 |
HİDROLİK TÜRBİNLER:
Hidrolik türbinler, suyun hidrolik akım enerjisini mekanik enerjiye çeviren döner (dinamik) hidrolik marinalardır. Hidrolik türbinlerde ayar kanatlarının aralıklarından geçirilen basınçlı suyun ”Kinetik Enerjisi” yani “Hız Enerjisi”, dönen türbin rotorunun kanatlarının aralıklarında
“Mekanik Enerji” ye dönüşür. Türbin rotor kanatlarının profilleri, Ünitenin gücüne, kullanıldığı santralın düşüsüne ve ünitenin devir sayısına göre tayin edilirler. Türbin rotoru kanatları ile türbin ayar kanatlarının arasından geçen su basıncında bir rezonans ve titreşim (basınç dalgalanması) meydana gelmemesi için, genellikle türbin rotoru kanat sayısı tek, ayar kanatları ise çift olarak imal edilirler. Türbin rotoru kanatlar arasındaki mesafe, herhangi bir tıkanıklığa sebep olmamak için, su giriş ızgaralarının aralığından daima fazla olmalıdır. Francis tipi türbinlerdeki hidrolik yükü azaltabilmek için rotorun üst gövdesine uygun şekilde delikler açılır. Ayrıca türbin üst kapağı ile emme borusu arasındaki basınç dengesini sağlayan “Basınç Denge Boruları”da kullanılabilir. Ayrıca Türbinin alt kısmına Türbin rotoru kanatlarının alt tarafında hava boşluğunu önlemek ve suyun homojen bir şekilde yayılmasını sağlamak İçin “Kep” olarak isimlendirilen ve konik şekilde aynı malzemeden yapılmış bir parça ilave edilir. Bu parça, çarkla birlikte tek parça halinde dökülebileceği gibi, sonradan cıvatalarla monte de edilebilir. Türbin rotoru ve kanatlarının Kavitasyon ve erozyona dayanıklı Krom –Nikel alaşımlı paslanmaz çelikten imal edilmesi en ideal olanıdır. Fakat bunun çok pahalıya mal olması sebebiyle normal çelik döküm malzemeden imal edilen rotor kanatlarının kavitasyona maruz olan uç kısımları minimum %18 Krom ve %8 Nikel alaşımlı elektrotlarla kaplanarak bu yüzeyler kavitasyona karşı dayanıklı hale getirilir. Hidrolik türbinler, takriben 135 yıldan beri imal edilmektedirler. 19. Yüzyıl içinde geliştirilmiş olan su türbinleri çok çabuk yayılmış ve su türbinlerinin tahrik ettiği genaratörlerde üretilen elektrik enerjisi OSKAR MILLER tarafından enerji iletim hattı ile uzak yerlerdeki müşterilere nakledilebilmiştir. Modern anlamda otomatik olarak Yük- Frekans ayarlaması yapılabilen Francis, Kaplan ve Pelton tipi hidrolik türbinler 1920’lerden itibaren yayılmağa başlamıştır. Artık bu tip türbinler çok yaygın olarak kullanılmakta, günümüzde imal edilen büyük Güçlü hidrolik türbinlerin verimleri % 93–95 mertebesine kadar yükselmiş bulunmaktadır.
TÜRBİN GÜCÜ:
Hn, Suyun Net Düşüsü [m],
Q, Türbin çark kanatları arasından 1 Sn. de geçen su miktarı olan Debi [m3/sn],
γ, Suyun Özgül Ağırlığı [ kg/m3]
η, Türbinin Mekanik ve Hidrolik kayıplarına bağlı olan Türbin Verimi [%] olmak üzere;
Hidrolik Türbinlerde elde edilen N Türbin Gücü [Kw- BG] :
Q.Hn.γ
N = ----------------- . η [BG]
75
BG = Beygir Gücü
1 BG = 0,736 Kw tır.
Dolayısıyla;
N Türbin Gücü [Kw] :
Q. Hn.γ
N = ----------------- . η [KW]
102
Sayısal Örnek:
Net Düşüsü Hn = 150 m., Debisi Q = 135 m3/sn ve Verimi η = 0,90 olan bir su türbinin gücü nedir ?
Q. Hn. γ
N = -------------------. η
102
γ= 1 Kg/dm3=1000 kg/m3
135 [m3/sn] . 150 [ m ] . 1000 [ kg/m3 ] . 0,9
N = --------------------------------------------------------
102
N = 178 676 Kw.
