Su türbini tasarımı amaçlı sayısal yöntemler geliştirilmesi ve uygulanması

Abstract

Yenilenebilir enerji kaynakları arasında en büyük paya sahip hidrolik güç elektrik üretiminde çok verimli ve temiz bir enerji kaynağıdır. Hidrolik türbinler hidrolik enerjiden elektrik enerjisi sağlayan turbo makinelerdir. Francis türbinleri ise günümüzde en yaygın kullanılan hidrolik türbin tipidir. Her türbinin kendine özgü düşü ve debi değeri olmasından dolayı türbin tasarımı terzi usulü olarak adlandırılır ve önemli bir mühendislik çalışmasını gerektirir. Francis türbinlerinde geleneksel tasarım yöntemi deneyler, ölçümler ve model testlerinden oluşur, fakat bu yöntem önemli ölçüde zaman ve para gerektirmektedir. Son yıllarda bilgisayarların artan hesaplama gücü ve gelişen sayısal yöntemler ile Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) türbin tasarımı sürecinde kullanılan önemli bir araç haline gelmiştir. Türbinde meydana gelen oldukça karmaşık, türbülanslı ve üç boyutlu akış HAD yardımıyla çözülebilmekte ve türbinin performans tahmini kolayca yapılabilmektedir. Bu çalışmada, literatürdeki mevcut teorik ve deneysel esaslar ile ticari HAD kodları birleştiren bir tasarım yöntemi ile bir Francis türbinin tasarımı gerçekleştirilmiştir. Tasarım süreci türbin bileşenlerinin ilk ölçülerinin belirlenmesiyle başlar. Türbin içerisindeki akış HAD araçları ile incelenerek istenilen hidrolik verim ve türbin isterleri karşılanıncaya kadar türbin üzerinde gerekli iyileştirmeler yapılır. Son tasarımda elde edilen sonuçlar türbin performansının HAD ile doğru tahmin edilebildiği ve oluşturulan HAD temelli tasarım yönteminin başarılı bir şekilde çalıştığı görülmüştür.

Hydropower, the largest source of renewable energy, is a clean and very efficient way to generate electricity. Hydraulic turbines are turbo machines which produce electricity from hydraulic energy. Francis type turbines are the most common one in use today. The design of these turbines is called tailor-made due to their unque head and discharge and and it requires high engineering effort. Francis turbines are traditionally designed by means of experiments, measurements and model tests, but this process requires a great deal of time and money. Increasing computational power of computers and developing numerical methods during the last decades, Computational Fluid Dynamics (CFD) has become a very important tool at the design process of hydraulic machines. CFD is able to solve complex, three- dimensional and turbulent flows occurring in turbines and the performance of the turbine can be easily predicted. In this study, the design of a Francis turbine is accomplished by using a design methodology integrating theoretical and experimental fundamentals of hydraulic machines with commercial CFD codes. The design process begins with the selection of initial dimensions of turbine components. Required improvements on turbine are carried out to improve the overall hydraulic efficiency and obtain the final turbine specifications by solving the flow in the turbine with CFD tools. The results obtained at the final design show that the performance of a turbine can be predicted accurately and applied CFD-based design methodology is successful at turbine design.