DEVLET SU İŞLERİ GENEL MÜDÜRLÜĞÜ
ISSN: 1012 - 0726 (Baskı) ISSN: 1308 - 2477 (Online)
SAYI: 114
DSİ
TEKNİK
BÜLTENİ
DSİ TEKNİK BÜLTENİ
Sahibi
DEVLET SU İŞLERİ GENEL MÜDÜRLÜĞÜ Adına
Akif ÖZKALDI
Sorumlu Müdür M. Fatih KOCABEYLER
Yayın ve Hakem Kurulu
Yakup DARAMA Tuncer DİNÇERGÖK Ali KILIÇ
Nurettin PELEN Ali SARANER Kemal ŞAHİN Haberleşme Adresi DSİ Teknik Araştırma ve Kalite Kontrol (TAKK) Dairesi Başkanlığı 06100 Yücetepe - Ankara
Tel (312) 399 2793 Faks (312) 399 2795 bulten@dsi.gov.tr
Basıldığı Yer Destek Hizmetleri Dairesi Başkanlığı Basım ve Foto-Film Şube Müdürlüğü Etlik - Ankara
SAYI : 114
YIL : OCAK 2012 Yayın Türü
Yaygın süreli yayın Üç ayda bir yayınlanır ISSN
1012 - 0726 (Baskı) 1308 - 2477 (Online)
İÇİNDEKİLER
DİPSAVAKLARDA SERBEST YÜZEYLİ AKIM DURUMUNDA HAVA GİRİŞ ORANININ DENEYSEL OLARAK İNCELENMESİ
Mehmet ÜNSAL, Ahmet BAYLAR, Fahri ÖZKAN 1
KEBAN HİDROELEKTRİK SANTRALİNDE KAVİTASYON OLAYININ TÜRBİN KILAVUZ YATAKLARININ ÇALIŞMA DURUMUNA ETKİSİNİN ARAŞTIRILMASI
Gökhan KAHRAMAN, Halit Lütfi YÜCEL 7
DSİ TEKNİK BÜLTENİ’NİN AMACI
DSİ Teknik Bülteni’nde, su ile ilgili konularda, temel ve uygulamalı mühendislik alanlarında gönderilen bildiriler yayınlanır. Bildiriler, ilk önce konunun uzmanı tarafından incelenir ve değerlendirilir. Daha sonra, Hakem Kurulu uzman görüşünü de esas alarak bildirinin yayınlanıp yayınlanmamasına karar verir. Bildirilerin tamamı veya büyük bir kısmı diğer yayın organlarında yayınlanmamış olması gereklidir.
DSİ TEKNİK BÜLTENİ BİLDİRİ YAZIM KURALLARI
1. Gönderilen yazılar kolay anlaşılır dilde ve Türkçe kurallarına uygun şekilde yazılmış olmalıdır.
2. Yazıların teknik sorumluluğu yazarına aittir (yazılardaki verilerin kullanılması sonucu oluşabilecek maddi ve manevi problemlerde muhatap yazardır).
3. Yayın Kurulu, bildiriler üzerinde gerekli gördüğü düzeltme ve kısaltmaları yapar.
4. Bildiriler bilgisayarda Microsoft Word olarak bir satır aralıkla yazılmalı ve Arial 10 fontu kullanılmalıdır.
Bildiriler A4 normundaki kâğıdın her kenarından 25 mm boşluk bırakılarak yazılmalıdır.
5. Sadece ilk sayfada, yazı alanı başlangıcından sola dayalı olarak, italic 10 fontunda Arial kullanılarak ilk satıra
“DSİ Teknik Bülteni” yazılmalıdır.
6. Konu başlığı: Yazı alanı ortalanarak, “DSİ Teknik Bülteni” yazısından sonra dört satır boş bırakıldıktan sonra Arial 12 fontu kullanılarak büyük harflerle koyu yazılmalıdır.
7. Yazar ile ilgili bilgiler: Adı (küçük harf), soyadı (büyük harf), yazarın unvanı ile bağlı olduğu kuruluş (alt satıra) ve elektronik posta adresi (alt satıra) başlıktan iki boş satır sonra ilk yazardan başlamak üzere Arial 10 fontu ile yazı alanı ortalanarak yazılmalıdır. Diğer yazarlar da ilk yazar gibi bilgileri bir boşluk bırakıldıktan sonra yazılmalıdır.
8. Türkçe özet, elektronik posta adresinden dört boş satır sonra, özetten bir boş satır sonra ise anahtar kelimeler verilmelidir. Aynı şekilde, Türkçe anahtar kelimelerden iki boş satır sonra İngilizce özet, bir boş satır sonra ise İngilizce anahtar kelimeler verilmelidir.
9. Bölüm başlıkları yazı alanı sol kenarına dayandırılarak Arial 10 fontu kullanılarak koyu ve büyük harfle yazılmalı. Bölüm başlığının üzerinde bir boş satır bulunmalıdır.
10. Ara başlıklar satır başında başlamalı, üstlerinde bir boş satır bulunmalıdır. Birinci derecedeki ara başlıktaki bütün kelimelerin sadece ilk harfi büyük olmalı ve koyu harflerle Arial 10 fontunda yazılmalıdır. İkinci ve daha alt başlıklar normal harflerle Arial 10 fontu ile koyu yazılmalıdır.