N = 178,676 MW
1 Megawatt [ MW ] = 1000 Kilowatt [ KW ]
HİDROLİK TÜRBİNLERİN YAPILIŞ ŞEKİLLERİ:
İşletme tarzlarına, yapılış şekillerine, Hidrolik düşüye ve su akımının (hidrolik akımın) rotordaki yönüne göre hidrolik türbinleri çeşitli sınıflandırmalara tabi tutmak mümkündür.
Ancak, genellikle, hidrolik Türbinleri;
A- Üst Basınç Türbinleri,
B- Serbest Püskürtmeli Türbinler
Olmak üzere iki ana gruba ayırmak mümkün görülmektedir.
ÜST BASINÇ TÜRBİNLERİ:
Üst Basınç Türbinleri grubuna, "Francis Tipi Hidrolik Türbinler" ile "Kaplan tipi Hidrolik Türbinler”girmektedir. Bu tip türbinlerde Enerji Değişimi için aşağıdaki Şekilde basit prensip şeması görülen R türbin rotorundan başka rotordan önce L Ayar Mekanizmasının ve rotordan sonra da S Emme Borusunun tesis edilmesi gerekmektedir.
Bu tip türbinlerde, türbin rotoru kanatlarının aralıklarında suyun giriş basıncında bir düşme meydana gelir ve su basıncında meydana gelen bu düşme, suyun ivmelenmesine yani hızlanmasına hizmet eder. Hızla türbin çarkının kanatlarına çarparak kanatlar arasından geçen su, sahip olduğu Kinetik Enerji ile türbin çarkını döndürerek Mekanik Enerjiye dönüşür.
FRANÇİS TİPİ HİDROLİK TÜRBİNLER;
Francis tipi türbinler:
1- Yatay Eksenli Francis Tipi Hidrolik Türbinler,
2- Düşey Eksenli Francis Tipi Hidrolik Türbinler olmak üzere iki tiptir.
H = 2- 600 m.lik Hidrolik Düşülerde ve N = 2 – 800.000 Kw. (800 MW.)
Güçler arasında imal edilmektedir.
Türbin çarkının dönmesi, suyun çark çıkışında ivmelenmesi sonucu oluşan tepki kuvvetiyle sağlanır. Su enerjisini türbine verirken basınç değişir. Burada su basıncı ya da su emişi sağlanması için kapalı bir ortam ya da çarkın tamamen suyun içinde olması gerekir. Bu nedenle fazla miktarda suya gereksinim duyarlar.
Tepki türbinleri için enerji dönüşümü, Newton'un üçüncü yasası (Etki-tepki ilkesi) ile açıklanır.
Bilinen çeşitleri;
•Francis
•Kaplan, Propeller, Bulb, Tube, Straflo
•Water wheel
Francis türbinleri :
--Salyangozlu ve açık su odalı olarak iki çeşittir.
--Bu türbinler reaksiyon türbinleridir yani suyun basınç enerjisini mekanik enerjiye çevirirler.
--Suyun akış doğrultusu radyaldır.
--Değişken yüklerde iyi verim alınan türbinler değildirler.
--Bu türbinler özgül hızlarına göre alçak hızlı,orta hızlı ve yüksek hızlı olmak üzere üç gruba ayrılırlar.Hız değerleri sırası ile(ns)60-125 yavaş,125-225 orta,225-400 hızlı’dır.
--Özgül hız değerinin 60’dan küçük olmamasının nedeni bu durumda çark kanalının çok dar ve uzun olarak kayıpları arttırıp verimi düşürmesidir.
--Kavitasyon dağılımları diğer reaksiyon türbinlerine göre daha düşüktür.
--Bu türbinler n ve H gibi değerlerden başka yalnızca a parametresine bağlıdır yani ayar olanağı tektir.
--Sabit yüklerde çok iyi verim alınabilir.
--Alçak hızlı tiplerinde ambalman hızında debi nominal değerin altındadır.
--Son yıllarda çark profili üzerinde yapılan geliştirmelerle ambalman hızları oldukça küçülmüştür.
--Salyangozlu tiplerde zararlı titreşimleri önlemek için kanat sayısı ile çark kanat sayısının aralarında ortak bölen olmaması istenir.
