SAKARYA ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI II. FRANCIS ve PELTON TÜRBİN DENEYİ

Transkript

1 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

2 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 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

3 Güç Ölçer Pelton Türbini Alternatör (Jeneratör Savaktan Geçen Su Yüksekliği Göstergesi Türbin İnlet 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.

4 Deney düzeneğimizin ikinci kısmı olan Pelton türbini, 40 mm çapında ve 13 mm kepçe derinliğine sahip 16 kanattan oluşmaktadır. DENEY EKİPMANLARININ GÖRSELLERİ Türbin İnlet Şekil 4. Göstergeler Şekil 5. Mil gücü ve Alternatör-Jenaratör devir ölçer

5 Şekil 6. Alternatör (Jeneratör) Şekil 7. V Savak

6 DENEYE AİT TEORİK BİLGİLER Şekil 8. Savaktan Geçen Debi Ölçüm Göstergesi 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: PP aaaaaaşkkkkkk= ρρρρρρhh 0 PP aaaaaaşkkkkkk :Türbine gönderilen hidrolik güç, W ρ: Suyun yoğunluğu, 1000 kg/m 3 Q: Hacimsel debi, m 3 /s g: Yerçekimi ivmesi, m 2 /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.

7 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 [PP mmmmmm ] 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 [PP aaaaaaşkkkkkk ] her bir debi değeri için ayrı ayrı hesaplanır 6. Son aşama olarak türbin verimi hesaplanır ve istenen grafiklerin çizimleri yapılır.

8 DENEY VERİLERİNİN TABLO HALİNE GETİRİLMESİ Büyüklük [Birimi] 1.Deney 2.Deney 3.Deney 4.Deney 5.Deney h [ ] QQ [ ] HH 00 [ ] PP aaaaaaşkkkkkk [ ] PP mmmmmm [ ] nn [ ] η (Verim) HESAPLAMALAR Türbine Verilen Hidrolik Güç(PP aaaaaaşkkkkkk ) PP aaaaaaşkkkkkk= ρρρρρρhh 0 η gggggggggg = PP mmmmmm PP aaaaaaşkkkkkk ; η gggggggggg=türbin Verimi nnnn = nn QQ HH 3 4 ; nnnn = Özgül tanım sayısı n: devir sayısı d/d, Q:Debi mm ( 3 ) ve H: türbin düşüsü (m), h: savaktan geçen su yüksekliği (mm) ss

9 h (Savaktan geçen su yüksekliği) [mm] Q (Debi) [L/dk] Şekil 9. Pelton ve Francis Türbin Deneyi V Savaktan Geçen Su Yüksekliğine Bağlı -Debi Grafiği

10 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, 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