yenİlenebİlİr enerjİ kaynaklari -...

YENİLENEBİLİR ENERJİ KAYNAKLARI

HİDROLİK MAKİNALAR


BÖLÜM I

Su Çarkları

SU ÇARKLARI

Su çarkları yüzyıllarca önce Çin'de, Mısır'da su enerjisini mekanik enerjiye çevirmek için kullanılmıştır. Bazı özellikleri nedeniyle bugün dahi çok sınırlı ölçüde kullanılmaktadır.

Çeşitleri;

1. Alttan Çarklar

2. Yan Çarklar

3. Göğüs Çarkları

4. Üstten Çarklar

I — Alttan çarklar :

a — Basit Radyal çark :

Suyun hız enerjisinden faydalanan bu makina

en eski geçmişi olan çark tipidir. Çark çapı 5,5

ilâ 7 m. arasında değişir, H düşüsü 1,5 metreyi

aşamaz. (Şek. 1.)

Giriş ve çıkış arasında hareket miktarı teoremi

uygulanırsa çarka etkiyen teğetsel kuvvet

F= .Q.(C1-C2)

çıkışta su hızı çark teğetsel hızına eşit kabul

edilirse hidrolik güç;

Nh=.Q.(C1-U) U

Buna göre çarkın hidrolik verimi, hidrolik gücün çark girişinde sudaki enerjiye oranı olarak;

şeklinde olur. C1 hızını sabit tutup son ifadenin U hızına göre türevi alınarak sıfıra eşitlenirse U=0,5 C1 maksimum verim şartı elde edilir. Bu şart gerçeklenince en büyük verimin

olduğu görülür. Pratikte kaçaklar ve mekanik verim yüzünden toplam verim % 30-31 i geçmez. U çevresel hızı 0,45 C1. alınır. Bu çarkın, doğrudan doğruya bir tabii akar suyun üstüne monte edilerek kanatları suya dalan tipleri de kullanılır; fakat bunların verimleri daha da düşüktür (0,20 — 0,25 civarında).

B) PONCELET ÇARKI : (VİKTOR PONCELET

1788 — 1866)

Alttan çarkın daha gelişmiş şeklidir. Darbe

etkisini ve kayıpları önlemek için kanatlara

eğrilik verilmiştir. Bu suretle ws bağıl hızı girişte

kanada teğet olacaktır. Verim % 60-65 e kadar

yükselir. (Şek. 2)

II.— YAN ÇARKLAR :

Bu çarklarda su kanada girdiği zaman ilk hızı ile

daha sonra çarkı terk edinceye kadar ağırlığı ile

etkir. Su ayarlı bir savaktan kepçelere dolar. Yan

çarklar m. ilâ 2,5m. düşüler arasında kullanılır;

verim % 50 ilâ 70 arasında değişir. (Şek. 3)

II.— YAN ÇARKLAR :

III. — GÖĞÜS ÇARKLARI:

Su getirme kanalı, ucunda bir takım püskürtücü

lüleler bulunan bir teknede son bulur. Yine bu

tekne sonunda bir sürgü yardımı ile debi ayarı

sağlanır. Genel olarak 2,5 ilâ 5 metre

arasındaki düşülerde kullanılır. Özellikle

mansap (baş taraf) taki su seviyesinin

değişmesi halinde uygun bir çözüm teşkil eder.

Çark çıkışta 15-20 cm. suya gömülebilir. Verim

% 65-70 arasında değişir. (Şek. 4)

III. — GÖĞÜS ÇARKLARI:

IV.— ÜSTTEN ÇARKLAR :

Tam ağırlık esasına göre çalışan bir çarktır.

Çarkın baş taraftaki su yüzeyine değmemesi

gerekir. 3-15 m. arasındaki düşülerde kullanılır.

Dönme hızı küçük olduğu için çevireceği

makinaya çoğu zaman bir hız yükseltici ile

bağlanması zorunlu olur. Verim % 60-80 e

kadar yükselebilir. (Şek. 5)

IV.— ÜSTTEN ÇARKLAR :

ÇARKLAR İLE TÜRBİNLERİN KARŞILAŞTIRILMASI:

1. Türbinler çarklara göre daha az yer tutarlar. Yani bunların özgül güçleri fazladır.

2. Türbinler yüksek devirde çalışabilir; bu nedenle Jeneratör fiyatı ucuzlar.

3. Türbinler çok geniş bir düşü aralığında çalışabilirler (H=1-1500 m.).

4. Genel olarak türbinlerin verimleri yüksektir. (% 90-94) i bulabilir.

5. Türbin güçleri tek grup için büyüyebilir. Halihazırda 900 000 B.G. üzerinde su türbinleri mevcuttur.

Bunlara karşın :

1. Çarkların konstrüksiyonları basittir bakımları fazla itinaya ihtiyaç göstermez.

2. Küçük güçler için çarklar daha ucuza mal olabilir. (Birkaç B. G. için)

3. Su çarkı tesisleri ve işletmeleri çok fazla bilgi gerektirmezler.

4. Değişken debilerde çark verimi çok büyük değişmeler göstermez.


BÖLÜM II

Su Türbinleri

SU TÜRBİNLERİ

1. — SINIFLANDIRMA :

Su türbinleri çeşitli yönlerden aşağıdaki şekillerde

sınıflandırılabilir :

A)Suyun etki Şekline göre :

Reaksiyon türbinleri

Aksiyon türbinleri

1. REAKSİYON TÜRBİNLERİ:

Bu tip türbinlerde esas olarak suyun basınç

enerjisinden yararlanılır. Bu gün kullanılan

reaksiyon türbin tipleri şunlardır :

Francis türbinleri (Deriaz tipi dahil)

Uskur türbinler

Kaplan türbinleri

2.Aksiyon türbinlerinde suyun kinetik enerjisi

kullanılır. Çark giriş ve çıkışında basınç enerjisi

aynı kalır. Tip olarak Peltonlar ve Turgolar

sayılabilir.

