TURBO MAKİNELER Prof.Dr.Zehra YUMURTACI İLETİŞİM BİLGİLERİ Y.T.Ü MAKİNA FAKÜLTESİ Makina Mühendisliği Bölümü Hidromekanik ve Hidrolik Makinalar ABD E-1 Blok 32 numaralı oda
HAFTA DERSİN KONULARI KONU 1. HAFTA Turbo Makinalar, Sınıflandırma, Kullanım yerleri 2. HAFTA Temel kavramlar 3. HAFTA Kütle ve Enerji Korunumu ( Bernouli Denklemi) Momentum Korunumu ve Analizi 4. HAFTA (Doğrusal Açısal Momentum) 5. HAFTA Pompalar 6. HAFTA Pompalar 7. HAFTA I.SINAV 8. HAFTA Pompalar-Boyut Analizi ve Benzerlik 9. HAFTA Su Türbinleri 10. HAFTA Su Türbinleri 11. HAFTA Buhar Türbinleri 12. HAFTA Buhar Türbinleri 13. HAFTA II.SINAV 14. HAFTA Rüzgar Türbinleri 15. HAFTA FİNAL
DERS KAYNAKLARI 1. Akışkanlar Mekaniği Temelleri ve Uygulamaları, Yunus A. Çengel, John M. Cimbala, Güven Kitabevi, Birinci Baskıdan Çeviri 2. Turbomachinery Design and Theory, Rama S. R. Gorla, Aijaz A. Khan
TURBO MAKİNALARIN TANIMI SINIFLANDIRMASI KULLANIM YERLERİ
TURBO MAKİNALAR Turbo yada türbin kelimesi latince kökenli olup anlamı bir eksen etrafında dönen parçadır.
TURBOŞARJ Turbo, denilince ile akla gelen ise arabalardır. Ancak arabalarda kullanılan TURBOŞARJ olup motora atmosferik basıncın üzerinde hava vererek daha küçük hacimli motordan daha yüksek güç alınmasını sağlayan, hareketini egzoz gazının basıncından alan bir çeşit kompresör türbin grubudur. Egzoz gazının çıkış basıncıyla dönen türbin aradaki milinin yardımıyla kompresörü döndürür. Bu sayede motor silindirine önemli ölçüde artan bir hava girişi sağlanır. Porsche 997 Turbo 1973 BMW 2002 TURBO
TURBO MAKİNALAR Turbo Makinalar bir yada daha fazla kanat sırasından yada bir çarktan sürekli akan bir akışkan ile iş üreten yada akışkana enerji kazandıran makinalardır.
TURBO MAKİNALAR Turbo Makinaların amacı akışkan (sıvı yada gaz) ile rotor arasında enerji geçişi yapmaktır. Bu enerji alış yada verişi sonucunda akışkanın enerji değişimi basıncında artış yada azalma olarak görülür. Burada karşılaşılan en büyük hata akışkanının hızının artırılmasının yada azaltılmasının amaç olarak düşünülebilmesidir.
TURBO MAKİNALAR Turbo makinalar, Akım makinalarının bir alt grubudur. Tüm akım makinalarında akışkana enerji verilir yada alınırken dönen bir mil bulunmaz. Akışkanın kapalı bir hacimde sıkıştırıldığı akım makinalarına pozitif deplasmanlı yada hacimsel akım makineleri denilir.
POZİTİF DEPLASMANLI Pozitif deplasmanlı pompalarda: Akışkan kapalı bir hacme girer. Kapalı hacmin sınırlarının daralma ve genişleme hareketi ile akışkana enerji aktarılır. Enerji alan akışkan hacim dışına alınır. (a) Pozitif deplasmanlı pompalara en iyi örnek insan kalbidir. (b) Pozitif deplasmanlı türbinlere örnek ise su sayacıdır. 10
POZİTİF DEPLASMANLI Pozitif deplasmanlı akım makinaları pistonlu ve dönel (Rotary) olmak üzere iki sınıfa ayrılabilir. Pistonlu akım makinaları pompa ve kompresör olarak yaygın olarak kullanılmaktadırlar. 11
POZİTİF DEPLASMANLI Dönel (Rotary) tip pozitif deplasmanlı akım makinaları farklı tipteki akışkanlarda yüksek basınçlar kazandırmak için uygundurlar. Ancak çok yüksek debilere çıkılamaması önemli bir dezavantajdır. En çok kullanım alanları ise hidrolik sistemlerdir. Hidrolik sistemlerin amacı akışkan ile enerji taşımak olduğundan yüksek basınçlara çıkmak sistem boyutlarını küçültür. (a) Esnek borulu perilastik pompa (b) Üç loplu dönel pompa, (c) dişli pompa(d) çift vidalı pompa. 12
POZİTİF DEPLASMANLI Dönel bir pompanın çalışmasına örnek olarak iki loblu dönel pompa gösterilebilir. Bir dişli kutusundan hareket alan ve birbirine zıt yönde hareket eden iki rotor bulunmaktadır. 13
TURBO MAKİNALAR Akım makinaları enerji transfer biçimine göre hacimsel ve dinamik olarak sınıflandırılabilmektedir. Buradaki DİNAMİK tanımı turbo makinalar için kullanılmaktadır. Turbo makinaları hacimsel akım makinalardan ayırmak amacı ile turbo ön eki kullanılır. Turbo-kompresör vb. gibi.
