Değişken debilerde yüksek verimde çalışan bir çapraz akış türbini geliştirilmesi

Abstract

Büyük hidroelektrik santrallerin yatırım maliyetlerinin yüksek olması büyük debi veya düşülere ihtiyaç duyması ayrıca çevreci kabul edilmemeye başlaması yeni yatırımların küçük hidroelektrik santrallere doğru kaymasına neden olmuştur [1]. Ülkemizde büyük hidroelektrik santrallerin kurulacağı yeni yerlerin olmayışı veya verimli toprakların ve tarihi yapıların su altında kalması nedeniyle küçük hidroelektrik santraller, günümüzde en önemli yenilenebilir enerji kaynağı olarak görülmektedir. Bu çalışmanın özgün tarafı, çapraz akış türbinlerinde debi ayarının ilk defa bir sürgülü vana kullanılarak yapılmasıdır. Bu amaçla, ilk olarak; çapraz akış (Banki) türbini temel alınarak yeni bir çapraz akış türbin geliştirme ve kontrol sistemi tasarımı yapılmıştır. Çalışmanın ikinci aşamasında; tamamen yerli kaynaklar kullanılarak Türkiye Elektro Mekanik Sanayi (TEMSAN) A.Ş.'ye tasarlanan ve çizimleri yapılan türbin imal ettirilmiştir. Üçüncü aşamada ise; türbinin test edilebilmesi için bir deney düzeneği tasarımı yapılarak GYTE'de düzeneğin kurulumu gerçekleştirilmiştir. Dördüncü aşamada; Banki türbininin çalışma koşullarının belirlenmesi amacı ile Yüzey Cevap Yöntemi (YCY) uygulanarak optimizasyon çalışmaları yapılmıştır. Çalışma şartları belirlendikten sonra, beşinci aşamada; türbin performansı deneyleri, altıncı aşamada; ise sürgülü vana performansı deneyleri yapılmıştır. Deneylerde debi kontrolü sürgülü vana ile yapılarak türbinin, düşük debilerde yüksek verimde çalışması sağlanmıştır. Yedinci aşamada; Deneylerden elde edilen sonuçlar, hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleri ile mukayese edilmiştir. Sekizinci ve son aşamada ise; sistemden çekilen güç değişimlerinde sürgülü vananın rolü üzerine, Matlab-Simulink programı kullanılarak modelleme çalışmaları yapılmıştır. Çalışmanın sonucunda ise, ilk kez bir sürgülü vana kullanılarak Çapraz Akış Türbininin debi ayarının yapılabildiği ve sürgülü vana kullanımı ile tasarım debisinden daha düşük debilerde verimde % 5'e varan iyileştirmeler elde edildiği görülmüştür. Ayrıca hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleri (HAD) ile mukayese edildiğinde nitelik bakımından benzer sonuçlar elde edilmiştir.

Micro hydroelectric power plants have been considered as the most important renewable energy sources since larger plants are no more environmentally accepted and finding suitable sites are difficult. Due to the fact that in our country there is no appropriate places to construct big hydroelectric power plants or possibility of flooding historical places and fertile land, micro hydroelectric power plant would be one of the most important renewable energy resources. Analysis of turbines yields that cross flow turbine is one of the suitable types considering resources of our country. The reason behind their rare use is their lower efficiency at variable flow rates. In this study, first of all, responding to our country?s demand and conditions, a cross flow turbine was designed. In the development-phase, turbine theory and experience of other researchers have been utilized. The turbine has been manufactured by Turkish Electro Mechanics Industry (TEMSAN), the only public institution of Turkey in its area and using completely domestic sources. In the second phase an experimental setup was designed and installed at Gebze Institute of Technology for testing the turbines of similar capacities. And then in the fourth phase Surface Response Method was applied to specify the operating range of the Banki Turbine. Turbine performance was tested, after constructing a hydroelectric laboratory with needed experimental setup and performance of the sliding valve which was a major contribution of this study was tested as a fifth and sixth phase, respectively. In the seventh phase, results were verified by computational fluid dynamics analyses. In the final phase, using Matlab-Simulink modelling and simulation were performed on the role of sliding valve for different power outputs. Our results showed that as the first time it is possible to make flow rate control of Cros Flow Turbine by using sliding valve. It is also shown that using the sliding valve increased the efficiency up to 5% under flow rates of designed flow rate. The computational fluid dynamic analysis also showed similar results to our experimental data.