Eren GÜVEN

 

Makine Müh. & Elektronik ve Haberleşme Müh. 

Standart Pompa ve Makina San. Tic. A.Ş. 

[email protected]

 

ÖZET

Türbin olarak çalışan pompalar, izole bölgelerde bulunan küçük güçlerdeki hidroelektrik santrallerinde ve içme suyu isale hatlarında elektrik üretilmesi amacıyla tercih edilmektedir. Bunun başlıca nedenleri; ilk yatırım maliyetlerinin düşük olması, işletme ve bakım kolaylıkları ve kısa teslim süreleridir. Pompa-Türbin (PT)  performansının öngörülmesinde kullanılan ampirik yöntemlerin güvenilirliği, PT seçiminde karşılaşılan en büyük problemlerden biridir. Bu çalışmada PT performansının ampirik yöntemlere alternatif olarak, üç boyutlu hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) simülasyonları ile de öngörülebileceği gösterilmiştir. Bu amaçla birer adet uçtan emişli norm pompa, çift emişli pompa ve kademeli pompa seçilerek, türbin modundaki performansları deneysel olarak ölçülmüştür. Sayısal sonuçların deneysel ölçümlerle olan uyumu, PT seçimi konusunda HAD çözümlerinin başarıyla kullanılabileceğini göstermiştir. Ayrıca, sayısal çözümlerin yapılamadığı durumlarda, literatürden derlenen ampirik bağıntıların PT performansının öngörülmesindeki başarıları deneylerle karşılaştırılarak tartışılmıştır. 

 

SEMBOLLER

k_Q  : Türbin debi dönüşüm katsayısı

k_H : Türbin yük dönüşüm katsayısı

η : Verim

η_p : Pompa verimi

η_t : Türbin verimi

Q_opt : Pompanın optimum debisi (m³/h)

H_opt : Pompanın optimum basma yüksekliği (m)

n_q : Pompa özgül hız

Q_t : Türbin debisi (m³/h)

H_t : Türbin yükü (m)

P : Mil Gücü (kW)

 

1.GİRİŞ

Dünyanın enerji gereksinimi, artan nüfus ve talep ile orantılı olarak artmaktadır. Su kaynaklarının olduğu her yerde kurulu gücün büyük veya küçük olmasına bakılmaksızın elektrik enerjisi üretim santralleri kurulurken ilk yatırım maliyetlerinin yüksek olması kimi zaman yatırımcının bu alana yatırım yapmasını engellemektedir [1]. Bu durum enerji üreticilerini birim maliyeti düşürmek için arayışlara sevk etmiş ve küçük ölçekli hidroelektrik santraller ile ilgili araştırma ve çalışmalar artmaya başlamıştır. Türbin olarak çalışan pompaların, küçük hidroelektrik santrallerin ekipman maliyetini düşürmek için geleneksel türbinlerin alternatifi olarak kullanılabileceği anlaşılmıştır.

 

PT’ler farklı özgül hızlarda, farklı hidrolik ve mekanik yapıda olan makinalardır. Uygulamada türbin olarak kullanılan pompa tiplerinden en sık görülenleri uçtan emişli norm pompalar, çift emişli pompalar ve kademeli pompalardır.

 

Türbin deneylerini yapıp seçim kriterlerini oluşturmak pompa deneylerini yapıp seçim kriterlerini oluşturmaya nazaran daha zordur. Bu nedenle pompa üreticisi firmalar, çoğu zaman türbin deneylerini yapmaktan kaçınabilirler ve bunun yerine türbin performans eğrisini tahmin etme yoluna gidebilirler [2]. Pompa performans eğrisinden türbin performans eğrisinin elde edilmesi yaklaşımı yıllardan beri araştırma konusudur. Bu yaklaşım metotları mevcut pompanın özgül hızına, en verimli noktasındaki verime, debi ve basma yüksekliğine bağlıdır. İhtiyaç duyulan PT’nin performansı, Tablo 1’de verilen dönüşüm katsayıları kullanılarak pompa performansından tahmin edilir. 

 

Denklem (1) ile PT’nin debisi, Denklem (2)  ile de yük değeri hesaplanır. Bu yöntemlerle yapılan tahminlerde %20’den fazla sapma olduğu Chapallaz [10] tarafından belirtilmiştir. Dolayısıyla yapılacak yanlış seçimin para, zaman ve iş gücü kaybına yol açacağından dolayı daha keskin yöntemlere ihtiyaç vardır.

 

Bu çalışmada 3 adet farklı tipte ve farklı özgül hızda olan pompaların, PT performansları sayısal ve ampirik olarak incelenmiş, çıkan sonuçlar PT deneyleri ile karşılaştırılmıştır. Seçilen ve deneyi yapılan 3 adet PT’nin pompa modundaki özellikleri Tablo 2’de belirtilmiştir.

 

 

2. POMPA-TÜRBİN DENEYİ

Türbin deneylerinde net düşü sağlamak için basınçlandırıcı bir pompaya ihtiyaç vardır. Aynı zamanda deney sırasında üretilecek olan elektriğin regülasyonunun yapılması gerekmektedir.