KAPLAN TİPİ HİDROLİK TÜRBİNLER;
Kaplan tipi türbinler:
1- Rotor Kanatları Sabit Olan Pervane Tipi Hidrolik Türbinler,
2- Rotor Kanatları Ayarlanabilen Kaplan Tipi Hidrolik Türbinler olmak üzere iki tiptir.
H = 2 – 60 m. lik Hidrolik Düşüler ve N = 2 – 200.000 Kw. (200 MW.) güçler arasında imal edilmektedir.
1- Türbin Rotoru (Çark) , 2- Ayar Kanadı, 3- Sabit Kanallar, 4- Salyangoz,
5- Hareketli Çark Kanatları, 6- Türbin Kılavuz Yatağı , 7- Türbin Üst Kapağı
8- Ayar çemberi, 9- Emme borusu.
Kaplan türbinleri:
--Yüksek özgül hızlarda kısmi yüklerdeki verimi düzeltebilmek ve türbine değişik yük ve düşülerdeçalışma kolaylığı sağlayabilmek için bu türbinler hareketli palalı türbinlerdir.
--Düşünün alçak olmasının sebebi kavitasyon direncinin azlığıdır.
--Bu türbinler nehir üstü santraller için çok ideal bir türbin tipidir.
--Akış tam olarak ekseneldir.
--Özgül hızları 700d/d’den büyüktür.
--Özgül hızın bu kadar büyük olması türbin ve jeneratör boyutlarını küçülterek maliyeti azaltır bu nedenle Francis’ten daha avantajlıdır.
--Ek olarak pala ayar mekanizmasını bünyesinde bulundurur.
--Özgül hız büyüdükçe sıvının kanatlara girebilmesi için pala sayısı azalır.
--Ambalman hızları Francis’e göre yüksektir.
--Kaplan türbinlerinde ambalman debisi nominal debinin üzerindedir.
--Bu şekilde bir türbin yalnızca (N;n) dağ eğrisi ile temsil edilebilir.
--Değişken düşülerde en uygun türbin tipidir.
--Salyangoz geometrileri Francis’teki gibi dairesel değil,hızlar daha düşük olduğu için genelde yarım daire şeklindedir.
--Son olarak salyangozlar beton yapılardır.
USKUR :
--Kaplan türbinleri ile birçok benzerlikleri bardır.
--Bu türbinlerde bahsettiğim diğer iki türbin gibi reaksiyon türbinleridir.
--Kaplan türbininden ayıran başlıca özellik palalarının sabit olmasıdır.
--Özgül hızları 500d/d’dan büyüktür.
--Bu türbinlerde akış tam ekseneldir.
--Ambalman hızları Francis’e göre yüksektir.
--Çarkları buharlı gemilerdeki uskura benzediğinden uskur çark veya uskur türbinleri diye adlandırılırlar.
--Boyutlandırma hesaplamaları dahil geri kalan tüm özellikleri kaplan türbinleriyle aynıdır.
--Özgül hızları büyüdükçe pala sayıları azalır.
SERBEST PÜSKÜRTMELİ TÜRBİNLER:
( PELTON TÜRBİNLERİ)
Bu tip türbinler 1880 yılında Amerika'lı PELTON tarafından keşfedilmiş ve gelişmeleri günümüze kadar devam etmiştir. Pelton tipi hidrolik türbinler “ Çok Yüksek Hidrolik Düşüler” ve “ Küçük Su Debileri ” için kullanılmaktadırlar. Aşağıdaki Şekillerde Pelton Tipi bir Hidrolik Türbinin Rotoru ve rotor Kepçelerine su fışkırtan Pelton Düzesinin basit bir prensip Şeması gösterilmiş bulunmaktadır.
Türbin çarkı üzerinde çukur çanak şeklindeki kanatlara su fiskiyesinin (su jeti) çarparak su hızının değişmesi sonucu türbinin dönmesi sağlanır. daralan bir boru sisteminden (nozul) geçirilerek suya bir hız kazandırılır ve su jeti oluşturulur. Su jetinin kanatlara çarpması sonucu kinetik enerji,potansiyel enerjiye dönüşür. Bu sistemde çark kanatlarında basınç değişimi ortaya çıkmaz ve türbin kapalı bir ortama gereksinim duymaz. İmpuls türbinleri için enerji dönüşümü, Newton'un ikinci yasası ile açıklanır. Daha ziyade çok yüksek düşülerde tercih edilir.