11. Yazılar kâğıda iki sütün olarak yazılmalı ve sütün aralarındaki boşluk 10 mm olmalıdır.
12. Paragraf sola dayalı olarak başlamalı ve paragraflar arasında bir boş satır bırakılmalıdır.
13. Eşitlikler bilgisayarda yazılmalı ve numaralandırılmalıdırlar. Eşitlik numaraları sayfanın sağına oturmalı ve parantez içinde yazılmalıdır. Her eşitlik alttaki ve üstteki yazılardan bir boş satır ile ayrılmalıdır. Eşitliklerde kullanılan bütün semboller eşitlikten hemen sonraki metinde tanımlanmalıdır.
14. Sayısal örnekler verildiği durumlarda SI veya Metrik sistem kullanılmalıdır. Rakamların ondalık kısımları virgül ile ayrılmalıdır.
15. Yararlanılan kaynaklar metinde kaynağın kullanıldığı yerde köşeli parantez içersinde numaralı veya [Yazarın soyadı, basım yılı] olarak belirtilmelidir. Örneğin: “…… basamaklı dolusavaklar için geometri ve eşitlikler 1”
veya …… basamaklı dolusavaklar için geometri ve eşitlikler Aktan, 1999” gibi.
16. Kaynaklar yazar soyadlarına göre sıralanmalı, listelenirken yazar (veya yazarların) soyadı, adının baş harfi, yayın yılı, kaynağın ismi, yayınlandığı yer ve yararlanılan sayfa numaraları belirtilerek, köşeli parantez içerisinde numaralandırılmalı ve yazarken soldan itibaren 0,75 cm asılı paragraf şeklinde yazılmalıdır. Makale başlıkları çift tırnak içine alınmalı, kitap isimlerinin altı çizilmelidir. Bütün kaynaklara metin içinde atıf yapılmalıdır.
17. Çizelgeler, şekiller, grafikler ve resimler yazı içerisine en uygun yere gelecek şekilde yerleştirilmelidir.
Fotoğraflar net çekilmiş olmalıdır. Şekil ve grafikler üzerine el yazısı ile ekleme yapılmamalıdır.
18. Bildirinin tamamı 20 sayfayı geçmemeli, şekil, çizelge, grafik ve fotoğraflar yazının 1/3’ünden az olmalıdır.
19. Sayfa numarası, sayfaların karışmaması için sayfa arkalarına kurşun kalem ile hafifçe verilmelidir.
20. Yazım kurallarına uygun olarak basılmış bildirinin tam metni hem A4 kâğıda baskı şeklinde (2 adet) hem de dijital ortamda (CD veya DVD) yazışma adresine gönderilmelidir.
21. Yayınlanan bütün yazılar için ”Kamu Kurum ve kuruluşlarınca ödenecek telif ve işlenme ücretleri hakkındaki yönetmelik” hükümleri uygulanır.
22. Bildiriyi gönderen yazarlar yukarıda belirtilenleri kabul etmiş sayılırlar.
23. Yazışma adresi aşağıda verilmiştir:
DSİ TEKNİK BÜLTENİ
DSİ Teknik Araştırma ve Kalite Kontrol (TAKK) Dairesi Başkanlığı 06100 Yücetepe ANKARA
Tel (312) 399 2793 Faks (312) 399 2795 E-posta bulten@dsi.gov.tr
Web http://www.dsi.gov.tr/kutuphane/dsi_teknik_bulten.htm
1 DSİ Teknik Bülteni
Sayı: 114, Ocak 2012
DİPSAVAKLARDA SERBEST YÜZEYLİ AKIM DURUMUNDA HAVA GİRİŞ ORANININ DENEYSEL OLARAK İNCELENMESİ
Mehmet ÜNSAL
Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Kahramanmaraş munsal@ksu.edu.tr
Ahmet BAYLAR
Fırat Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Elazığ abaylar@firat.edu.tr
Fahri ÖZKAN
Fırat Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Elazığ fozkan@firat.edu.tr
(Makalenin geliş tarihi: 06.12.2011, Makalenin kabul tarihi: 14.03.2012)
ÖZET
Dipsavaklar, yüksek hızlı hava-su karışımı içeren yapılarıdır. Kapaklı bir dipsavakta yüksek hızlı bir akım kapak altından geçerken çok miktarda hava, akım içerisine girer. Eğer akım içerisine hava girişi sağlanamazsa kapak mansabında basınç düşmesi sonucu kavitasyon meydana gelir. Genellikle, akıma yeterli miktarda hava girişi sağlamak amacıyla, kapak mansabına bir havalandırma bacası yerleştirilir. Bu çalışmada, kapaklı dipsavaklarda serbest yüzeyli akım durumunda hava giriş oranını araştırmak amacıyla bir dizi deney yürütülmüştür. Ayrıca, hava giriş oranını belirlemek için Froude sayısına bağlı bir denklem geliştirilmiştir.
Anahtar Kelimeler: Dipsavak, serbest yüzeyli akım, hava-su akımı, hava giriş oranı
EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF AIR ENTRAINMENT RATE IN FREE- SURFACE FLOWS OF BOTTOM OUTLETS
ABSTRACT
Bottom outlets are water structures that involve high-velocity air-water flow. In a gated bottom outlet, a high speed flow issuing from the gate drags and entrains a lot of air. If air demand of the flow is not supplied, pressure reduction downstream of the gate causes cavitation. Usually an air vent is installed just downstream of the gate to supply enough air to the flow. In the present work, a series of experiments were conducted to investigate air entrainment rate of free flowing gated bottom outlets.
Moreover, a regression equation was obtained relating the air entrainment rate to Froude number.