SINIFLANDIRMA 1. Amaçlarına göre I. Türbinler II. Pompa ve kompresörler 2. Akışkan özelliğine göre i. Sıkıştırılamaz (Sıvı) ii. Sıkıştırılabilir (Gaz) 3. Akışkanın akış yönüne göre i. Eksenel (Aksiyal) ii. iii. Radyal (Santrufüj) Karışık 4. Enerji dönüşümüne göre i. Aksiyon (İmpuls) (Etki) ii. Reaksiyon (Tepki) 5. Basamak sayısına i. Tek basamaklı ii. Çok basamaklı
1. AMACINA GÖRE Turbo makinalar en temelde amaçlarına göre pompalar ve türbinler olarak iki geniş kategoride ele alınır. Pompa bir akışkana enerji veren herhangi bir akım makinasını için kullanılan genel terimdir. Türbinler ise akışkandaki enerjinin büyük bir bölümünü dönen bir mile aktaran iş üreten makinalardır.
1. AMACINA GÖRE (Güç Tüketen) Pompada amaç akışkana enerji kazandırmak ve böylece akışkanın basıncı yükseltmektir. Pompa çıkışında akışkanının hızı bazen artsa da akışkan hızını artırmak değildir. amaç Sürekli bir akışta pompaya giren ve çıkan kütleler eşittir. Sıkıştırılamaz bir akışta giriş ve çıkış en-kesitlerin aynı olduğu (D out = D in ) durumda V out = V in, olur ancak P out > P in. 17
1. AMACINA GÖRE (Güç Tüketen) Bir türbinin amacı akışkandan enerji çekmek ve böylece akışkanın basıncını düşürerek milden mekanik iş elde etmektir. Türbin çıkışında akışkanının hızı bazen azalsa da değildir. amaç akışkan hızını azaltmak Sürekli bir akışta türbine giren ve çıkan kütleler eşittir. Sıkıştırılamaz bir akışta giriş ve çıkış en-kesitlerin aynı olduğu (D out = D in ) durumda V out = V in, olur ancak P in >P out 18
1. AMACINA GÖRE (Güç Tüketen) Sıvıları transfer eden makinalar pompa olarak adlandırılır. Gazları transfer eden makinalar için ise farklı isimler kullanılır. Bu isimlendirme akışkana kazandırılan basınç seviyesine ve akışkan debisine göre yapılmaktadır. Fan göreceli olarak düşük basınç artışı sağlayan yüksek debili gaz akışları için kullanılan akım makinalarıdır. Üfleç (vantilatör) göreceli olarak orta seviyede basınç artışı sağlayan orta seviyeli debili gaz akım makinalarıdır. Kompresör düşük ve orta seviyeli debilerde ve çok yüksek basınçlarda çalışan gaz akım makinalarıdır. 19
1. AMACINA GÖRE (Güç Tüketen) Fan Üfleç Kompresör Basınç Düşük Orta Yüksek Debi Yüksek Orta Düşük-Orta 20
1. AMACINA GÖRE (Güç Tüketen)
1. AMACINA GÖRE (Güç Üreten) Türbinler akışkandaki enerjinin büyük bir bölümünü dönen bir mil yardımı ile mekanik enerjiye dönüştüren makinalardır. Türbinler iş akışkanının cinsine göre isimlendirilir. 1. Buhar türbinleri 2. Gaz türbinleri 3. Su türbinleri 4. Rüzgar Türbinleri 22
1. AMACINA GÖRE (Güç Üreten) Buhar Türbinleri, kömür ve nükleer yakıtlı termik santrallarda iş akışkanı olan buhardaki enerjiyi mekanik enerjiye dönüştüren makinalardır. 23
1. AMACINA GÖRE (Güç Üreten) Afşin Elbistan TS Çan TS Seyiyömer TS 24
1. AMACINA GÖRE (Güç Üreten) Buhar türbinlerinin kömür yakıtlı termik santrallardan sonra en yaygın kullanım yeri nükleer santrallardır. 25
1. AMACINA GÖRE (Güç Üreten) Gaz Türbinleri, sıvı ve gaz yakıtlı termik santrallarda iş akışkanı olan gazdaki enerjiyi mekanik enerjiye dönüştüren makinalardır. 26
1. AMACINA GÖRE (Güç Üreten) Hamitabat KÇS Gaz Türbini Seyyar Kanatları Kompresör Kanatları 27
1. AMACINA GÖRE (Güç Üreten) GAZ TÜRBİN PROPÜLSİYON Ramjet Turbojet Turbofan Turboprop Turboşaft
1. AMACINA GÖRE (Güç Üreten) Su Türbinleri, iş akışkanının su olduğu hidroelektrik santralarında potansiyel enerjiyi mekanik enerjiye dönüştüren makinalardır. 29