B) Suyun akış doğrultusuna göre :

1.Eksenel akışlı türbinler (Kaplan, Uskur)

2.Radyal akışlı türbinler (Francis ve bırakılmış

bazı tipler)

3. Diyagonal akışlı: türbinler (Yüksek hızlı Francis,

Deriaz türbini)

4. Teğetsel akışlı türbinler (Pelton)

5. Sapkın akışlı türbinler (Turgo)

C) Türbin milinin durumuna göre :

1. Yatay eksenli türbinler

2. Düşey eksenli türbinler

3. Eğik eksenli türbinler

Bütün modern türbinler her 3 şekilde de imal

edilebilirler ancak büyük güçler için düşey eksenli

tipler, küçük güçler için yatay ve eğik eksenli

türbinler tercih edilir.

D) Özgül hıza göre sınıflandırma :

Türbinleri pompalar gibi ileride tanımı verilecek olan bir sayıya, (Özgül hıza) göre daha rasyonel bir şekilde sınıflandırmak mümkündür.

8-30 Pelton

60-125 Yavaş Francis

125-225 Orta hızlı Francis

225-400 Hızlı Francis

400-1200 Kaplan ve Uskur

2. — GÜÇ BAĞINTILARI :

Bir türbinin (1) giriş noktası ile (2) çıkış noktası

arasındaki yük azalması birim ağırlıktaki sıvının

türbin içinde kaybettiği enerjiyi vermektedir. (Yük,

birim ağırlıktaki akışkanın enerjisidir) Bunu

kütlesel debi ile çarparsak toplam olarak türbin

içinde sarf edilen yani (sudan alınan) güç

bulunur.

Yükteki azalma;

olduğuna göre, güç aşağıdaki biçimde ifade edilir:

kg/m2s2

Söz konusu enerjinin hepsinin mekanik

enerjiye çevrilmiş olduğu düşünülemez. İlkin

türbine giren suyun hepsi çark içinden

geçerek enerji dönüşümüne katılmaz, kaçak

ve kayıplar nedeni ile suyun bir kısmı çarka

girmeden boşluklardan kaçar ve türbini terk

eder.

Bundan sonra çark içinde ve türbinin diğer

organlarında hidrolik yük kayıpları yüzünden

enerji dönüşümü belirli bir verimle

gerçekleşir. Sonuç olarak hidrolik kayıplar

çıktıktan sonra birim zamanda çarka verilen

enerji «Hidrolik güç» adını alır ve Nh ile

gösterilir.

Çarktaki Nh hidrolik gücü türbin milinde

yaratılan mekanik güçten büyüktür. Aradaki

fark yataklar ve salmastralardaki mekanik

kayıplardan doğar.

Türbin milinden alınan güce Efektif Güç denir.

Bu güç mildeki çevirme momenti ve devir sayısı

cinsinden şöyle yazılır :

Nm

Sözü edilen güçler arasındaki oranlar çeşitli

verimleri tanımlar. Buna göre, kaçak verim,

Hidrolik verim

şeklinde yazılır ki değeri modern türbinlerde' %

85-96 arasındadır. Büyük değerler çok büyük

gruplar için geçerlidir. Mekanik verim ise

şeklindedir. (% 92-97) arasında değişir. Üç

verimin çarpımı genel verimi verir.

Genel verim türbinlerde % 85-92 arasındadır. Çok

büyük güçlü modern türbinlerin veriminde % 94'e

kadar çıkılmıştır.

3. — NET DÜŞÜNÜN TANIMI :

Şekildeki gibi Hg ham düşüsü altında çalışan bir

reaksiyon türbini göz önüne alalım. 0 — 1 arasında

cebri borudan geçen su (1) de türbine girmekte (2)

de türbin çarkını terk ederek difüzöre geçmekte ve

(3) de difüzörden çıkarak boşalma kanalına

erişmektedir.

Net düşü en genel anlamı ile türbin giriş ve çıkış

noktaları arasındaki yük farkıdır. Yani başka bir

sözle birim ağırlıkta suyun türbine verdiği enerjidir.

Eğer türbin giriş ve çıkışı karşılıklı olarak (1) ve

(2) alınırsa bu takdirde difüzörsüz türbinin net

düşüşü söz konusu olur. Bu düşü şekide HOT

ile gösterilmiştir.

Pratikte Türbin, difüzörü ile birlikte göz

önüne alınır. Ayrıca eğer türbin çıkışı olarakta

(3) noktası yerine (4) noktası alınırsa (3)

noktasındaki çıkış kaybı da türbine yüklenir.

Bu takdirde net düşü

olarak tanımlar. Net düşü ifadesi ham düşü

cinsinden yazırsa, (V4 hızı ihmal edilerek)

Olur. Burada terimi, türbine gelinceye kadar meydana gelen bütün yük kayıplarını gösterir. Bu durumda reaksiyon türbinleri için net düşü 1 kg suyun türbin giriş noktasında, boşalma kanalına göre enerjisini (kgm) cinsinden vermektedir.

Yayıcısız türbinin net düşüşü ile tam net düşü arasındaki fark, difüzör kayıpları ile çıkış hız enerjisi toplamına eşittir.

