HİDROLİK MAKİNALAR DENEYSEL UYGULAMALARI 1.GİRİŞ Su türbinleri, sudan enerji alarak, hidrolik enerjiyi mekanik enerjiye dönüştüren akım makinalarıdır. Hidroelektrik santrallerinde kullanılan su türbinleri çok çeşitlidir. Genel olarak su türbinleri 1-Suyun etki şekline göre(reaksiyon ve aksiyon türbinleri) 2-Suyun akış doğrultusuna göre(eksenel,radyal,teğetsel,sapık akışlı türbinler) 3-Türbin milinin durumuna göre(düşey ve yatay eksenli türbinler) 4-Türbin özgül hızı(n s ) e göre sınıflandırılırlar. Reaksiyon türbinlerinde suyun basınç enerjisinden faydalanılır (Francis, uskur, kaplan türbini). Aksiyon türbinlerinde suyun kinetik enerjisinden faydalanılır (Pelton, turgo türbini). 2. PELTON TÜRBİNİ Aksiyon türbinleri içinde en çok kullanılanı pelton türbinidir. Genel olarak yüksek düşü ve küçük debiler için uygundurlar. (max düşü değerleri 1500 m nin üstündedir). Özgül devir sayıları düşüktür. Su huzmeleri basit bir şekilde dizayn edilmiş kepçelere çarptırılarak moment elde edilir. Verimleri %78-%92 civarındadır. n s =2-30 değerleri için uygundur. 30-50 arasında bu türbinin yapımı gerekirse, çok püskürtücülü pelton türbini imal edilmelidir. Şekil 1. Tek püskürtücülü bir Pelton türbini Tesisisin su alma ağzından(yükleme odası), türbine kadar nakli cebri boru adı verilen basınçlı borular yardımı ile yapılır. Yüksek basınçlı su atmosfer basıncına püskürtülür ve bu suretle elde edilen yüksek hızlı su jetinin kinetik enerjisini, kepçeler içeren bir çark vasıtası ile türbin miline iletmektedir. Yüksek hızların yöneltildiği çark kepçelerinin, verim üzerine etkisi büyüktür.
Püskürtücü, suyu çarka sevk eden bir lüleden ibarettir. Gövde ve lüle olmak üzere iki kısma ayrılır. Yüksek basınç altında cebri boru tarafından türbine iletilmiş olan suyun basıncını atmosfer basıncına inecek şekilde su hızının artmasını sağlayacak bir su jeti meydana getirir. Bu su jetini uygun şekilde türbin çarkına iletir. Pelton türbini üzerine en çok 6 tana püskürtücü konulabilir. Çark, hidrolik enerjiyi mekanik enerjiye çeviren kısımdır. Üzerinde bulunan kepçelere suyun çarpması ile bir itme kuvveti doğar. Bu kuvvet çarkı döndürür. Pelton türbinlerinde iğnenin iki görevi vardır. * İğne, lüleden fışkıran huzmenin çapını, ileri-geri hareketi ile küçültüp büyültür. Bu suretle debi ve gücü ayarlar. * Püskürtücünün gaga kısmı ile iğne ucu arasından geçen su jetinin içindeki hız dağılımını daha üniform yapar. Çelici, türbinin normal çalışma süresince bir vazife görmeyen fakat türbine sevk edilen debinin ani azaltılması gerektiği durumlarda, püskürtücü ile kepçe arasında su jetine müdahale ederek gerektiği kadar suyu saptırmak sureti ile debiyi ayarladığı zaman tekrar devre dışına çıkan bir elemandır. Bu suretle türbin yük değişimlerine daha çabuk uyum sağlar. Gövde, türbin çarkını kavrayan, püskürtücü lülenin tespit edildiği dökme demir veya kaynaklı saçtan imal edilen türbinin en dış kısmıdır. 2.1. Pelton Türbinleri ile İlgili Genel Bağıntılar Şekil 2. Giriş ve çıkış hız üçgeni
