır.

Diğer tasarım parametrelerinin hesaplama yöntemleri yine Banki’nin teorisine göre hesaplanmıĢtır.

𝑡𝑎𝑛𝛽₁ = 2𝑡𝑎𝑛𝛼₁ 𝛽₁ =30° (3.18)

Hüzmenin çarka tam girebilmesi için bu değer genellikle en az 30° alınır. Türbin 1.kademe çıkıĢında kanat uçları, çarkın merkezine doğru yönlendirilmiĢtir. Yani 𝛽2 =90° olacak Ģekilde tasarlanmaktadır. Ġkinci kademe giriĢte ayrılma olmadığı kabulü ile 𝛽₃ =90° olur.

29

ġekil 3.3: Çapraz akıĢ türbini kanat boĢlukları [24]

Hüzme giriĢ mesafesi, kanat kalınlığı ihmal edilerek, kanat boĢluğu mesafesi (t) ile hesaplanabilir. ġekil 3.3’te kanat boĢluğu, hüzme kalınlığı, çark geniĢliği ve diğer parametreler görülmektedir.

s1=t sin𝛽₁ (3.19)

s2=t 𝑟2 𝑟₁ (3.20)

burada 𝑟2 ifadesi tasarlanması oldukça önemli bir parametredir. Bu değer 1’e _𝑟1 yaklaĢtığı durumda kanat su alamayacak kadar küçük olmakta, çok küçük olduğu durumlarda ise, I. kademe çıkıĢında huzmelerin birbirine girmesi neticesi II. kademede kayıplar artacağı aĢikârdır. Bu oranın belirlenebilmesi için I. kademe

30

giriĢindeki bağıl hızın belirlenmesi gerekmektedir. I. kademe giriĢindeki bağıl hız 𝑤₁’in belirlenme yöntemleri aĢağıdaki denklemlerde gösterilmektedir.

𝑤1 2− 𝑤2 2 = 𝑢1 2− 𝑢2 2 (3.21) 𝑤2 2 = 𝑤1 𝑠1 = 𝑤𝑠₂ 1 𝑟1 𝑠𝑖𝑛𝛽𝑟₂ 1 (3.22) 𝑢₂ = 𝑢₁ 𝑟1 𝑟₂ (3.23) Burada, 𝑟2 𝑟₁ 2 'ye 𝑥 dersek, 𝑥2− 1 − 𝑤₁ 𝑢₁ 2 _{𝑥 − 𝑤} 1 𝑢1 2𝑠𝑖𝑛2𝛽1 = 0 (3.24)

Maksimum verim Ģartında (EĢitlik (3.15)) 𝑢₁ = 1

2𝑐1𝑐𝑜𝑠𝛼1 olduğundan,

𝑤₁ = 𝑢₁ 𝑐𝑜𝑠𝛽₁ (3.25)

olur. Seçilen ve hesaplanan değerler 𝛼₁=16° ve 𝛽₁=30° kullanıldığında, 𝑐𝑜𝑠𝛽1 = 𝑐𝑜𝑠30 =0.866, 𝑤1 = 𝑢1 0.866 olur. Buradan, 𝑤1 𝑢1 = 1.15 ve 𝑤1 𝑢1 2 = 1.33 olur, 1 − 𝑤1 𝑢1 2 = −0.33; 𝑠𝑖𝑛2𝛽1= 1 4 halini alır, Böylece (3.24) eĢitliği,

𝑥2+ 0.33𝑥 − 0.332 = 0 olur. Buradan, 𝑥 = 0.435 bulunur. 𝑥12 =𝑟2 _𝑟

1

= 0.66 , 2 𝑟1 = 𝐷1 ve radyal çark geniĢliği 𝑎 = 𝑟1− 𝑟2 olduğundan