Yüksek düşülerde bu fark pek büyük değilse

de alçak düşüler için önemli bir rol oynar.

Komple türbinin veriminden bahsederken

kesinlikle Ho esas olmalıdır. Aksi halde HOT

alınırsa, gerçek değerinden daha büyük bir

verim hesaplanır.

TURBO MAKİNALARIN GENEL TEORİSİ

4. — EULER TEOREMİ :

Bir dönme eksenine göre tam simetrik vedaimi bir akışın söz konusu olduğumakinelere Türbo makine denir.

Makinenin çarkına akışkanın girdiği veçarkı terk ettiği noktalar iki dönel yüzeyteşkil eder. Biz bir ipçiğin bu iki yüzeyarasında kalan kısmını alıp hareketmiktarı momenti teoremini uygulayacağız.Bu teoreme göre bir ipçiğin hareketmiktarının dönme eksenine göremomentinde birim zamanda meydanagelen azalma bu parçanın çarkauyguladığı momente eşittir.

(1) noktasında akışkanın mutlak hızı C1 (2)

noktasında C2 olsun. Yine (1) noktasında

çarka ait noktanın hızı (sürüklenme hızı) U1

ve (2) noktasında U2 olsun. Sürüklenme

hızlarının dönme eksenine dik oldukları

belirgindir. Mutlak hızların sürüklenme hızları

üzerindeki izdüşümlerini, yani başka bir

deyişle mutlak hızların teğetsel bileşenlerini;

Cu1 ve Cu2 ile gösteriyoruz.

dt kadar zaman içinde (1) kesiti (1’) ne ve (2)

kesiti (2') ne gelmiş olsun. Hareket daimi

olduğu için ilk göz önüne aldığımız ipçik

parçasının hareket miktarında (1) (2) arasında

değişiklik olmamıştır. O halde hareket miktarı

momentindeki azalma (ipçiğin debisi dq ile

gösterilirse),

Olduğundan teoremin yazılmasıyla bu ipçiğin çarka uyguladığı moment

bulunur. Çarka uygulanan toplam momenti bulmak için tüm ipçiklere ait kısmî momentleri toplamak gerekir. Eğer bir ipçik diğer bütün ipçiklerin ortalamasını karakterize ediyorsa Q toplam debiyi göstermek üzere,

yazılır. Bu denklem türbinler için uygulanabilir.

Pompalar halinde çarka uygulanan direnç

moment,

formülü ile hesaplanır.

5. — HİDROLİK GÜÇ ve VERİM:

Yukarıda bulduğumuz moment ifadesini çarkın

açısal hızı ile çarparsak çarkın sudan aldığı

hidrolik güç bulunur. Bunu B. Beygir gücü

cinsinden yazalım.

Hidrolik verim bir türbin için bu gücün N0 ‘a oranı olduğundan

bulunur. Mutlak hız ile sürüklenme hızı arasındaki açıyı ile gösterirsek aynı ifade

şeklinde yazılır.

6. — HIZ KATSAYILARI :

Hızları boyutsuz sayılarla göstermek istersek,

tanımları yapılır. Bu tarifleri hidrolik verim ifadesine uygularsak

Veya

yazılır

Reaksiyon türbinlerinde nominal çalışma durumunda çıkış mutlak hızının teğetsel (Cu2) bileşeni sıfır olduğu için

Bahsi geçen hız katsayılarının kullanılması türbinler arasında kıyaslama kolaylığı sağladığı gibi belirli bir türbin için bu katsayılar büyük değişiklik göstermediklerinden konstrüksiyonda iyi bir araç oluştururlar.

7. — REAKSİYON DERECESİ:

Çarkın net düşüşünü ele alalım;

ilk iki terim giriş ve çıkış arasındaki potansiyel

enerji farkını, üçüncü terim ise kinetik enerji

farkını ifade etmektedir. Net düşü kinetik ve

potansiyel enerjilerin toplamı üzerindeki

değişimi göstermektedir. Potansiyel enerjideki

değişimi gösteren

miktarının toplam enerji değişimine oranı p=h/HOT türbin çarkının reaksiyon derecesini tanımlamaktadır. Yukarıdaki bağıntılardan

her iki taraf a bölünürse :

elde edilir.

8. — BAĞIL HAREKETTE BERNOULLİ TEOREMİ:

Bir türbo makinanın çarkı içinde iki noktaarasında sıkıştırılamayan daimi akış için

bağıntısı yazılabilir. Bu bağıntıda yalnızsürüklenme hızları ile Bağıl hızlar bulunduğu içinbazı hallerde faydalıdır. Eğer gerçek akışkan sözkonusu ise (1) ve (2) arasındaki sürtmekayıplarını göstermek üzere denklemi

şeklinde yazmak mümkündür.

9. - - NET DÜŞÜNÜN KİNEMATİK BÜYÜKLÜKLER

CİNSİNDEN İFADESİ :

Net düşü tarifini ele alalım. Yukarıdaki denklem

ile bu denklem toplanırsa

ifadesi elde edilir. Dikkat edilirse bu sonuncu

bağıntıda boru kaybından başka yalnız

kinematik büyüklükleri vardır.

REAKSİYON TÜRBİNLERİ 1. DOĞUŞ VE GELİŞİMİ :

Barker çarkı reaksiyon Türbinlerinin atasıdır. Buçarkta aksi yönde çalışan iki huzmenindoğurdukları reaksiyon kuvvetleri bir momentoluşturur. Huzmenin mutlak hızı C ise tepkikuvveti ve moment iki huzme için

Kuvvet:

Moment:

Sistem açısal hızı ile dönmekte ise hidrolik güç,

olur.