Keywords: Bottom outlet, free-surface flow, air-water flow, air entrainment rate
1 GİRİŞ
Gerekli hallerde barajı tamamen boşaltmak, dolusavak kapasitesini azaltmak, akarsu mansabına bırakılması gerekli miktarda suyu vermek amacıyla baraj gövdesinin altında yapılan hidrolik yapılara dipsavak denir. Baraj dipsavaklarında yüksek akım hızlarının hidrodinamik etkileri nedeniyle kavitasyon hasarları meydana gelir. Dipsavakta oluşan bu yüksek akım hızlarının etkisiyle dipsavak yüzeyindeki basınç değerleri suyun buhar basıncının altına düşer. Dipsavak boyunca bazı
noktalarda bu değerlere ulaşıldığında yüzey üzerinde kavitasyon hasarlarını oluşturabilecek hidrodinamik kuvvetler meydana gelir.
Kavitasyon hasarlarını önleyebilmek için akıma hava girişini sağlayacak sistemlerin kurulması gereklidir. Kapaklı dipsavaklar, kapak mekanizması ve kapak mansabında yer alan havlandırma bacası ile akıma hava girişi sağlayabilen bir sistemdir. Kapaklı dipsavaklarda su, kapağın altından hızlı bir şekilde geçerken kapağın mansabında
2 atmosfer basıncından daha düşük bir basıncın oluşmasına neden olur. Bu düşük basınç nedeniyle kapağın hemen mansabında açılan havalandırma bacasından dipsavak içerisine hava girişi olur (Şekil 1) ve kabarcıklar halinde suya karışır. Suya karışan hava:
Kavitasyon hasarlarını azaltmak,
Titreşim etkisini azaltmak,
Akımdaki salınımları azaltarak akımı daha kararlı hale getirmek,
Oksijen transferini hızlandırmak için kullanılır.
o
o o o
oo
oo o
ooo
o
oo oo
ooo
o
ooo oo
ooo
o
oo
ooo oo
o oo
oo
oo
o
ooo
o
o
oo
o
oo
oo
o
oo
o
oo
oo oooo
o
o o
ooo
o
ooo
o
ooo
o
ooo oo
ooo
o
oo
ooo oo
o o
oo
oo
o
ooo
ooo
o
oo
ooo
o
oo ooo
o
oo
ooo ooo
oooooooo o o oo
o
o o o
o
o
oo oo
oo
oo ooo oo
oo o
o
oo
ooo oo
o o
ooo ooo ooo
o o
o
o
oo
o o
o
o ooo
oo o
o
o o
o o
o
o
o o
oo o
o
oo
o
ooo
oo oo ooooo
o
o o
ooo
o
oo
oo
ooo oo
ooooo oooo
o
oo
oo
o
oo oo
o
oo oo
ooo
ooo o
o oo
ooooo ooo oo
ooo ooo
oooo oo
oo
ooo
o o
oo
o
oo oo
oo
ooo
o
oo ooo
o oo
oo oo ooo
o o
oo
ooo
o
oooo oo
o
ooo
oo
o
oo
o o
oo
o
o oooo
o o
oo ooooooo
o
oo
o
oo
o
oo
oo
ooo oo
oo oo oo
oo
o
o
oo
o
oo oo
o
ooo oo
oo
oo
o
oo
oo
oo
o
o
oo
oo
o
ooo
ooo oo
o
ooo
oo ooo oo
oo o
o o
o
oo
o
oooo oo
oo
oo ooooooo
o o
oo
oo
oo
o
oo
oo
o o
o
oo
ooo
o oo ooo
oo
oo
oooo o ooo
ooo
oo
oo
oo
ooooo
o
oo
o
o ooo ooo oo
ooo
oo
oo
oo
oooo
o
oo
oo
oo
oooo oooooo
o
o
oo
o
oooo
o
oo
ooo ooo
o
o
oo
o
o oo
oooooo
o
ooo
o
oo o
o o
oo
o
oooo
ooo
o
oo ooo oooo
o
oo
oo
o o oooo
o
o
o oo
oo o
o
oo
o o
oo oo
oooo ooooo o
o
o
oo oo
o
o
o
oo oooo
oo
o
o
oo oo
o
o o
o o
ooooo o
o
o
o
ooo
o
oo
o o
o
o o
oo o o
oo
oo oo oo
o
oo
o
oooo
o
oo oo oo
o ooo
ooo oo ooo o
ooo
o
oo
o
o
o
o ooo
o
oooooooooooo
oo
o
o
oo
o
oo ooo
o
oo oo oo
oo
ooo oo
o
oo
o
oo oo
oo
oo oo
o
ooo
ooo ooo
ooooo oooo
ooo oo
ooo
o
ooo oo
oo
o
ooo ooo
oo
oo
oo
o o
oooo o oo
oo
oo
o
oo
o
o
ooo
oo ooo
ooo
oo o
o o
o
o
o
ooo oooooo
o
o o
oo
o
oo
oo
o
o ooo
o oo
o o
oo
o
o
oo
o
o
o
ooo
oo o
o o
o o
oo
o
o
o
o oooooo
o o
o
o
oo o
ooooo
o
oo ooo
o
o
oo
ooooo
o
o oooo
ooooo o
oo
oo o
oo
oo
oo oo
o
o
oo ooo oo
ooo
o
oo
ooo oo
o o
o
o
o
oo
o
oo
o
oo
o
ooo
o
oo
oo oo
o
