YENİLENEBİLİR ENERJİ KAYNAKLARI

HİDROLİK MAKİNALAR

HİDROLİK TÜRBİN ANALİZ VE DİZAYN ESASLARI

Hidrolik türbinler, su kaynaklarının yerçekimi

potansiyelinden, akan suyun kinetik

enerjisinden ya da her ikisinin bileşiminden

enerji elde etmek için kullanılırlar. Bu türbinler,

genel olarak itici güç (aksiyon) ya da reaksiyon

türbinleri olarak sınıflandırılır. Reaksiyon

türbinleri ayrıca radyal ve karışık akışlı türbinler

(Francis) ve ya eksenel akışlı ya da pervaneli

türbinler (Kaplan tipi) olarak sınıflandırılır.

Genellikle türbin tipinin seçimine karar verirken

en önemli kriter verimdir. Şekil 16.14’de üç türbin

tipi için özgül hız verim eğrileri gösterilmektedir.

Özgül hız aşağıdaki denklemle hesaplanır.

Burada h (m) düşü, ne (d/d) optimum verim

noktasına karşılık gelen devir sayısı.

Özgül hızın değişimine göre turbo makinalarda

kanat profillerinin değişimi.

AKSİYON TÜRBİNLERİ

Aksiyon türbinleri nispeten yüksek düşülerde ve

düşük akış hızlarında çalışır. Bir ya da daha

fazla nozulla mevcut enerjiyi kinetik enerjiye

çevirir, bu enerjinin çoğu dönen çarktaki sabit

kepçelere aktarılır. Oluşan tork jeneratör ya da

diğer makineleri tahrik eder. Kayıpların büyük

bölümü hava, sıvı sürtünmesi, türbülans,

ayırma ve sızdırmazlıklar probleminden

meydana gelir.

NOZUL DIYAZNI

İdeal çıkış hızı, Bernoulli eşitliğinden

hesaplanır:

İdeal hız, sürtünme ve türbülans hesabında Cv

hız katsayısı ile çarpılır. Cv 0.95 (iğneli vana

kısmen kapalı) ile 0,99 (iğneli vana tam açık)

arasında değişir.

Gerçek debi, boşaltma katsayısı Cd ile ideal

debinin çarpımıyla elde edilir. Boşaltma

katsayısı hız katsayısı ile daralma katsayısının

çarpımıdır. (boşaltma noktasında nozul

alanının jet çıkışındaki alana oranı). değeri

yaklaşık 0.94 tür.

Kütlenin korunumu denklemi ile:

Burada

Nozul Boyutları

Nozul boşaltma çapı, hesaplanmış jetin

çapından yaklaşık %20 daha fazla yapılır.

Nozul30-40 lik koniklik ile sınırlandırılmalıdır.

Dönme Hızı

n (devir/dakika) en uygun türbin verimi için

özgül hızdan aşağıdaki gibi hesaplanır.

Düşü (m) Özgül Hız ()

1000 5.0 -5.5

2000 4.0 – 5.0

Burada: n (d/d); şaft B.G; H türbin düşüsü (m).

Türbin jeneratörü tahrik ediyorsa, dönme hızı

için aşağıdaki denklemle hesaplanan senkron

hıza en yakın değer seçilir:

Burada: frekans (1 saniye 60 devir)

p : kutup sayısı

Çark Çapı (Dp)

Deneyime dayalı temel bir faktör olan, Şekil 13

te yardımıyla bulunur.

Kepçe Girişinde Mutlak Hız

Burada U Kepçenin üzerindeki noktanın

çevresel hızıdır. V2 kepçeden çıkış hızı sıfırdan

büyük olmalıdır, ancak V2 ne kadar büyürse U

hıza da o oranda hızı azalır.

Suyun 2 kepçede dönüş açısı olarak

adlandırılırsa, maksimum iş 2 =180o de elde

edilir. Ancak, suyun arkadan gelen bir sonraki

kepçeye çarpmasını önlemek için 2 açısı 150-

160o ye kadar azalmalıdır.