Reaksiyon (tepki) esasına dayanan ilk endüstriyel çark 1826 da Fransız Mühendisi Benoit Fourneyrontarafından gerçekleştirilmiştir. Fourneyron'un çarkı yukarıdaki gibi merkezkaç tipte olmakla beraber 1927 de bu türbin % 80 verimle 6 BB. güç veriyordu.

1833 yılında Amerikalı Samuel Howd ilk merkezcil türbini çalıştırdı. James Micheno Francis ise 1846 da Howd'un patentini gayet iyi bir işçilik ve mühendislikle uygulayarak yüksek bir verim elde etti. Francis'in. türbini radyal merkezcil idi, 1879 da Mc. Cormick eğik akışlı türbini imal etmiştir. Bugünkü Francis türbininin atası budur.

Tam eksenel akışlı türbinin ilk Örneği 1843 de Jonvaltarafından verilmekle beraber bu türbin kısa zamanda bırakılmıştır.

Yüksek hızlı, alçak düşülü tesisler kurmak ihtiyacı uskur türbinlerin doğuşuna neden olmuştur. Kısmî yüklerde daha iyi bir verim elde edebilmek için V. Kaplan tarafından 1913 de ayarlı pala sistemi icat edilmiş ve uskur tipi çarklara yeni bir ufuk açılmıştır.

Brno Teknik Üniversitesinde Profesör olan Victor Kaplan sistematik çalışmalarının, sonucu elde ettiği buluşunu sanayicilere kabul ettirmek için hayli uğraştı. Başlangıçta ütopik ve gerçekleştirilemez sanılan bu buluş bugün alçak düşülü modern santrallarındeğişmez tertibi niteliğindedir.

A. FRANCİS TÜRBİNLERİ

Francis türbinlerinin iki tipik şekli mevcuttur:

a) Salyangozlu Francis türbini

b) Açık su odalı Francis türbini

Salyangozlu Türbinler 6-8 metrenin üstündeki düşülerde, açık su odalılar, bu değerin altındaki düşülerde kullanılır. Her iki tip türbinde fark eden kısım yalnızca suyun dağılma sistemindedir.

a— Salyangozlu Francis türbini: (Şek. 11).

Salyangoz: Basınçlı borudan gelen suyu alıp türbin çevresi boyunca taşıyan ve dağıtıcı kanatlarına veren bir kılıftan ibarettir.

Ön dağıtıcı: Mukavemet gayesi ile konmuş kanatçıklar.

Dağıtıcı : (Distribütör) Salyangozdan gelen suyu istenilen açı ile çarka sevk eden kanatlardır. Bunlar aynı zamanda debiyi değiştirerek güç ayarını temin ederler.

Çark: Hidrolik enerjiyi mekanik enerjiye çeviren elemandır.

Kumanda çemberi: Dağıtıcı kanatlara biyelcikler yardımıyla kumanda eden çemberdir.

Kumanda mekanizması: Kumanda çemberine hareket veren mekanizma.

Difüzör (yayıcı) : Çarktan çıkan suyu boşalma kanalına ileten borudur. Aynı zamanda çıkış hız enerjisini azaltarak türbin genel verimini artırır.

Salmastra kutusu: Mil ile sabit kısım arasındaki kaçakları önleyen kutu

b — Acık su odalı Francis Türbini:

Şekil 12 de açık su odalı ve yatay eksenli bir Francis türbini tesisinin şeması,verilmiştir. Şekildeki tesise ait elemanlar şunlardır :

1. Giriş dip vanası : Açık su odasına giren suyu ayarlayan vana

2. Izgara : Yüzen veya sürüklenen maddeleri tutmak için konmuştur.

3. Su odası : Salyangoz yerine geçer ve geniş, su hacmini sağlar,

4. Türbin dağıtıcısı : Çarka suyu istenilen açıda veren ve aynı zamanda debi ve güç ayarını temin eden organ.

5. Yayıcı : Türbinden akan suyu boşalma kanalına gönderen konik boru.

6. T— Volan : Küçük türbinlerde rotorun atalet momentini büyültüp regülasyon düzgünlüğünü sağlayan eleman.

7. Jeneratör : Elektrik üreten makina.

8. Boşalma kanalı : Yayıcıdan çıkan suyun boşaldığı kanal.

9. Kumanda mekanizması : Dağıtıcı kanatlara hareket veren mekanizma,

2. YAYICININ ROLÜ :

Reaksiyon türbinlerinde türbin çıkışı ile boşalma kanalı arasında mevcut bulunan özel boruya yayıcı veya difüzör denir. Bu elemanın iki görevi vardır.

1 __ Yayıcının birinci rolü türbini istenilen seviyeye monte etmek imkânını sağlamasıdır. Bu suretle küçük hidrolik tesislerde makina dairesinin, mansap seviyesi dalgalanmalarından etkilenmemesi temin edilmiş olur. Aşağıda birbirine idantik iki hidrolik tesis şeması ele alınmıştır.

(A) ve (B) tesislerde yalnız türbinin monte

edildikleri seviyeler değişiktir. Kolaylıkla görülür

ki her iki tesiste türbin çarklarının net düşüleri

aynı kalmaktadır. Dolayısı ile güçler de

değişmez.

Bunu göstermek için difüzörsüz türbinin net

düşüşünü yazalım.