oo
o oooo
o
o o
ooo
o
ooo
o
oo
oo ooo oo
ooo
o
oo
ooo oo
o o
oo
ooo ooo
ooo ooo
o
oo ooo
ooo
o
oo
ooo ooo
ooooo
ooo o
o oo
o
o o o
o
o
oo oo
oo
oo ooo oo
oo o
o
oo
ooo oo
o o
o
oo
ooo ooo
o o
o
o
oo
o o
o
o o
oo
oo o
o
o o
o o
o
o
o o
oo o
o
oo
o
ooo
oo
oo
oo
oo
o
ooo
ooo
o
oo oo
ooo oo
ooooo oooo
o
oo
oo
o
oooo
oooo ooo oo
ooo ooo
oooo oo oooooooo
oo
ooo oo
oo ooooo
ooo
o
oo
o
oo oo
o
oooo
o o
ooooooo oo
o
o
oo
o
oo
oo
ooo o
o
oo oo
oo
oo
o
o
oo
o
oo ooo
ooo oo
ooooo oooo o
o o
o
oo
o
oooooo
oo oo ooooooo
o ooo
oo
oo
oo
o
oo
o o
o
oo
ooo
o oo o
oo
o ooo
o oooo
ooo
ooo
oo
oo
oo
ooooo
o
o
o
o
o ooo ooo oo
ooo
oo
oo
oo
oooo
o
oo
oo
oo
oooo oooo
o
o o
o
oo
o
oooo
o
oo
ooo ooo
o
o
oo
o
o oo
oooooo o oo
o
o
o
o oo
o o
oo
o o
oo oo
oooo o oo
oo o
oo oo
oo ooo
o o
oo
o o o
o
o o
o o
o o
o o
o oo
o
oo oo
o
o
oo oo
oo
o oooo o o
o
o o o
o
oo
o o
o ooooo
o oo o
o o
o o oo
o oo
o
o oooo
o o
o o
oo
o ooooo
o
ooo ooo
oo
o
o o
o o
o o
oo
o o
o o
oo
o
o
o o
oo
o
oo o
o
o o o
o
ooooo
o
ooo ooo
ooo
o
oo
o
ooo ooo
o o
o
o oo
o o
o
o oo
o
oo o
o
o o
o o
o oo
o
ooo
oo
oo
oo
oo
o
o
oo
o
oo oo oo
oo
o ooo
oo oooo
o
oo
o o
oo oooo
o oo
o oo
o
oo
o o o
o ooooo
o
o o
oo
oo
oo
ooo
o
oo
o
oo
o oo
o o
o
ooo
o
o
o
o
o o
QA
Havagirişi oo o o ooo
o
o o
o
o
oo
ooooo
o
oo
o
o
o o
o
oo
o
oh
Kapak
deliğiHava
Akım yönü
ooo
Qw oo
Şekil 1. Dipsavaklarda serbest yüzeyli akım Son yıllarda Campbell and Guyton [1], USACE [2], Wisner [3], Rajaratnam [4], Baylar ve diğ.
[5], Baylar ve Batan [6], Ozkan [7], Ozkan ve diğ. [8-10], Unsal [11] ve Unsal ve diğ. [12-15]
çeşitli hidrolik yapıların hava giriş oranlarını (QA/QW) belirleyebilmek amacıyla araştırmalar yapmışlardır. Bu çalışmada; dipsavaklardaki serbest yüzeyli akım durumunda hava giriş oranları incelenmiştir.
2 DENEYSEL YÖNTEM
Deneylerde kullanılan kapaklı dipsavak, dikdörtgen kesitli olup genişliği 4 cm ve yüksekliği 25 cm’dir. Dipsavak boyları (L) 2, 4 ve 6 m olarak değiştirilmiştir. Kapağın mansabında 16 mm çapında bir havalandırma deliği açılarak dış ortamdaki havanın bu delik vasıtasıyla dipsavak içerisine girmesi sağlanmıştır. Kapak açıklıkları (h) 16, 32 ve 48 mm olarak değiştirilmiştir. Şekil 2’de görülen düzenek yardımıyla yapılan deneylerde havalandırma deliğinden giren hava debisi değerleri (QA) ölçülmüştür.
L Su deposu
Pompa Vana
Debimetre
Kapak Serbest yüzeyli konduit Qw
Hava girişi, Q A
Şekil 2. Dipsavak deney düzeneği
3 DENEY SONUÇLARININ
DEĞERLENDİRİLMESİ
Deney sonuçları kullanılarak hava debisi-su debisi, Froude sayısı-hava/su debileri oranı, boyutsuz debi-hava/su debileri oranı arasındaki ilişkiler incelenmiştir.
Dipsavak kapak açıklıkları (h) sabit tutularak, dipsavak boyundaki (L) değişiklikler göz önüne alındığında, akıma giren hava debisinin boy artışından etkilenmediği, tüm boylarda birbirine çok yakın hava debisi değerleri elde edildiği görülmüştür. Buradan dipsavaktaki boy değişiminin hava girişi üzerinde önemli bir etkisinin olmadığı ifade edilebilir. Bununla birlikte, debi (QW) miktarındaki artışa paralel olarak akıma giren hava miktarında (QA) artış meydana geldiği açıkça görülmektedir. (Şekil 3a–c).