Kepçe Şekil ve Boyutları

Kepçe dikey merkez çizgisinin her iki tarafında yarı-elips şeklindedir. Keskin kenarlı ayırıcı akımı böler, her iki yana gönderir.

Yaklaşık kepçe boyutları:

B-Genişliği = 3d

D-Derinliği = 0.85d

L-Uzunluğu = 2.6d

Burada, d = Nominal kapasiteli jet çapıdır.

Güç Analizi

Burada; V= teğetsel hız

U = çevresel hız

m = kütlesel debi

W = güç

REAKSİYON TÜRBİNLERİ (FRANCİS)

Francis türbini santrifüj pompaya benzer bir

şekilde etrafı saptırıcılarla sarılmış çarktan

oluşur. Saptırıcılar akışı yönlendirir ve çarkın

çevresindeki hızı ve gücü kontrol eder.

Salyangozdan türbine giren suyun hızı, kesit

alan değişimiyle sabit tutulur. Mevcut düşü 25-

490 m normal aralığı için özgül hız 15-100

arasında olmalıdır.

Dizayn

Türbin kanatlarının ucu giren bağıl hıza teğettir.

Kanatlar suyun teğetsel hızı sıfıra inecek

şekilde tasarlanır. Böylece, Euler eşitliğinde

çıkış terimi ihmal edilebilir ve çıkan mutlak hız

ile teğet arasındaki açı 90 ayarlanabilir. (Hız

üçgenleri için, Şekil 2'ye bakınız.) Güç eşitliği

aşağıdaki gibi olur:

Hızın Seçimi

Ekonomik olarak küçük ünitelerde yüksek

dönme hızları istenir. Bununla birlikte verimlilik,

kavitasyon ve yapısal mukavemet parametreleri

de hız için üst limiti belirler

Şekil 16.14’te üç ana türbin tipi için özgül hızına karşı verim alanı verilmiştir. Aşağıdaki sayfada Şekil 16.16’da maksimum etkin düşüye ye karşı özgül hız alanı verilmiştir. En uygun hızı seçebilmek için, Şekil 16.16 da maksimum etkin düşü ile emme yüksekliği belirlenir ve kavitasyon alanının dışında en yüksek özgül hız değeri seçilir. Daha sonra n (d/d) hesaplanır. Şekil 16.14 te verim tahmini yapılır. Spesifik hızdan hesaplanan değere uyan en yakın senkron hız seçilir.

Çark Çapının Seçilmesi

Çark çapı santrifüj pompalar için kullanılan formüle benzer şekilde.

Burada D (m) ve çevresel hız faktörü Şekil 16.14’ten bulunur.

Kepçe sayısı şu formülden hesap edilebilir:

Genel olarak kepçe sayısı yüksek özgül hız için

12 ve düşük özgül hız için 21’dir.

Emme Boruları

Su türbinden geçtikten sonra emme borusuna

girer. Şekil 16. 11 de gösterilmiştir. Türbin

dizaynının ayrılmaz bir parçası olan borunun

amacı üç kısımdan oluşmaktadır:

1. Düşü kaybı olmadan kuyruk suyu seviyesi

üzerinde bulunan türbinin çalışmasına izin

vermek.

2. Difüzörün hareketiyle çarktan ayrılan kinetik enerjinin makul miktarını geri kazanmak.

3. Bakım ve kontrolünü kolaylaştırmak.

Emme borusunun üst çıkışında basınç atmosfer basıncının altındadır. Bu nedenle kavitasyonu önlemek için kuyruksuyu üstündeki yüksekliğinin sınırlandırılmasına dikkat edilmelidir. Borunun girişindeki suyun hızı 7,5 ile 9,5 m/s arasındayken çıkışta 1,5-2 m/s civarındadır.