SAKARYA ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ

MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI II

FRANCIS ve PELTON TÜRBİN DENEYİ

Hazırlayan

Dr.Öğr.Üyesi Ünal UYSAL –Arş.Gör. Orhan YALÇINKAYA

2019 SAKARYA

FRANCİS TÜRBİNİ

Değirmenlerden modern türbinlere geçiş yaklaşık olarak yüzyılda gerçekleşmiştir. Türbin, endüstriyel devrim sırasında bilimsel prensipler ve metotların kullanılması ile geliştirilmiştir. İlk türbin Jan Andrei Segner tarafından 1700’lerin ortasında geliştirilmiştir. 1820’de Jean Victor Poncelet içeri doğru akışlı türbini geliştirmiştir. Dışarı doğru akışlı türbin Benoit Fourneyron tarafından 1826 yılında geliştirilmiştir. James B. Francis, içeri doğru akışlı türbini geliştirerek türbin verimini % 90’nın üzerine çıkarmıştır. Francis türbini ismini geliştiricisi James B. Francis’ten almıştır. Kendisi ayrıca karmaşık testler ve su türbini tasarımında kullanılan mühendislik metotlarının geliştirilmesine de öncülük etmiştir. Francis türbini hala dünyada en çok kullanılan su türbinidir.

PELTON TÜRBİNİ

Pelton türbinleri akışkanın sadece kinetik enerjisinden yararlanan, yani reaksiyon derecesi sıfır olan ve yüksek düşüler için uygun olan türbinlerdir. Akışkan çarka girmeden önce lüle veya nozullar vasıtasıyla enerjisi kinetik enerjiye dönüştürülür. Nozuldan çıkan akışkan huzmesi kepçe denilen kanatlara çarptırılarak şekilde görüldüğü gibi yönü değiştirilir ve bu şekilde elde edilen tepki kuvvetinden yararlanılır. Kepçede huzmenin ikiye ayrılması sağlanarak eksenel yönde kuvvet oluşması önlenmiş olur. Teğetsel yönde elde edilen kuvvet ise kepçelerin bağlı olduğu çarkı döndürür. Türbin yatay veya düşey eksenli olabilir. Nozulun bağlı olduğu elemana püskürtücü denir ve debi ayarı, akış kesitini değiştiren bir iğne vasıtasıyla yapılır. Bu türbin tipi daha ziyade küçük debi ve yüksek düşüler için uygundur.

Şekil 1. Pelton Türbini

Şekil 2. Deney Düzeneğinin Genel Görünümü

DENEY DÜZENEĞİ

Deney düzeneğinin genel görünümü Şekil 2’de verilmiştir. Pompa deney düzeneği üzerinde maksimum dönüş hızı 3000 dev/dk olan bir su pompası, türbin düşüsü (mH2O) gösteren gösterge, pompa basma yüksekliğini gösteren gösterge (mH2O), vakum metre (mH2O), tork metre, pompa devrini ayarlamak için hız göstergesi ve suyun debisini ölçmek için kullanılan savak yüksekliği göstergesi bulunmaktadır.

Şekil 3. Francis ve Pelton Türbini Çarkı

Deney düzeneği temel olarak model tip Francis veya Pelton türbini ve hidrolik tanktan oluşan kapalı devre bir sistemdir.

Uygulanan su basıncı deney ünitesi üzerindeki manometre vasıtasıyla ölçülmektedir. Su debisi ise hidrolik tankta mevcut bir savak yardımıyla ölçülmektedir. Laboratuvar şartlarında türbin debi ve basınç yükünün elde edilmesi hidrolik tankta bulunan bir pompa ile sağlanmaktadır.

Güç Ölçer

Pelton Türbini

Alternatör (Jeneratör

Türbin İnlet

Savaktan Geçen Su Yüksekliği Göstergesi

Deney düzeneğimizin ikinci kısmı olan Pelton türbini, 40 mm çapında ve 13 mm kepçe derinliğine sahip 16 kanattan oluşmaktadır.

DENEY EKİPMANLARININ GÖRSELLERİ

Şekil 4. Göstergeler

Şekil 5. Mil gücü ve Alternatör-Jenaratör devir ölçer

Türbin İnlet

Şekil 6. Alternatör (Jeneratör)

Şekil 7. V Savak

Şekil 8. Savaktan Geçen Debi Ölçüm Göstergesi

DENEYE AİT TEORİK BİLGİLER Mekanik enerjiyi hidrolik enerjiye dönüştüren makinalara pompa, hidrolik enerjiyi hareket enerjisine dönüştüren makinalara ise türbin adı verilir. Türbin çarklarına çarpan akışkan, çarkı döndürür ve çarkın bağlı olduğu mil çarkla birlikte döner ve mile bağlı olan jeneratör elektrik enerjisi üretir. Akışkan enerjisinin bir kısmını da türbin sistemindeki sürtünmeler nedeniyle kaybeder. Türbin içinden geçen akışkanın türbin içine bıraktığı hidrolik (Akışkan) güç:

𝑃𝑃𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎ş𝑎𝑎𝑎𝑎𝑘𝑘= 𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝐻𝐻0 𝑃𝑃𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎ş𝑎𝑎𝑎𝑎𝑘𝑘 :Türbine gönderilen hidrolik güç, W

ρ: Suyun yoğunluğu, 1000 kg/m3

Q: Hacimsel debi, m3/s

g: Yerçekimi ivmesi, m2/s

H0: Net düşü, mSY

h : Savaktan geçen su yüksekliği (mm) ile ifade edilir. Her akım makinasını tanımlayan beş büyüklük vardır. Tanım büyüklükleri, devir sayısı, debi, özgül enerji, verim ve güçtür. Bu büyüklüklere göre özgül tanım sayısı veya “Özgül Hız” adı verilen bir katsayı kullanılır.