Huzmeden büyük bir hızla fışkıran su, kepçeye çarpar. Hız enerjisini kaybeder. Yüksek hızla kepçeye çarpan su çarkı döndürür. Meydana gelen moment, Şekil 2 deki kesikli bölgeye hareket miktarı teoremi uygulanarak hesaplanabilir. Bölgeye uygulanan kuvvet ve moment sırası ile aşağıdaki gibi yazılır. F = ρq C 1 C 2u = γ g Q C 1 C 2u M = γ g Qr C 1 C 2u Çarka verilen hidrolik güç N h = Mω = γ g Qrω C 1 C 2u = γ g QU C 1 C 2u Hidrolik verim ise η h = Hidrolik güç Su gücü = γq g U C 1 C 2u γqh 0 = U C 1 C 2u gh 0 H 0 :Birim ağırlıkta suyun türbinde kaybettiği enerji Q:Türbinin debisi r:çark yarıçapı Maksimum Verim Şartı: Hız üçgenlerini düşünürsek aşağıdaki bağıntıları yazabiliriz. C 1 = U + W 1 C 2u = C 2 cos α 2 = U W 2 cos β 2 Bu değerler moment, güç ve verim ifadelerinde yerine koyulursa M = γ g Qr W 1 + W 2 cos β 2 N h = γq 75g U W 1 + W 2 cos β 2 η h = U W 1 + W 2 cos β 2 gh 0 Kepçe içindeki akış ideal olsa izafi hız sabit kalır. Gerçekte bir miktar kayıp olacağından φ < 1 olmak üzere W 2 = φw 1 yazılabilir. Bu değer verim ifadesinde yerine yazılarsa η h = UW 1 1 + φ cos β 2 gh 0 bağıntısı elde edilir. H 0 düşüsü ile kepçe formu sabit kalmak üzere devir sayısı değiştirilirse verim de değişir (U= Dn/60)., 2, H 0,g sabit olduğundan
1 + φ cos β 2 /gh 0 = k gibi bir sabit ile ifade edilirse η h = kuw 1 = ku(c 1 U) U ya göre kısmi türev alınıp sıfıra eşitlenirse hidrolik verimi maksimum yapan U değeri bulunmuş olur. η h U = 0 kc 1 2kU = 0 U = C 1 2 Pelton türbinlerinde, en iyi verim elde etmek için çarkı huzme hızının yarı hızı ile çevirmek gerekir. 3. DENEYİN YAPILIŞI Şekil 3. Deney seti ölçüm panelinin şematik gösterimi Pompanın elektrik motoruna hareket verilir. Elektrik motoruna bağlı olan pompa, türbin püskürtücüsüne su gönderir. Püskürtücü, suyun basıncını atmosfer basıncına inecek şekilde su hızının artmasını sağlayacak bir su jeti meydana getirir. Pompanın elektrik motorunun devir sayısı kademeli olarak arttırılır. Her kademede iğnenin tam ve yarım açık konumunda; türbin devir sayısı, moment, gerilim, akım, türbin giriş yüksekliği, pompanın emme ve basma yüksekliği kontrol panelinden okunarak not edilir. Pompa yükü (suya verilen enerji) H = H 2 + H 1 (mss) Debi Pompa debisi, deney düzeneğinde bulunan V kesitinden geçen su miktarına göre belirlenir. Q = 0,0004h 3 0,0179h 2 + 1,0773h 5,1736 (lt/dak) Burada h su yüksekliğidir (mm)
Mekanik güç N m = 2πnM 60 W M = F r M döndürme momenti Nm r=0,074 m (türbin için) n devir sayısı dev/dak Pompa elektrik gücü N E = V A (W) Pompa genel verimi η P = Burada; Su gücü 9,81 ρ Q H = Mekanik güç 10 3 100 60 N E Suyun yoğunluğu =1000 kg/m 3 Q lt/dak alınacaktır. Türbin genel verimi η T = Burada; Mekanik güç Su gücü Suyun yoğunluğu =1000 kg/m 3 Q lt/dak alınacaktır. = 103 60 N m 9,81 ρ Q H 3 100
İSTENENLER: 1-Ölçme protokolünün doldurulması 2-Pompa basma yüksekliğinin (pompa yükünün) devir sayısı ile değişiminin grafik olarak gösterilmesi 3-Türbin giriş yüksekliğinin debi ile değişiminin grafik olarak gösterilmesi 4-Türbin mekanik gücünün pompa devir sayısı ile değişiminin grafik olarak gösterilmesi 5-Türbin genel verimin pompa devir sayısı ile değişiminin grafik olarak gösterilmesi 6-Pompa genel verimin debi ile değişiminin grafik olarak gösterilmesi 7-Türbin genel verimin debi ile değişiminin grafik olarak gösterilmesi 8-n 1 =60 dev/dak ve n 2 =70 dev/dak için farklı iğne açıklıkları ile türbin devir sayısı arasındaki ilişkinin grafik olarak gösterilmesi 9-Yapılan deneyle ilgili bir raporun deney grubu tarafından hazırlanması
ÖLÇME PROTOKOLÜ Pompa devir sayısı n 1 (dev/dak) Türbin çarkında oluşan itki kuvveti F(N) Gerilim V(volt) Akım A(amper) Pompa emme yükü H 1 (mss) İğne Açıklığı ½ Pompa çıkışı yük H 2 (mss) Türbin girişinde yük H 3 (mss) Türbin devir sayısı n 2 (dev/dak) Su yüksekliği h(mm) 50 2 60 4,5 70 6,5 İğne Açıklığı 1 50 4 60 6 70 8