0 2 4 6 8 10
Q x 10 (m /sn) 0
2 4 6 8
Q x 10 (m /sn)
h=16 mm L=2 m L=4 m L=6 m
A
W
-3 3
-3 3
3 (a)
0 3 6 9 12 15 18
Q x 10 (m /sn) 0
2 4 6 8
Q x 10 (m /sn)
h=32 mm
L=2 m L=4 m L=6 m
A
W
-3 3
-3 3
3 (b)
3
0 3 6 9 12 15 18 21 24
Q x 10 (m /sn) 0
2 4 6 8
Q x 10 (m /sn)
h=48 mm
L=2 m L=4 m L=6 m
A
W
-3 3
-3 3
3 (c)
Şekil 3. Dipsavaklarda çekilen havanın su debisiyle değişimi
Şekil 4a–c’de Froude sayısının, Şekil 5a–c’de boyutsuz debi değerinin artışına bağlı olarak hava giriş oranlarında (QA/QW) bir artış gözlenmiştir. Dipsavak boylarının artmasıyla QA/QW değerlerinde önemli bir değişimin olmadığı, elde edilen hava giriş oranlarının birbirine çok yakın olduğu görülmüştür.
Şekil 3a-c, Şekil 4a-c ve Şekil 5a-c birlikte düşünüldüğünde, dipsavağa giren su debisi (QW) arttıkça çekilen hava debisinin (QA) arttığı, ancak dipsavak boyundaki değişimlerin hem çekilen hava debisini hem de hava giriş oranını (QA/QW) önemli ölçüde etkilemediği sonucuna varılmıştır.
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36
Fr 0.00
0.15 0.30 0.45 0.60 0.75 0.90
Q /Q
h=16 mm L=2 m L=4 m L=6 m
A W
4 (a)
0 3 6 9 12 15 18 21 24
Fr 0.00
0.15 0.30 0.45 0.60 0.75 0.90
Q /Q
h=32 mm
L=2 m L=4 m L=6 m
A W
4 (b)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Fr 0.00
0.15 0.30 0.45 0.60 0.75 0.90
Q /Q
h=48 mm L=2 m L=4 m L=6 m
A W
4 (c)
Şekil 4. Dipsavaklarda hava giriş oranının Froude sayısıyla değişimi
4
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
Q /g h 0.00
0.15 0.30 0.45 0.60 0.75 0.90
Q /Q
h=16 mm L=2 m L=4 m L=6 m
A W
W 2 5
5 (a)
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Q /g h 0.00
0.15 0.30 0.45 0.60 0.75 0.90
Q /Q
h=32 mm L=2 m L=4 m L=6 m
A W
W 2 5
5 (b)
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Q /g h
0.00 0.15 0.30 0.45 0.60 0.75 0.90
Q /Q
h=48 mm L=2 m L=4 m L=6 m
A W
W 2 5
5 (c)
Şekil 5. Dipsavaklarda hava giriş oranının boyutsuz debi ile değişimi
4 MODEL GELİŞTİRİLMESİ
Deneysel çalışma sonucu elde edilen 54 deney verisi kullanılarak lineer olmayan regresyon analizi yapılmıştır. Kapaklı dipsavaklarda serbest yüzeyli akım durumunda hava giriş oranını (QA/QW) belirleyebilmek amacıyla kapak altındaki Froude sayısına bağlı aşağıdaki denklem geliştirilmiştir (Denklem 1). Bu denklemin korelasyon katsayısı (R2) 0.96’dır.
233 . 4(Fr 1)2
10 4 . Q 3
Q x
W
A (1)
Burada Fr kapak altındaki Froude sayısı olup aşağıdaki gibi ifade edilir.
h g
Fr VW (2)
Burada Vw kapak altındaki su hızı, h kapak altındaki su yüksekliği ve g yerçekimi ivmesidir.
Deney sonuçları ve Denklem (1) ile hesaplanan sonuçlar Şekil 6’da karşılaştırılmış ve aralarında iyi bir uyum olduğu görülmüştür.
0.00 0.15 0.30 0.45 0.60 0.75 0.90
Gözlenen Q /Q 0.00
0.15 0.30 0.45 0.60 0.75 0.90
Hesaplanan Q /QA W
A W
Şekil 6. Gözlenen ve hesaplanan hava giriş oranlarının karşılaştırılması
Ouazar ve Lejeune [16] dipsavaklarda hava giriş oranını hem prototip hem de modelde ayrı ayrı incelemiş ve her biri için bir denklem geliştirmiştir. Denklem (1) ile Ouazar ve Lejeune [16] tarafından geliştirilmiş denklemler Şekil 7’de karşılaştırılmıştır. Denklem (1)’in uygunluğu açıkça görülmektedir.
5
0.00 0.15 0.30 0.45 0.60 0.75 0.90
Gözlenen Q /Q 0.00
0.15 0.30 0.45 0.60 0.75 0.90
Hesaplanan Q /QA W
A W Denklem 1
Ouazar and Lejeune [27] (Prototip) Ouazar and Lejeune [27] (Model)
Şekil 7. Geliştirilen denklemin literatür çalışmaları ile karşılaştırılması
5 SONUÇLAR
Dipsavaklarda su iletimi esnasında oluşan yüksek akım hızından dolayı dipsavak içerisinde kavitasyon hasarları meydana gelir.
Bu hasarları önlemek amacıyla dipsavaktan geçen akım içerisine hava girişi sağlanması gerekir. Kapaklı dipsavak yapılarında kapaktan hemen sonra yerleştirilecek havalandırma bacası yardımıyla akım içerisine hava girişi sağlanabilir. Kapak mansabında oluşan düşük basınç etkisiyle dipsavak içerisine hava vakumlanır ve oluşan iki fazlı hava-su karışımı akım, kavitasyon hasarlarının önlenmesinde etkili olur.