DENEYİN AMACI

Pelton veya Francis türbininin çalışma prensibini uygulamalı olarak öğrenmek ve performans karakteristiklerinin deneysel olarak ölçülmesi ile performans karakteristik eğrilerinin belirlenmesidir.

DENEYİN KAPSAMI

Temel olarak, model tip bir Pelton veya Francis türbinin performans parametrelerinden debi, basınç, çark dönme hızı ve torkunun deneysel olarak ölçülerek gücünün ve veriminin belirlenmesini içermektedir. Ayrıca, bu ölçümlere bağlı olarak performans parametrelerinin birbirlerine göre değişimleri belirlenerek performans eğrilerinin oluşturulmasını kapsamaktadır. Bu ölçümler değişen debi ve nozul veya yöneltici çark vana açıklıkları altında basınç yükü, çark hızı, mil gücü ve veriminin değişimlerini içermektedir. Türbin performans karakteristik eğrilerinin yanı sıra sistem karakteristik eğrileri de belirlenerek optimum çalışma noktasının tespit edilmesini de içermektedir. Bununla beraber benzerlik bağıntıları kullanılarak prototip bir türbinin performans parametrelerinin belirlenmesi ve türbin seçimi yapılmasını kapsamaktadır.

DENEYİN YAPILIŞI

1. Pompadan geçen debinin ölçümü için önce V savaktan geçen suyun yükseklği saydam cetvelden okunur ve ekte verilen grafikten debi belirlenir.

2. Türbine giren akışkanın net düşüsü “Türbine Inlet” yazan manometreden mSY (metre su yüksekliği) olarak okunur,

3. Türbin mil gücü [𝑃𝑃𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ] güç ölçerden okunur.

4. Türbin giriş debisi değiştirilerek önceki maddeler her bir debi değeri için tekrarlanır ve değerler okunarak tablo haline getirilir.

5. Akışkan gücü [𝑃𝑃𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎ş𝑎𝑎𝑎𝑎𝑘𝑘] her bir debi değeri için ayrı ayrı hesaplanır

6. Son aşama olarak türbin verimi hesaplanır ve istenen grafiklerin çizimleri yapılır.

DENEY VERİLERİNİN TABLO HALİNE GETİRİLMESİ

HESAPLAMALAR

• Türbine Verilen Hidrolik Güç(𝑷𝑷𝒂𝒂𝒂𝒂𝑎𝑎ş𝒂𝒂𝒂𝒂𝒌𝒌)

𝑃𝑃𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎ş𝑎𝑎𝑎𝑎𝑘𝑘= 𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝐻𝐻0

η𝑔𝑔𝑔𝑔𝑘𝑘𝑔𝑔𝑚𝑚 =𝑃𝑃𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚

𝑃𝑃𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎ş𝑎𝑎𝑎𝑎𝑘𝑘 ; η𝑔𝑔𝑔𝑔𝑘𝑘𝑔𝑔𝑚𝑚=Türbin Verimi

𝑛𝑛𝑛𝑛 = 𝑛𝑛�𝜌𝜌

𝐻𝐻34

; 𝑛𝑛𝑛𝑛 = Özgül tanım sayısı

n: devir sayısı d/d, Q:Debi (𝑚𝑚3

𝑠𝑠) ve H: türbin düşüsü (m), h: savaktan geçen su

yüksekliği (mm)

Büyüklük [Birimi] 1.Deney 2.Deney 3.Deney 4.Deney 5.Deney

h [ ] 𝑸𝑸 [ ] 𝑯𝑯𝟎𝟎 [ ] 𝑷𝑷𝒂𝒂𝒂𝒂𝑎𝑎ş𝒂𝒂𝒂𝒂𝒌𝒌[ ] 𝑷𝑷𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎 [ ] 𝒌𝒌 [ ] η (Verim)

Şekil 9. Pelton ve Francis Türbin Deneyi V Savaktan Geçen Su Yüksekliğine Bağlı -Debi Grafiği

h (S

avak

tan

geçe

n su

yük

sekl

iği)

[mm

]

Q (Debi) [L/dk]

DENEY RAPORUNDA İSTENENLER

1- Türbin Veriminin ve Özgül tanım sayısının hesaplanması( Her bir debi değeri için), 2- Mil gücü-Debi grafiğinin çizilmesi, 3- Mil gücü- Akışkan gücü grafiğinin çizilmesi 4- Deney verilerinin tablo haline getirilmesi

Not: Pelton Türbini deney raporunun çıktısı alınacak ve hesaplamalar için bu çıktı kullanılacak. Grafik çizimleri ise arka yüzdeki milimetrik kâğıda yapılacak. Excel ile çizdirilen grafikler kabul edilmeyecektir.)

KAYNAKLAR

1. Uygulamalı Hidrolik Makinaları, İ. Çallı, Sakarya, 2011.

2. Tecquipment international, GH5 series tutor pumps and turbines instruction manuel.

3.Makina Mühendisleri için uygulamalı akışkanlar mekaniği, Prof.Dr.Kaan Edis, Prof.Dr.Haluk Kardoğan