Hg ham düşüşü aynı olduğuna göre, boru

kayıpları toplamının eşit olduğu gösterilirse H0

değerinin A ve B halinde eşit olduğu çıkar.

2 — Yayıcının ikinci rolü: Yayıcı normal olarak

konik bir profili haizdir. Başka bir sözle kesit

akış yönünde gittikçe büyümektedir. (2) kesiti

(3) kesitinden küçüktür. Şimdi bunun faydasını

görelim. Hs emme yükseklikleri aynı olan iki

türbinden biri konik diğeri sabit kesitli yayıcıya

sahip olsun (Şek. 14).

2 ile 4 arasında Bernoulli denklemini

uygulayarak A Türbini için

ve (2) noktasında efektif basınç

olarak yazılır. Görüldüğü gibi A çarkından çıkıştaki basınç B çarkındakinden

kadar daha düşüktür.

Toplam tesisin net düşüsü sabit kaldığı halde A halinde çarka ait net düşü B halinden bu miktar kadar daha fazladır. Zira:

şeklinde yazılır. Burada parantez içindeki ifadenin yalnız basınç terimi fark etmekte ve B halinde bu terim küçülmektedir. Bu da HOT ninbüyümesine neden olur.

3. DİFÜZÖR (YAYICI) VERİMİ :

Şeklinde yazılır, bu ifadeyi kazanılan potansiyel enerjinin kinetik enerji değişikliğine oranı olarak da yazmak mümkündür. Yalnız bu halde 2 ile 3 noktaları arasında kazanılan potansiyel enerjiyi yazarken basınç enerjileri farkından, kot farkının doğurduğu yükselti enerjisi kaybını çıkarmak gerekir. Gerekli düzenlemeler yapılırsa verim ifadesi;

halini alır. İyi bir difüzörde verim 0,85 — 0,90 a çıkabilmektedir.

Difüzörün çıkışındaki kinetik enerji kayıp edilmiş sayılırsa

kazanılan potansiyel enerjinin yalnız girişteki kinetik enerjiye oranı

şeklinde bir verim tanımlanabilir. Buna Difüzörün etkinlik derecesi

diyeceğiz, etkinlik derecesi ifadesi,

HİDRODİNAMİK BENZEŞİM

1. GENEL :

Eğer A ve B gibi iki akış birbirinin benzeri ise A

üzerindeki her A1 noktasına B üzerindeki B1

gibi bir nokta karşı gelir, Aynı şekilde

A2noktasına B2 noktası karşı gelir.

Herhangi bir nokta çifti arasındaki uzaklıktan

modeldeki homologları arasındaki uzaklığa

geçmek için bu uzaklığı aynı sabit bir sayı ile

çarpmak gerek ve yeterlidir.

Bu ifade akışı sağlayan cidarların birbirine

geometrik olarak benzer olduğu anlamına gelir.

( )’ya geometrik benzerlik oranı denir. Bir

noktanın hızından benzer noktanın hızına

geçmek için hız vektörü sabit bir () sayısı

çarpılmalıdır.

Eğer geometrik benzerlik şartına ek olarak bir noktada akışkan parçacığını etkileyen dış kuvvetten homolog noktaya sabit bir benzerlik katsayısı ile geçilebiliyorsa bu benzerlik için yeter şarttır. Bu durumda modeldeki bütün parçacıklar prototipte bütün parçacıklarla aynı cins kuvvet yayılışı etkisinde bulunur.

Yani A1 deki kuvvetin B1 dekine oranı A2 deki kuvvetin B2 dekine oranına eşittir. Bu işlem her çeşit kuvvet için aynen uygulanabilir.

Dış kuvvet olarak yalnız viskozite ve atalet

kuvvetleri mevcut olduğuna göre bunların (1)

noktasında bulunan, m kütlesindeki bir

parçacığa gelen değerlerini ele alalım :

A halinden B haline atalet kuvveti için geçiş katsayısı ne ise viskozite kuvveti için de aynı olur. Başka bir deyişle modelde ve gerçekte atalet kuvvetlerinin viskozite kuvvetlerine oranı aynıdır.

bulunur. Bu ise boyutsuz Reynolds sayısının benzer akışlarda eşit olması gerektiğini gösterir.

Sonuç olarak yalnız viskozite ve atalet

kuvvetleri etkisinde olan akışkanlarda dinamik

benzerlik için şart geometrik benzerliğe ek

olarak Reynolds sayısının eşitliğidir. Reynolds

sayısı büyüdükçe atalet kuvvetlerinin viskozite

kuvvetlerine oranı büyür.

2. SU MAKİNALARINDA BENZERLİK :

Pratikte kullanılan su makinelerinde boyutlar ve

hızlar oldukça büyüktür; dolayısıyla atalet

kuvvetleri yanında viskozite kuvvetleri ihmal

edilebilir. O halde Su Makineleri içindeki

akışlarda çok büyük Reynolds sayısına sahip

iki makine için Reynolds benzerliği şartı ilk

yaklaşıklıkla göz önüne alınmayacaktır. Su

makinesinde akışların benzerliğinde yalnız

atalet kuvvetleri rol oynayacaktır.

A ve B benzer halleri için bir partiküle

gelen kuvvetler

Atalet kuvvetlerinin basınç kuvvetlerine

oranının modelde ve hakikatte aynı olduğundan

Yazılabilir. Eğer aynı sıvı kullanılırsa basınçların

oranı hızların oranının karesi kadar olacaktır.