Bu çalışmada, kapaklı dipsavaklardaki serbest yüzeyli akım durumunda hava giriş oranını belirlemek amacıyla bir dizi deneysel çalışma yürütülmüştür. Deneysel sonuçlar, su debisindeki artışa paralel olarak akıma giren hava debisinde de artışın meydana geldiğini, ancak dipsavaktaki boy değişiminin hava girişi üzerinde önemli bir etkisinin olmadığını göstermiştir. Ayrıca, hava giriş oranını belirlemek için Froude sayısına bağlı bir denklem geliştirilmiştir. Geliştirilen denklem yüksek korelasyon değerine sahip olup kapaklı dipsavaklardaki serbest yüzeyli akım durumunda hava giriş oranını belirlemek için kullanılabilir.
6 KAYNAKLAR
[1] Campbell, F. B., Guyton, B., Air Demand in Gated Outlet Works. Proceedings of the 5th Congress on the International Association of Hydraulic Research, Minnesota, 1953.
[2] USACE (United States Army Corps of Engineers), Air Demand-Regulated Outlet
Works. Hydraulic Design Criteria, Sheet 050-1/2/3, 211-1/2, 255-1, 1964.
[3] Wisner, P., On the Role of the Froude Criterion for the Study of Air Entrainment in High Velocity Flows. Proceedings of the 11th IAHR Congress, Leningrad, USSR, Paper 1.15, 1965.
[4] Rajaratnam, N., Hydraulic Jumps. Advances in Hydroscience, Ed. Chow, V.T., Academic Press, New York, USA, Vol. 4, 197-280, 1967.
[5] Baylar, A., Unsal, M., Ozkan, F., Hydraulic Structures in Water Aeration Processes.
Water, Air, and Soil Pollution, 210 (1), 87–
100, 2010.
[6] Baylar, A., Batan, M., Usage of Artificial Intelligence Methods in Free Flowing Gated Closed Conduits for Estimation of Oxygen Transfer Efficiency. Advances in Engineering Software, 41 (5), 729–736, 2010.
[7] Ozkan F., Study of Air Entrainment and Oxygen Transfer at Pressure Conduits.
Ph.D. Thesis, Firat University, 2005.
[8] Ozkan F., Baylar A., Ozturk M., Air Entraining and Oxygen Transfer in High−Head Gated Conduits. Proceedings of the Institution of Civil Engineers − Water Management, 159 (2), 139−143, 2006.
[9] Ozkan, F., Baylar, A., Unsal, M., Tugal, M., Comparison of Conduits and Venturis in Terms of Aeration Performance. DSI Technical Bulletin, 106, 31-37, 2009.
[10] Ozkan, F., Baylar, A., Ozturk, M., Closure of 'Air Entraining and Oxygen Transfer in High-Head Gated Conduits'. Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Water Management, 163 (2), 103–104, 2010.
[11] Unsal, M., Using High-Head and Free- Surface Conduits in Water Aeration. Ph.D.
Thesis, Firat University, 2007.
[12] Unsal, M., Baylar, A., Tugal, M., Ozkan, F., Increased Aeration Efficiency in Waters with High−Head Conduit Flow Systems.
Journal of Hydraulic Research, 46 (5), 711−714, 2008.
[13] Unsal, M., Baylar, A., Tugal, M., Ozkan, F., Aeration Efficiency of Free−Surface Conduit Flow Systems. Environmental Technology, 30 (14), 1539-1546, 2009.
[14] Unsal, M., Baylar, A., Ozkan, F., Tugal, M., Aeration Performances of High Head and Free Surface Gated Conduits. DSI Technical Bulletin, 106, 24-30, 2009.
[15] Unsal, M., Baylar, A., Kayadelen, C., Ozkan, F., The Modeling of Oxygen Transfer Efficiency in Gated Conduits by Using Genetic Expression Programming.
Expert Systems with Applications, 2012, in review.
6 [16] Ouazar, D., Lejeune, A., Theoretical and
Experimental Study of Cavitation Prevention by Ventilation. Proc. IAHR Symposium on Scale Effects in Modeling Hydraulic Structures, Technische Akademie Esslingen, W. Germany, H.
Kobus (Ed.), Paper 4.12, 1984.
7 DSİ Teknik Bülteni
Sayı: 114, Ocak 2012
KEBAN HİDROELEKTRİK SANTRALİNDE KAVİTASYON OLAYININ TÜRBİN KILAVUZ YATAKLARININ ÇALIŞMA DURUMUNA ETKİSİNİN ARAŞTIRILMASI
Gökhan KAHRAMAN
Keban Hidroelektrik Santrali İşletme Müdürlüğü Elazığ.
gkahraman23@hotmail.com
Halit Lütfi YÜCEL
F.Ü. Müh. Fak. Makine Müh. Böl. Elazığ.
hlyucel@firat.edu.tr
(Makalenin geliş tarihi: 13.03.2012, Makalenin kabul tarihi: 21.05.2012) ÖZET
Hidroelektrik santrallerde, akışkan akımı ortamının herhangi bir yerindeki basınç, akışkanın buharlaşma basıncına kadar düşecek olursa, basıncın düştüğü bu yerdeki akışkan buharlaşacak ve akışkan akımı içerisinde içi doymuş su buharı ile dolu olan çok düşük basınçlı hacimcikler meydana gelecektir. Meydana gelen bu çok düşük basınçlı hacimlerin içerisinde bulunan su zerreciklerinin, vakumlu hacimciklerin etrafındaki yüksek basınçlı akışkanın dalgalanmasına uyarak sık sık ve süratle büzülüp genleşmeleri ve yer değiştirmeleri ile ses hızına yakın bir hızla malzeme yüzeyine çarpmaları sonucu meydana gelen büyük gürültülü darbelerin malzemenin yüzeyini süngerleştirerek tahrip etmesi olayına kavitasyon olayı adı verilmektedir. Kavitasyon olayı hidrolik türbinlerde mümkün olduğu kadar kaçınılması gereken önemli bir olaydır. Çünkü kavitasyon bölgesinde çalışan bir hidrolik türbin büyük hasarlara neden olabilir.
