Francis tipi türbin modelinin performans testlerinin gerçekleştirilmesi ve sayısal sonuçların test sonuçlarıyla doğrulanması

Abstract

Francis türbinleri, yüksek verimlilikleri ve geniş işletim aralığında gösterdikleri yüksek performans nedeniyle hidroelektrik santrallerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Türbin modellerinin performans ve kavitasyon testleri, hidroelektrik santralinin (HES) spesifikasyonlarına göre tasarlanan esas türbinlerin üretilmesinden önce gerçekleştirilmelidir. Bu sayede, ucuz olması ve hızlı sonuç vermesinden dolayı sık tercih edilen Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi kullanılarak elde edilen türbin hidrolik verim değeri model testleri tarafından garanti altına alınmış olur. Hem test merkezi hem de deneysel incelemeler belirli standartların gerektirdiği yükümlülükleri sağlamak zorundadır. Bu bağlamda Türkiye'de ilk kez model türbinlerin test edilmesi amacıyla TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi Su Türbini Tasarım ve Test Merkezi kurulmuştur. Tesis, sistemin su gereksinimini sağlayan 700 m3 hacimli bir su deposuna ve herhangi bir santralin simüle edilmesi amacıyla farklı debi ve düşü değerlerinde seri, paralel veya tekli olarak çalıştırılabilen frekans kontrollü 1,5 MW güce sahip iki adet santrifüj pompaya sahiptir. Deney düzeneğinde 2 MW güce kadar model türbinler test edilebilmektedir. Üç üniteden oluşan Kepez-1 santralinin birinci ünitesi için yapılan rehabilitasyon çalışması kapsamında yeniden tasarlanan esas türbinin model performans testleri bu test merkezinde gerçekleştirilmiş ve geniş bir işletim aralığında çeşitli debi, düşü ve ayar kanadı açısı kombinasyonları için türbin performans özelliklerini gösteren tepe diyagramı deneysel olarak elde edilmiştir. Tez kapsamında ölçüm ekipmanları, bunların kalibrasyon metodu, model performans deneyinin uygulanışı ilgili test merkezinde geçerli olmak üzere aşamalı bir şekilde detaylandırılarak verilmiştir. Uluslararası Elektroteknik Komisyonu (IEC) standartlarının belirlediği, test sonrası hesaplanması gereken türbin parametreleri optimum verim noktası için ayrı ayrı hesaplanmış ve belirsizlik analizi gerçekleştirilmiştir. Model türbin performans testi kapsamında daha önce grubumuz tarafından gerçekleştirilen HAD çalışmalarının sonuçlarını doğrulamak amacıyla elde edilen deneysel veriler bahsedilen sayısal sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma, IEC standartlarına göre hidrolik verimliliğin doğrulanmasını sağlamaktadır.

Francis türbinleri, yüksek verimlilikleri ve geniş işletim aralığında gösterdikleri yüksek performans nedeniyle hidroelektrik santrallerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Türbin modellerinin performans ve kavitasyon testleri, hidroelektrik santralinin (HES) spesifikasyonlarına göre tasarlanan esas türbinlerin üretilmesinden önce gerçekleştirilmelidir. Bu sayede, ucuz olması ve hızlı sonuç vermesinden dolayı sık tercih edilen Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi kullanılarak elde edilen türbin hidrolik verim değeri model testleri tarafından garanti altına alınmış olur. Hem test merkezi hem de deneysel incelemeler belirli standartların gerektirdiği yükümlülükleri sağlamak zorundadır. Bu bağlamda Türkiye'de ilk kez model türbinlerin test edilmesi amacıyla TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi Su Türbini Tasarım ve Test Merkezi kurulmuştur. Tesis, sistemin su gereksinimini sağlayan 700 m3 hacimli bir su deposuna ve herhangi bir santralin simüle edilmesi amacıyla farklı debi ve düşü değerlerinde seri, paralel veya tekli olarak çalıştırılabilen frekans kontrollü 1,5 MW güce sahip iki adet santrifüj pompaya sahiptir. Deney düzeneğinde 2 MW güce kadar model türbinler test edilebilmektedir. Üç üniteden oluşan Kepez-1 santralinin birinci ünitesi için yapılan rehabilitasyon çalışması kapsamında yeniden tasarlanan esas türbinin model performans testleri bu test merkezinde gerçekleştirilmiş ve geniş bir işletim aralığında çeşitli debi, düşü ve ayar kanadı açısı kombinasyonları için türbin performans özelliklerini gösteren tepe diyagramı deneysel olarak elde edilmiştir. Tez kapsamında ölçüm ekipmanları, bunların kalibrasyon metodu, model performans deneyinin uygulanışı ilgili test merkezinde geçerli olmak üzere aşamalı bir şekilde detaylandırılarak verilmiştir. Uluslararası Elektroteknik Komisyonu (IEC) standartlarının belirlediği, test sonrası hesaplanması gereken türbin parametreleri optimum verim noktası için ayrı ayrı hesaplanmış ve belirsizlik analizi gerçekleştirilmiştir. Model türbin performans testi kapsamında daha önce grubumuz tarafından gerçekleştirilen HAD çalışmalarının sonuçlarını doğrulamak amacıyla elde edilen deneysel veriler bahsedilen sayısal sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma, IEC standartlarına göre hidrolik verimliliğin doğrulanmasını sağlamaktadır.