Su Makinelerinde benzerlik oranı

Şeklinde yazılabilir ve benzerlik koşulları;

— Geometrik benzerlik ( oranı ile belirir)

— Net düşülerin oranı hızların oranının karesine

eşittir,

Bu esas şartlara dayanarak benzer türbinlerin

muhtelif karakteristik büyüklükleri arasındaki

bağıntılar;

Devir sayılan oranı :

Debiler arasındaki oran:

Hidrolik verim:

Güçler arasındaki oran:

elde edilir.

3. ÖZGÜL HIZ :

Net düşü, devir sayısı ve güç oranlar ile benzer

türbinlerde ne gibi bağıntıların olabileceğini

araştıralım :

Burada mevcut üç denklemde ve katsayıları

yok edilirse;

Demek oluyor ki benzer iki türbinin bu şekilde tanımlı sayıları eşit olacaktır:

sayısına türbinin özgül hızı ismi verilir. Buradan birbirine benzer bütün türbinlerin özgül hızlarının eşit olduğu sonucu çıkar. Bir su türbininin özgül hızı bu türbine benzer olarak çalışan ve 1 m. düşü altında 1 BG. güç veren türbinin devir sayısıdır.

kw

bir su türbini iklim koşullarından dolayı bir tek

yükte çalışmaz. Beslenen makinenin çektiği

yüke göre çeşitli güçlerde çalışır. Özgül hız

tanımına esas olan Ne gücü maksimum verime

karşı gelen güç olarak alınacaktır.

Gücü, düşüşü ve devir sayısı sırasıyla N, H0, n

olan bir türbinin kendisine benzer olarak 1 m.

düşü altında çalışması halinde yeni güç, devir,

sayısı ve debi şu şekilde hesaplanır

Kullanılan türbine benzer ve 1m düşü altında

çalışan 1 m çapındaki Türbinin güç ve hızları

hesaplanırsa farklı çapta ve farklı düşüde

çalışan iki makinenin kıyaslanması yapılabilir.

Özgül hız yukarıdaki değerler cinsinden

Şeklinde yazılabilir. Görülüyor ki belirli bir özgül hızda bir türbin modeli üzerinde çalışırken türbinin devir sayısı arttırılırsa gücü düşecektir. Bu yüzden türbin imalatçıları türbinin boyutlarının daha küçük ve türbinin de daha ekonomik olması için mümkün olduğu kadar N11 ve Q11 değerlerini büyütmeye çalışırlar.

Mevcut bir türbine benzer bir türbin yapılacaksa söz konusu olunca türbinde N, Q, M, n, D, H0 değerleri arasında iki tanesi tamamıyla isteğe bağlı alınabilir. Diğer değerler benzerlik şartları ile belirir.

Özgül hızların eşitliğinin geometrik benzerlik için teorik olarak bir şey ifade etmediği söylenebilir. Pratikte kavitasyon verim ve benzeri faktörler yüzünden aynı özgül hıza sahip makinelerin konstrüksiyonları birbirine benzer. Bu yüzden de özgül hız bir akış bünyesini kabaca karakterize eder ve makinenin şekli hakkında fikir verir.

4. ÖZGÜL HIZA GÖRE TÜRBİN KONSTRÜKTİF

DEĞERLERİNİN DEĞİŞİMİ:

Özgül hız büyüdükçe özgü türbinin üzerinde aşağıdaki değişiklikler olur :

1. Genel akış radyal halden eksenele doğru kayar.

2. Kanat sayısı ve kanat boyları küçülür.

3. B distribütör yüksekliği büyür, buna karşı D çapı küçülür.

4. Giriş açısı büyür.

5. ku hız katsayısı büyür.

6. Makinenin özgül hacmi küçülür; Özgül güç büyür.

7. Kavitasyon tehlikesi büyür, türbinin çalışabileceği maksimum düşü azalır.

5.TÜRBİNLERİN ÖZGÜL HIZA GÖRE

SINIFLANDIRILMASI

Özgül hız türbin tipi üzerine tesir eder. Örneğin Francis türbinleri halinde özgül hız 60'dan küçük olursa çark kanalı çok dar ve uzun olacağından verim çok düşer. Bu yüzden daha küçük özgül hızlı türbin yapmaktan kaçınılır. Ayrıca özgül hız. 45'in altına düşünce konstrüktif bakımdan güçlükler doğar.

Buna karşın Pelton türbinleri halinde Özgül hızın 30'dan yukarı değerlerinde kepçeler çarka göre çok büyük olur. Aksine özgül hız çok küçülürse bu sefer çark çapı anormal derecede büyür.

Bu yüzden her türbin tipinin uygun şekilde gerçekleştirildiği bir özgül hız alanı mevcuttur. Bu alan türbinlerin sınıflandırılmasında kullanılır.

ŞEKİL 18 DE FRANCİS ÇARKLARININ ÖZGÜL HIZA GÖRE FORMLARININ

NASIL DEĞİŞTİĞİ GÖSTERİLMİŞTİR.

SU TÜRBİNLERİNDE KAVİTASYON

A. OLAY :

Akışkanın hareketi esnasında bir bölgede basınç,buharlaşma basıncının altına inerse o bölgede yerel birbuharlaşma olur ve kabarcıklar oluşur. İlk oluşanhabbecikler su içinde erimiş bulunan gazlardan doğar.Bunlar suyun hızı ile sürüklenerek daha yüksek basınçlıbölgeye gireceklerdir. Burada bunların yoğuşmasıdolayısıyla boşalan yerlere su hücum eder ve bu suretledarbeler meydana gelir. Olay gelişince cidara yakınbölgede binlerce taneciğin bu şekilde hareketi bubölgede aktif akış hareketine engel olur. Bu suretle akışkesiti küçüldüğünden olay daha da büyür. Sonuç olarakçakıl taşlarının cidara vurmasına benzeyen karakteristikkavitasyon sesleri duyulur ve cidar malzemesinin kısazamanda harap olduğu görülür.