Bu çalışmada, Keban hidroelektrik santralindeki bir ünitede oluşan kavitasyon olayının türbin kılavuz yatağın salınımına olan etkisi araştırılmıştır. Deneyler çalışan bir ünitenin üzerinde gerçek şartlarda yapılmıştır. Deneyler sonucunda oluşan grafikler neticesinde, kavitasyon olayının türbin kılavuz yataklarının sağlıklı çalışması açısından ne kadar tehlikeli olduğu anlaşılmıştır.
Anahtar kelimeler: Hidroelektrik santral, Türbin kılavuz yatak, Kavitasyon
A RESEARCH ON THE EFFECTS OF CAVITATION ON OPERATION OF TURBINE GUIDE BEARINGS IN KEBAN HYDROELECTRIC POWER PLANT
ABSTRACT
In hydroelectric power plants, if the pressure of any point in fluid flux medium decreases to the level of evaporation pressure, the fluid subjected to this low pressure evaporates and very low pressure bubbles filled with saturated vapor emerge. Conforming to the movement of high pressure fluid, these bubbles rapidly contract, expand and hit the surface of the material at speed of sound. This impact causes high noised shocks corroding the surface of the material, which is called cavitation. Cavitation should be avoided as much as possible, because a hydraulic turbine operating in the cavitation zone may encounter severe damages.
In this study, the effects of cavitation on vibration of turbine guide bearing of a unit in Keban Hydroelectric Power Plant is researched. Experiments are made on an operating unit under real conditions. With the help of the graphs obtained from the experiments, it is seen that cavitation phenomenon is very dangerous for healthy operation of turbine guide bearings.
Keywords : Hydraulic power plant, Turbine guide bearing, Cavitation
8 1 GİRİŞ
Hidrolik bir türbinin ayar kanatları arasında veya rotor kanatları arasında homojen ve düzgün bir şekilde hareket halinde bulunan tek fazlı bir su kütlesinin içerisinde; herhangi bir bölgede kesit daralması nedeniyle hızın artması ve hızın arttığı bu yerdeki basıncın, suyun buharlaşma basıncına kadar düşmesi sonucu bir miktar su buharı oluşur. Bu bölgede yoğunlukları birbirinden farklı olan iki maddenin ( su ve su buharı ) karışımından oluşan çift fazlı bir akış meydana gelir. Çift fazlı akış içerisinde bulunan su ve su buharının özgül ağırlıklarının birbirinden farklı olması nedeniyle bu bölgedeki su ve su buharının akış hızları da farklı olur dolayısıyla yoğunluğu suya göre daha düşük olan su buharının karışım içerisindeki hızı da su hızına göre düşük olur. Su buharı zerreleri suyun akışına ayak uyduramayarak geride kalacak ve arkadan gelen su zerrecikleri ile çarpışacak, bunun neticesinde ise daha önceki kısımlarda mevcut olan düzenli akış rejimi bu bölgede bozularak, gürültülü ve türbülanslı (karışık) bir akış meydana gelecektir.
Meydana gelen türbülanslı akış içerisinde bulunan milyonlarca su ve su buharı zerreciklerinin çarpışmasıyla türbülansın şiddeti artacaktır. Türbülanslı akışın meydana geldiği bölgelerdeki su ile temas eden metal yüzeylerinin düzgünlüğünün yeterli olmaması durumunda ise buradaki su akışı daha da bozulacak ve türbülanslı akışın şiddeti iyice fazlalaşacaktır. Türbülanslı akış içerisindeki milyonlarca su ve su buharı zerreciklerinin düzgün olmayan, pürüzlü metal yüzeylerine çarpması sonucu, metal yüzeyinde tahribat meydana gelecektir. Birkaç yüz saat içerisinde söz konusu metal yüzeylerinde karıncalanma başlayacak olup, bu şekilde çalışmaya devam edilmesi durumunda bu yüzeylerdeki pürüzler büyüyerek küçük oyukçuklar meydana gelecek ve daha sonra ise süngerleşerek çürüyecek ve düşük mukavemetli, kof bir tabakaya dönüşecektir. Bu şartlarda çalışmaya devam edilmesi durumunda ise süngerleşmiş tabakanın kalınlığı daha da artacak ve metalde delinmeler ya da kopmalar meydana gelecektir.
Bütün bu olaylar kavitasyon olarak tanımlanmaktadır [1].
Şekil 1’de kavitasyona maruz kalmış bir türbin çarkı kanadı görülmektedir. Hidroelektrik santrallerde türbin şaftının desteklenmesi bir adet taşıyıcı yatak ve iki adet kılavuz yatakla mümkün olmaktadır. Kılavuz yataklar hidrodinamik yağlama prensibine göre çalışmaktadır ve hidrodinamik radyal yataklara çok iyi bir örnek teşkil etmektedir [2].
Şekil 1. Kavitasyona maruz kalmış türbin çarkı kanadı
Kılavuz yatakların desteklediği türbin şaftının salınımı, kılavuz yatak açısından çok önemlidir.