Pelton tipi hidrolik türbinlerde düze memesinden fışkıran su yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi Pelton çarkının çevresindeki kepçelere teğetsel olarak çarpar. Bu çarpma ile suyun hız enerjisi (kinetik enerjisi) mekanik işe dönüşmüş olur ve türbin rotoru döner. Türbin rotorunun çevresindeki kepçelere suyun çarptırılması, bir veya birkaç Pelton Düzesi ile yaptırılabilir. Genellikle küçük güçlü Pelton tipi Hidrolik türbinlerin 1 veya 2 düzesi olmasına karşın , büyük güçlü Pelton tipi Hidrolik türbinlerin 4 veya 6 adet düzesi bulunur. Pelton tipi Hidrolik türbinler H = 60 -1.000 m. Hidrolik Düşüler arasında ve N = 2 – 300.000 Kw. (300 MW.) Güçler İçin imal edilmektedirler.
Pelton Tipi Türbinler:
1- Yatay eksenli Pelton tipi hidrolik türbinler,
2- Düşey eksenli Pelton tipi hidrolik türbinler, olmak üzere iki tiptir.
Bu tipler de ayrıca;
1- Tek düzeli Pelton tipi hidrolik türbinler,
2- Birden fazla düzeli Pelton tipi hidrolik
Türbinler olmak üzere iki gruba ayrılır.
HİDROLİK TÜRBİNLERİN KULLANIM SAHALARI:
Hidrolik düşünün ve türbinden geçecek su debisinin değerlerine göre hidrolik türbinlerin kullanılma sahaları değişir. Kaplan tipi hidrolik türbinler, büyük su debilerinde ve küçük düşülerde kullanırlar. Francis tipi hidrolik türbinler genel olarak orta yükseklikteki su düşülerinde ve orta değerlerdeki su debilerinde kullanılırlar. Pelton tipi hidrolik türbinler ise küçük su debilerinde ve çok yüksek su düşülerinde kullanılırlar. Aşağıdaki grafiklerde “Su Düşüsüne” ve “Su Debisine” bağlı olarak hidrolik türbinlerin “ Kullanım Sahaları” gösterilmiş bulunmaktadır. Grafikler kullanılarak hangi hidrolik düşüde ve hangi su debisinde, hangi tip hidrolik türbinin kullanılabileceğini tespit edebilmek için öncelikle hidrolik düşünün ve su debisinin tespit edilmesi gerekmektedir.
Microhydro Elektrik Temelleri
Hidroelektrik basit kavramlar üzerine kurulmuştur. Taşınan su türbini döndürür ve dönen türbin jeneratörü döndürür ve elektrik üretilir. Çok bileşenli bir sistem olmasına rağmen üretim zaten hareketli suyun içinde gizlidir.
Su gücü yükseklik ve akışın birleşimidir. Her ikisi de elektrik üretmek için mevcut olmalıdır. Tipik bir hidrolik sistem düşünün. Su akıntısı yamaçtan bir boru yardımıyla türbine taşınır. Boru hattı sonundaki düşey akış basınç yaratır. Borunun ucundan basınçlı çıkan su türbini döndürecek gücü yaratır. Yüksekli ve akış ne kadar artarsa üretim o kadar artar. Sonuçta üretilen elektrik gücü sistem her zaman giriş gücünden azdır.
Yükseklik su basıncıdır, buda giriş ve çıkıştaki yükseklik farkında kaynaklanır. Yükseklik iki nokta arasındaki düşey mesafe olarak alınır. Net yükseklik türbindeki mevcut basınçtır. Net yükseklik sistemdeki sürtünmeden dolayı her 
zaman yükseklikten daha azdır. Boru çapı net yüksekliği doğrudan etkiler.
Akış su miktarıdır ve birim zamandaki hacim olarak ifade edilir. Litre/Saniye gibi. Tasarım akışı sistemin tasarımında kullanılan maksimum akış miktarıdır. Genelde toplam akışınızdan daha azdır.
Yüksekliğin ve Akışın Ölçülmesi
Yeni mikro hidro sisteminizi tasarlamaya başlamadan önce ya da ne kadar elektrik üretebileceğinizi hesaplamadan önce 4 önemli ölçümü yapmalısınız:
- Yükseklik (Giriş ve Türbin arasındaki düşey mesafe)
- Akış (Kaynaktan birim zamanda gelen su miktarı)
- Boru hattı uzunluğu
- Elektrik hattı uzunluğu (Türbinden enerjinin harcandığı yere kadar)