B. KAVİTASYONUN DOĞURDUĞU SONUÇLAR :

A) Gürültü ve titreşim: Olayın nedeniyle doğan darbeler ve yoğuşmalar bir gürültü ve titreşim doğurmaktadır. Şiddetli bir kavitasyonda titreşim makine için tehlikeli bir düzeye çıkabilir.

Kısmi yüklerde kavitasyon özellikle Francis türbinlerinde kararsız çalışmaya neden olur. Türbin gücünde büyük dalgalanmalara neden olur.

Türbin içine az miktarda hava vermek çoğu zaman kavitasyonu hafifletmekte ve gürültü ile titreşimi kesmektedir. Kavitasyona hassas tesislerde kısmî yüklerde çarkın ortasına otomatik olarak hava verme işlemi yapılır.


B) Verimdeki düşme: Su türbinlerinde ve

tulumbalarda kavitasyon etkisi ile verimde

büyük düşmeler görülür. Bu düşmenin iki

nedeni vardır. Bu sebeplerden biri kavitasyon

bölgesindeki çalkantı ve kargaşalığın yuttuğu

enerji diğeri ise meydana gelen ölü su bölgesi

dolayısıyla aktif su kesitinin küçülmesidir. Bu

yüzden su hızı artar ve kayıplar anormal şekilde

büyür.


C) Yıpranma: Kavitasyon olayına maruz kalan

çark yüzeyi ilkin pürüzlenir. Sonra bu pürüzler

oyuklara, oyuklar da deliklere dönüşürler.

Olay daha fazla ilerlerse yüzey sünger gibi olur

ve malzeme harap olur. Bu yıkımın ilk nedeni

fizikseldir. Çünkü ufak darbeciklerin şiddeti

1000 Kg/cm2 yi bulabilir.


Fakat buna rağmen kimyasal bir etkiyi göz

önüne almıyacak olursak, şiddetli kavitasyona

maruz bir çarkın hayret uyandırıcı hızını izah

edemeyiz. Yıpranma hususunda birçok teoriler

mevcuttur.

C.KAVİTASYONA ETKİYEN FAKTÖRLER VE ÖNLEMLER :

1° Emme yüksekliği (hs) :

Kavitasyon olayının başlaması için bir bölgede

basıncın, buharlaşma basıncına kadar düşmesi

gerektiğini söylemiştik. Çark içindeki basınç ise

çarktan çıkış basıncı ile ilgili olup Pa değeri ne

kadar küçülürse kavitasyon tehlikesi de o

oranda artacaktır.

Çarktan çıkış basıncını hesap etmek üzere

aşağıdaki denklemi kuralım

Burada basınç çekilirse:

yazılır.

3.KAVİTASYONA ETKİYEN FAKTÖRLER VE ÖNLEMLER :


Yayıcı verimi:

Kullanılarak;

Buradan görüldüğü gibi emme yüksekliği büyüdükçe p2 basıncı değişecektir. O halde çarkın çıkışındaki basıncı tehlikeli değere düşürmemek için emme yüksekliğim küçük seçilmelidir.


Yüksek özgül hızlı büyük modern gruplarda

hsdeğeri negatif dahi olabilir. Yani başka bir

sözle türbin çarkı boşalma kanalındaki su

seviyesinden daha aşağı monte edilir. Fakat bu

kez çarkın daha aşağı monte edilmesiyle şekil

22 de görüldüğü gibi kazı masrafları artar. Bu

yüzden optimum çözüme gidilmesi gerekir.


1. 2 Yükseltİ (Deniz seviyesinden Yükseklik):

Çıkış basıncını veren yukarıdaki formülden açıkça görülmektedir ki atmosferik basıncın küçülmesi çıkış mutlak basıncını da aynı derecede küçültür. O halde santralin bulunduğu kota göre kavitasyon tehlikesi de değişecektir.

Deniz seviyesinden yüksekliğe göre atmosferik basıncı su sütunu cinsinden aşağıdaki ampirik formüller ile hesap edebiliriz. (Z metre cinsinden tesisin deniz seviyesinden yüksekliğini göstermek üzere).


3° Hız:

Çıkış 'basıncı sabit kaldığı halde su hızı arttırılırsa Bernoulli Teoremine göre çarkın içindeki bir noktadaki basıncın gittikçe düşeceği aşikârdır. Aynı şekilde Türbin devir adedinin yüksekliği izafî hızları büyültür ve dolayısıyla çark içinde alçak basınç bölgelerinin meydana gelişini kolaylaştırır. O halde kavitasyon devir adedini tehdit eden bir etken olarak ortaya çıkar. Kavitasyon tehlikesi yüzünden gurubumuza istediğimiz kadar yüksek bir hız veremeyiz.


4° Sıcaklık:

Bilindiği gibi su için buharlaşma basıncının sıcaklık ile aşağıdaki ampirik bağıntıya göre değiştiği kabul edilebilir.

Buharlaşma basıncı ne kadar yüksek ise bu basınca düşme olanağıda o derece kolaylaşmış ve kavitasyon tehlikesi o oranda artmış olacaktır. O halde sıcaklığın yükselmesi kavitasyon tehlikesini artırır.