Çünkü şaftın salınım değerinin artması ile kılavuz yataklardaki yağ filminde oluşan sıcaklık küçümsenmeyecek derecede artar[3]. Hidrolik santrallerde türbin kılavuz yatağın hemen altında türbin çarkı bulunduğu için, türbin çarkında oluşacak kavitasyon olayı türbin kılavuz yatağın salınımını direkt etkiler. Bu olay kılavuz yatağın işletilmesi açısından büyük maliyetli hasarlara yol açabilir. Bu tür maliyetli ve üretimi uzun süreler engelleyen arızalardan kaçınmak için hidroelektrik santrallerdeki ünitelerin kavitasyona maruz kaldıkları durumları belirleyip önlem almak gerekir.
2MATERYALVEMETOD
Hidrolik türbinlerde meydana gelen kavitasyon olayının gözetim ve tayini için çeşitli metotlar geliştirilmiştir. Bunlardan başlıcaları; titreşim ve gürültü seviyesinin ölçülmesi, stroboskobik araştırma metodu, türbin çalışma karakteristiklerindeki değişimlerin incelenmesi ve kavitasyon olayı tahribatı sonucu kaybolan malzeme ağırlığının ölçülmesi gibi metotlardır Bu metotlardan en yaygın kullanılanı, titreşim ve gürültü seslerinin ölçülmesi metodudur. Bu metot da kavitasyonun meydana getirdiği gürültü ve titreşimler ölçülür[1].
Şekil 2’ de şematik olarak hidroelektrik santraldeki bir ünite görülmektedir.
9 Şekil 2. Hidroelektrik santralde bir ünitenin şematik görünüşü
2.1 Deneyin Yapılışı
Bir hidrolik türbinde mutlaka içine girmekten kaçınılması fakat mümkün olduğu kadar da yaklaşılması gereken kavitasyon olayı sınırının kesin olarak tespit edilmesi son derece önemli bir olaydır. Ünite, üzerine güç alırken ve güç verirken kavitasyona uğrar. Kavitasyon sınırında salınım ve gürültü şiddeti artmaktadır.
Bu düşünceyle ünitenin kavitasyon sınır aralığı belirlenebilir. Ünite devreye girdikten sonra üzerine yük almaya başlar. Ünitenin üzerine ilk yük alışından itibaren 10’ar MW aralıklarla türbin çarkına en yakın nokta olan emme borusunun kapağından gürültü ölçülür. Şekil 3’de gürültü ölçüm cihazı görülmektedir.
Şekil 3. Gürültü ölçüm cihazı
Şekil 3’de gösterilen gürültü ölçüm cihazının markası extech 407764’dür. Cihaz 16000 veriyi 1sn ile 86400 sn aralıklarında kaydedebilmektedir. Zamana göre grafik çizdirilebilmekte ve alınan veriler rahatlıkla bilgisayar ortamına atılabilmektedir ve IEC standartlarına göre 1,5 db hassasiyetle çalışabilmektedir.
Gürültü ölçümü ünitenin gücüne göre elde edildikten sonra kavitasyonun türbin kılavuz yatağa etkisini görmek için türbin kılavuz yatağın salınımını ünite devreye girdikten sonra 10’ar MW arayla tespit etmek gerekir. Bunun için kullanılan test kayıt cihazı yardımı ile türbin kılavuz yatağın salınımı ve üretilen güç değerleri aynı anda görülebilmiştir. Deney esnasında kullanılan test kayıt cihazı şekil 4’de gösterilmektedir.
Şekil 4. Test kayıt cihazı
Şekil 4’de gösterilen kayıt cihazının markası Graphtec Linearcorder FWR3701’dir. Bu cihaz 8 kanallı olup, aynı anda 8 farklı bilgiyi ölçüp kayıt edebilmektedir. Cihazın ölçüm aralığı 0’dan 500 V aralığında mV, V cinsinden gerilim bilgilerini ve girişlerine paralel direnç bağlayarak farklı mA (miliamper) akım bilgilerini ölçebilmektedir. mV düzeyindeki çok küçük gerilimleri ölçmek için 8 kanalda da kazanç ayarı ve kalibre olanağı mevcuttur. Bilgiler, her kanaldaki ısıtıcı iğnelerle kâğıdın bir yüzünü yakarak kâğıda geçmektedir. Isıtıcı iğne ayarı ile grafik çizgilerinin kalınlığı ve netliği ayarlanabilir. Kâğıt çıktı hızı 1 sn. ile 100 msn (milisaniye) arasında değiştirilip saniyede 10 veriye kadar ölçebilmektedir. Kayıt cihazının beslemesi 220 V AC’dir.
Kayıt cihazında türbin kılavuz yatak ile ilgili deneyleri yaparken, ölçülen birinci bilgi güç bilgisidir. Güç bilgisi, santralde mevcut olan Güç transdüserinin çıkış akım bilgisini, kayıt cihazının girişlerine paralel 1 Kohm direnç bağlanarak girilmesi ile ölçülmüştür. Bunun nedeni güç transdüserinin çıkış bilgisi 4-20 mA (miliamper) olması ve cihazın girişlerinde ölçüm için (V=R*I Formülüne göre) bir gerilim oluşturulmak istenmesidir. Güç transdüseri Ünite Gerilim Transformatörlerinden ve Ünite Akım Transformatörlerinden gelen bilgileri dönüştürerek 4-20 mA çıkış bilgisi elde eder.