 

Her üç adet PT’nin deney sistemi genel görünüşü Şekil 1’de verilmiştir. Deneylerde 450 m³ kapasitedeki atmosfere açık depodan alınan su, uygun bir pompa tarafından basınçlandırılarak testi yapılan PT’ye yönlendirilmiştir. PT giriş ve çıkış basınç değerleri kalibreli basınç transmitterleri ile, sistemden geçen akışkanın debisi kalibreli manyetik debimetre ile, türbin jeneratör grubundan elde edilen elektriksel güç değerleri kalibreli güç analizörleri ile online olarak ölçülüp tüm dijital veriler merkezi bir veri toplama sisteminde toplanmıştır.

 

3. POMPA-TÜRBİNİN SAYISAL ANALİZİ

Bu bölümde önce akış hacmi ve sayısal ağ tabakasının oluşturulması hakkında bilgiler verilecektir. Sonra her PT için optimum debide hız ve basınç dağılımları gösterilecektir.

 

3.1 AKIŞ HACMİNİN VE SAYISAL AĞ TABAKASININ OLUŞTURULMASI

PT HAD uygulamasını gerçekleştirebilmek için izlenen modelleme aşamaları basitçe şöyle özetlenebilir; çalışma 3 boyutlu olarak yapılacaksa ilk aşamada PT’nin katı modeli oluşturulur. Katı model oluşturulurken akışkanın temas ettiği yüzeylerin modellenmesi yeterlidir. Salmastra kutusu, rulman yatağı, sızdırmazlık elemanları gibi parçaların modellenmesi akış analizi için gerekli değildir. Katı modeli oluşturulan çark ve salyangoz elemanları için akış hacimleri elde edildikten sonra, bu hacimler sayısal ağlarla örülerek çözüme hazır hale getirilirler [11].

      

Akış analizlerinde FLUENT yazılımı kullanılmıştır. Sıkıştırılamaz Navier-Stokes denklemleri sonlu hacimler yöntemiyle çözülmüş, türbülans realizable k-ε yöntemiyle modellenmiştir.

 

Sınır koşulları olarak PT’nin girişinde kütlesel debi, katı yüzeylerde kaymama şartı, çıkışında statik basınç uygulanmıştır. Akışkan olarak su kullanılmıştır.

Analizlerde giriş ve çıkışlarda akış profillerinin düzgün olması amacıyla PT giriş ve çıkışına giriş borusu ve çıkış borusu adı altında ek hacimler yerleştirilmiştir. Akış modellemesi yapılırken daha hızlı çözüm almak için kaçak akışların olduğu bölgeler modellenmemiştir.  Kaçak verim ve mekanik verim literatürdeki ampirik formüllerden yararlanılarak hesaplanmış ve türbin verimi hesabında kullanılmıştır. 

 

ANSYS MESH yazılımı yardımıyla sayısal ağ oluşturulmuştur. Oluşturulan sayısal ağın her pompa için element sayısı ve kanat üzerindeki y+ değerinin alan ortalaması Tablo 3’te belirtilmiştir. 

PT’lerin sayısal ağ görünüşü Şekil 2’de gösterilmiştir.

 

3.2 SAYISAL SONUÇLAR

Farklı çalışma debilerinde analizler yapılmıştır. Çözümün yakınsayıp yakınsamadığı süreklilik, momentum ve türbülans denklemleri için kalıntı (residual) teriminin, kodun koşulması esnasında yapılan iterasyonlar ile değişimi göz önüne alınarak belirlenmiştir. Bu terimin 10-4 değerin altına inmesi ve bundan sonra devam eden iterasyonlar ile değişiminin çok azalması durumunda denklemler yakınsadığı kabul edilmiştir.

 

PT tasarımında öncelik en az değişiklik ile en verimli türbin modunu elde etmektir. Hidrolik tasarım pompa moduna göre tasarlandığından türbin modunda akış ayrılmaları ve sürtünme kayıpları olması kaçınılmazdır. 

 

Türbin modundaki hız ve basınç dağılımları üç farklı PT için optimum noktada incelenecektir. 

Şekil 3’te PT #1’in 156 m³/h debide meridyenel ve radyal kesitte hız alanları ve basınç dağılımları gösterilmiştir. Salyangoz içinde akışın düzgün ilerlediği akış ayrılmalarının çark içerisinde olduğu görülmektedir. Pompa moduna göre tasarlanan kanat giriş açıları, giriş profilleri ve açı dağılımlarının bu akış ayrılmalarında direkt etkisi olduğu öngörülmektedir. Pompa içindeki statik basınç dağılımına bakıldığında, çarktan alınan enerji nedeniyle çevreden merkeze doğru sürekli bir azalma olduğu görülmektedir.

 

Şekil 4’te PT #2’nin 250 m³/h debide meridyenel ve radyal kesitte hız alanları ve basınç dağılımları gösterilmiştir.  Salyangoz içinde akışın düzgün ilerlediği fakat çark pasajlarında lokal olarak bağıl hızların ani yavaşladığı görülmektedir. PT içindeki statik basınç dağılımına bakıldığında, çarktan alınan enerji nedeniyle çevreden merkeze doğru sürekli bir azalma olduğu görülmektedir. 

 

 

Şekil 5’te PT #3’ün 570 m3/h debide meridyenel ve radyal kesitte hız alanları ve basınç dağılımları gösterilmiştir. Diğer pompaların aksine difüzör ve çark kanat giriş açılarının türbin modunda çalışmaya uygun olduğu, belirgin akış ayrılmalarının ortaya çıkmadığı görülmüştür. Basınç alanının çevresel olarak düzgün dağıldığı, çark ve difüzör kanatlarındaki akışın periyodik olduğu görülmektedir.