5° Profil :

Bir kanat etrafındaki harekette kanadın her noktasında basıncın aynı olmadığı açıktır. Bu yüzden kanat üzerinde öyle noktalar vardır ki bu noktalarda basınç p, çark çıkış basıncından aşağı olur. Böyle noktaların bulunuşu ve basınç düşüklüğünün derecesi türbin çarkının tipine ve aynı tip için profilin durumuna ve şekline bağlıdır. Bu yüzden çıkıştaki basınç kavitasyon yaratacak kadar düşük olmadığı halde türbin çarkı kanadı üzerinde kavitasyon meydana gelebilir.


Yüksek özgül hızlı türbin kanatları için bu

söylenilen daha fazla göze çarpar. Türbin

imalatçıları sipariş aldıkları büyük bir türbinin

imalatına geçmeden evvel model üzerinde

yaptıkları deneylerle çarkın kavitasyona karşı

durumunu belirtirler ve gerekirse kanatların

formlarını değiştirerek kavitasyonu önlemeye

çalışırlar.


6° Düşü:

Bir türbinin emme yüksekliği, devir sayısı, diğer şartlar sabit kalmak ve türbin kendisine benzer şartlarda çalışmak üzere düşüsü arttırılırsa türbinin daha kolay kavite ettiğini görmekteyiz. Bunun nedeni türbin düşüsübüyüdükçe kanatların yüklerinin artması ve kanat ön ve arka yüzleri arasındaki basınç farklarının büyümesine bağlanabilir. Basınç farklarının büyümesi kanat içinde kritik bölgelerde depresyonların büyümesine neden olur.

Düşü, emme yüksekliği, sıcaklık, rakım gibi etkileri ileride «Kavitasyon faktörü» adı altında toplayacağız.


7° Özel çalışma şartları:

Türbin optimum çalışma noktasında kavitasyon

yapmadığı halde optimum noktadan

uzaklaşınca hidrodinamik şartlar bozulur ve bu

yüzden kavitasyon başlayabilir. Francis

türbinlerinin kanat girişlerinde kısmî yüklerde

görülen kavitasyon bu türdendir.


Yine türbin çıkışında optimum çalışma noktasından uzak çalışma durumlarında büyük teğetsel hız bileşenleri nedeniyle, ilâve bir dönme (vorteks) hareketi ile karşılaşılır. Bu ise eksene yakın noktalarda basıncın düşmesine ve kavitasyona sebep olur. Eksen civarında meydana gelen silindirik bir bölge su buharı ve hava ile dolar. Daha ileri gidildiği zaman bu vorteksçekirdeği kararsız bir durum alır ve eksenden ayrılarak bir halat gibi dönmeye başlar. Bu hal türbinin çalışmasında güç çalkantılarına ve kararsızlıklara neden olur.


Bu halleri önlemek için, optimum noktadan çok

uzaklaşmamak yani türbinin yük ve düşü

alanını limitlemek ilk uygulanan önlemdir.

Ayrıca türbin ortasına hava vermek, difüzör

girişine dönmeyi frenleyecek kaburgalar

yerleştirmek yollarına da gidilmektedir.


8° Yüzey pürüzlüğü:

Pürüzlü bir cidar düz bir cidara oranla

kavitasyona daha yatkındır. Zira pürüzler

cidardan ufak ayrılmalar ve bu nedenle basınç

düşüklükleri doğururlar. Pelton türbinlerinin

kepçelerinde meydana gelen kavitasyonun

gelişmesi bu şekilde açıklanır.


9° Malzeme:

Evvelce de söylediğimiz gibi her malzemenin kavitasyona duyarlılığı başka başkadır. Yani fiziksel olarak kavitasyon olayı aynen oluştuğu halde bu olayın malzeme üzerindeki oyucu ve yıpratıcı etkisi malzemenin cinsine bağlıdır.

Bu gün birçok reaksiyon türbini tesislerinde türbin çarkının basıncı en düşük kısımları (kavitasyon etkisindeki bölgeler) özel olarak kavitasyona dayanıklı malzeme ile doldurulur.

D. SÜPER KAVİTASYON:

Yukarıda kavitasyona etkiyen faktörleri ve bunlara ait önlemleri sayarken gördük ki, hızları düşürmek, hs i küçültmek ve türbini gömmek kavitasyon tehlikesini azaltıcı etkenlerdir. Ancak bu etkenleri zorlamak ekonomik bakımdan doğru olmayabilir. Özellikle pompalarda ve gemi pervanelerinde kavitasyona hidrolik olarak müsaade edip onun zararlı etkilerinden kurtulmak ve diğer taraftan yüksek hızlı, ekonomik makineler yapmak için «Süper Kavitasyon»a gidilir.

D. SÜPER KAVİTASYON:

Kanat üzerinde basınç buharlaşma basıncı altına indikten sonra meydana gelen kabarcıkların tekrar «kollaps»i (çökmesi ) için basıncın yüksek olduğu bölgeye girmeleri gerekir. Süper Kavitasyonda, kanada verilen uygun form ile kollaps kanadın dışındaki boşlukta gerçekleştirilir. Kanatlar normal çalışmaya göre çok büyük bir yük altında çalıştırıldıkları halde kanat içi akışı bozulmaz ve kanatlar üzerinde kavitasyon oyulması olmaz.

E. KAVİTASYON FAKTÖRÜ:

Thoma kavitasyon faktörünü şu şekilde

tanımlamıştır:

Kavitasyon olmaması için

> kr şartı sağlanmalıdır ve kr şu ifadeden

hesaplanır:

yenİlenebİlİr enerjİ kaynaklari -...

Documents