Su türbini deney düzeneği bileşenlerinin tasarımı ve deneysel doğrulama çalışmaları

Abstract

Hidrolik türbinlerin performans ve kavitasyon karakteristiklerinin belirlenmesinde günümüzde yaygın olarak kullanılan gelişmiş numerik yöntemler ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği metotlarına rağmen model türbin testlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu testlerin gerçekleştirildiği dünya üzerindeki çeşitli laboratuvarlara benzer şekilde ülkemize de uluslarası standartlarda bir test düzeneğinin kazandırılması için Kalkınma Bakanlığı desteği ile TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniveristesi bünyesinde Su Türbini Tasarım ve Test Merkezi'nde çalışmalar yapılmış ve nihayete ermiştir. Yapılan tez çalışması bu kapsamda gerçekleştirilen bazı tasarım ve test çalışmalarını sunmaktadır. Tez çalışması içerisinde deney düzeneğinde generatörün ve model türbinin yerleştirildiği test hücresinin tasarımı yapılmış ve sonlu elemanlar yöntemi ile mekanik dayanımı incelenmiştir. Generatörün test hücresi üzerinde yataklanması ve türbin çarkından iletilen zararlı eksenel ve radyal kuvvetlerden yalıtılması amacıyla bir hidrostatik yatağın kavramsal tasarımının yapılması tez kapsamında tamamlanan çalışmalardandır. Hidrostatik yatak, sabit generatör gövdesinin de sürtünmesiz olarak yağ filmi üzerinde yüzdürülmesini sağlayarak model türbin testlerinde uluslararası standarda uygun olarak tork ölçümü yapılabilmesini sağlamaktadır. Tez çalışması dahilinde bu ölçüm mekanizmasının tasarımı verilmiştir. Bu amaçla hidrostatik yatağa bağlı bir kol kullanılarak şaft torku bir yük hücresine iletilmektedir. Ölçüm sistemidahilinde bu yük hücresinin ölçümlerini teyit etmek için bir mekanizma yardımıyla kola bağlı kalibreli ağırlıklar kullanılmaktadır. Yapılan çalışma ile TÜBİTAK KAMAG tarafından desteklenen MİLHES Projesi'nde rehabilitasyon çalışmalarının yürütüldüğü Kepez-1 Hidroelektrik Santrali'nin mevcut prototip türbininin testleri için ölçekli model tasarım çalışması gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda üniteye ait orijinal paftalar ve sahada yapılan tarama çalışmasında elde edilen veriler kullanılarak model türbin parçalarının bilgisayar ortamında katı modelleri hazırlanmıştır. Bu katı modeller test merkezinin üretim yetenekleri doğrultusunda uygun hale getirilerek imalat öncesinde sonlu elemanlar yöntemi ile mekanik dayanım analizine tabi tutulmuştur. Tasarımı doğrulanan parçalar imalat birimine iletilmiştir. Bu tez çalışmasında tasarım çalışmalarının akabinde test faaliyetleri de gerçekleştirilmiştir. Üretim ve montaj sonrasında hidrostatik yatak için bazı saha testleri tamamlanmış ve akış ayrıştırıcılarda ölçülen basınç değerleri tez çalışması içerisinde verilmiştir. Test merkezinde hizmet verilebilecek kapasitelerin belirlenmesi için deney düzeneğindeki iki adet pompa ile tekli, seri ve paralel çalışma sıralamalarında testler yapılmıştır. Yapılan testlerde farklı devirler için debi ve düşü değerleri ölçülerek not edilmiş ve tez kapsamında sunulmuştur. Test düzeneğine ait sistem eğrilerinin elde edilerek model testi öncesinde farklı modellere özel test koşullarının belirlenmesi amaçlanmıştır. Tez içeriğinde bu amaçla pompa, kayıp ve model türbin eğrilerinin kullanıldığı bir yöntem sunulmaktadır.Anahtar Kelimeler: Test hücresi, Hidrostatik yatak, Tork ölçümü, Model türbin tasarımı, Pompa testi

Although improved numerical methods and computational fluid dynamics technique in turbine design, experiments are still popular to validate the performance and cavitation characteristic. There are a few laboratories specialized for model turbine tests. The significant effort is made by Hydraulic Turbine Design and Test Center of TOBB University of Economics and Technology supported by Ministry of Development to establish such a facility in Turkey. Given study introduces some design and test processes as a part of this effort. The test cell, which is required to accommodate the generator-bearing assembly and model turbines to be tested, is designed as a frame structure and validation work with finite element methods is accomplished. Conceptual design of a hydrostatic bearing that isolates generator from harmful forces of turbine runner is made. Stator of the generaor rotates freely on the hydrostatic bearing and it allows the measurement of torque respect to the international standards. Another aspect of the study is to have a measurement system that is consist of an arrm, a force transducer and calibration weights for the transducer. Length of the arm multiplied by the measured force gives the torque produced by the turbine runner.In the context of the thesis work, the model turbine of Kepez-1 HEPP that is under rehabilitation as a part of MILHES project supported by TUBITAK KAMAG is designed. Original technical drwaings of turbine parts and scanned point cloud areused to obtain 3d models of the turbine. By regarding manufacturing capabilities, design process is finalized and finite element work is made. After the validation, production unit starts processing. Test activities are another branch of this study. The hydrostatic bearing is put under funciton tests and pressure readings from flow dividers are recorded and presented. To determine capacity that could be reached by two pumps in serial or paralel, pump test are arranged. Test result as flow rate and pressure for different pump speeds are measured and noted as a part of this study. Finally, a methodology to determeine test conditions for different model turbines by defyning system curves before the model test. It includes a graph with axes as a flow rate and pressure and pump, loss and turbine curves on it.Keywords: Test cell, Hydrostatic bearing, Torque measurement, Model turbine design, Pump test