1. AMACINA GÖRE (Güç Üreten) 30
1. AMACINA GÖRE (Güç Üreten) Rüzgar Türbinleri iş akışkanının hava olduğu ve havanın kinetik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren makinalardır. 31
1. AMACINA GÖRE (Güç Üreten) 32
2. AKIŞKAN ÖZELLİĞİNE GÖRE Turbo makinalar, iş akışkanının sıkıştırılabilirlik özelliğine göre sıkıştırılamaz ve sıkıştırılabilir olarak sınıflandırılırlar. Genel olarak sıvı akışkanlar sıkıştırılamaz ve gaz akışkanlar sıkıştırılabilir iş akışkanlarıdır. GÜÇ TÜKETEN GÜÇ ÜRETEN SIKIŞTIRILAMAZ Pompa Su türbinleri SIKIŞTIRILABİLİR Fan, Üfleç, Kompresör Buhar, Gaz ve Rüzgar Türbinleri 33
3. AKIŞKANIN AKIŞ YÖNÜNE GÖRE Turbo makinalar, akışın makine içindeki yönüne göre eksenel, radyal ve karışık olarak sınıflandırılırlar. Eksenel akışta, akışkan makine eksenine paralel olarak girer ve çıkar. Radyal akışta, akışkan makine merkezine eksenel olarak girer ancak mil eksenine dik yönde (teğetsel) çıkar. Karma akışta, eksenel ve radyal arası bir akış vardır. Akışkan eksenel olarak girer ve belirli bir açı ile çıkar. Radyal Eksenel Karma 34
3. AKIŞKANIN AKIŞ YÖNÜNE GÖRE Radyal Karma Eksenel 35
3. AKIŞKANIN AKIŞ YÖNÜNE GÖRE 36
3. AKIŞKANIN AKIŞ YÖNÜNE GÖRE Radyal akışlı, turbo makinalar için daha genel kullanılan ifade santrifüjdür. POMPA KOMPRESÖR TÜRBİN 37
4. ENERJİ DÖNÜŞÜMÜNE GÖRE Turbo makinalar, enerjinin makine içindeki dönüşüm yerlerine göre aksiyon (etki) ve reaksiyon (tepki) olarak sınıflandırılırlar. Bu sınıflandırma daha çok türbinlerde kullanılır. Aksiyon (etki) türbinlerinde, akışkanının yararlı mekanik enerjisi öncelikle memede (lüle) kinetik enerjiye dönüştürülür. Daha sonra yüksek hızlı akışkan kanatlardan geçirilerek kinetik enerji mekanik enerjiye dönüştürülür. Bu nedenle basınç düşüşü sadece memde olur. Kanatlarda basınç düşmez. PELTON TÜRBİNİ 38
4. ENERJİ DÖNÜŞÜMÜNE GÖRE Reaksiyon (tepki) türbinlerinde, akışkanının yararlı mekanik enerjisi öncelikle memede (lüle) kinetik enerjiye dönüştürülür. Daha sonra yüksek hızlı akışkan kanatlardan geçirilerek kinetik enerji mekanik enerjiye dönüştürülür. Aksiyon türbinlerinden farkı basınç düşüşünün kanatlarda da devam etmesidir. 39
4. ENERJİ DÖNÜŞÜMÜNE GÖRE
5. BASAMAK SAYISINA Turbo makinalar, basamak (kademe) sayısına göre tek ve çok basamaklı olarak sınıflandırılırlar. Turbo makinalarda bir basamak pompalarda bir çarkı ifade ederken türbinlerde bir sabit ve seyyar kanat grubunu belirtir.
5. BASAMAK SAYISINA
SINIFLANDIRMA Turbo makinalarda başta enerji tüketen ve enerji üreten olmak üzere farklı tipler olmasına rağmen enerji dönüşümleri aynı fiziksel temellere dayanır. Bu fiziksel temeller Newton un ikinci hareket yasası ve Euler Enerji Eşitliği ile ifade edilir. Bu açıdan bakıldığında turbo makinalar arasında bir fark yoktur. Euler turbomakina eşitliği:
POMPALAR KULLANIM YERLERİ Kazan besleme suyu pompaları Tüm kimya sanayi Tatlı su, deniz suyu, içme suyu hidroforlarında Otomobil soğutma sistemi Kalorifer sistemleri Yakıt pompası Yangın sistemleri Kuyulardan su çekmek
Elektrik üretimi Doğalgaz hatları Pnömatik sistemleri Kimya tesisleri Lastik havası basmak Buzdolabı Klimalar KULLANIM YERLERİ KOMPRESÖRLER
FAN, ÜFLEÇ Havalandırma sistemleri Kazan yakma havası Araba radyatörü KULLANIM YERLERİ
TÜRBİNLER Elektrik üretim santralları Kojenerasyon sistemleri KULLANIM YERLERİ
DİZAYN FELSEFESİ PERFORMANS (VERİM) AĞIRLIK MALİYET ÖMÜR GÜVENİRLİK DAYANIKLILIK BAKIM
Various Types of Turbomachine