Bir çapraz akış türbininde hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile verim analizi

Abstract

Bu çalışmada, hidroelektrik enerjinin Türkiye'deki durumu incelenmiş ve Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü (GYTE) Çayırova Yerleşkesi'nde kurulu Hidroelektrik Santral (HES) Laboratuarı'nda kullanılan ve deneysel çalışmaları yapılan çapraz akış (Banki) türbininin Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizleri yapılmıştır. Türbin verimini arttırmak amacıyla yapılan bu analizler: türbin ayar kanadı için en uygun çalışma açısının belirlenmesi, ayar kanadı ile yapılan debi ayarının, sürgülü vana kullanımı ile gerçekleştirilmesi, çark milinin akışa etkisi ile 2 ve 3 boyutlu akış analizlerinin mukayesesi olarak özetlenebilir.Çalışmanın birinci bölümünde hidroelektrik enerji ve Türkiye'deki durumu, ikinci bölümünde ise hidrolik türbin çeşitleri hakkında bilgi verilmiş, ülkemiz şartlarına en uygun türbin tiplerinden biri olarak Banki türbini seçilmiş ve adı geçen çapraz akış türbini ayrıntılı olarak incelenmiştir. Ayrıca Banki türbini ile yapılmış diğer çalışmalar da bu bölümde anlatılmıştır.Analizler kısmında ise, HAD metodları kullanılarak, türbindeki akış incelenmiştir. Öncelikle, en uygun ayar kanadı çalışma açısı, farklı debi, açı ve boyutlardaki analizler karşılaştırılarak belirlenmiştir. Daha sonra ayar kanadı açısı sabit tutularak, sürgülü vananın farklı konumları için türbin verimi incelenmiştir. Ayrıca, çark milinin akışa etkisini belirlemek için karşılaştırmalı analizler yapılmıştır.Çalışmanın sonucunda çark milinin elde edilen torka yaklaşık %3 oranında azaltıcı etkide bulunduğu saptanmıştır. Ayrıca, 2 ve 3 boyutlu analizler arasında yaklaşık %20 oranında fark tespit edilmiştir. Düşük debide, sürgülü vana kullanımı ile daha yüksek debilerde elde edilen verim değerlerine yakın değerlere ulaşıldığı görülmüştür. Bu durum yapılan deneysel çalışmalarla da paralellik göstermektedir.In this study, hydroelectric energy condition of Turkey was reviewed and Computational Fluid Dynamics (CFD) analyses of a cross flow (Banki) turbine which was experimentally investigated in hydroelectric power plant laboratory in Gebze Institute of Technology were completed. Analysis performed to increase turbine efficiency can be summarized as: determination of optimum control blade operating angle, use of sliding valve instead of control blade for control, effect of rotor shaft on the flow and comparison of 2 and 3 dimensional flow analyses.In the first and second parts of the study, information about hydroelectric energy and hydrolic turbines was provided. Cross flow microturbine was chosen as one of the most suitable turbine type for our country and detailed analysis of the mentioned turbine was performed. Added to that, other studies about Banki turbine were reviewed.In the analysis section, the turbine flow was examined by using CFD methods. First of all, control blade optimum operating angle was investigated by comparison of analyses perfomed under different flow, angle and dimension conditions. Subsequently, turbine efficiency was investigated for the different conditions of sliding valve, by keeping the control blade operating angle fixed at the optimal value. Additionally, comparative analyses were performed for estimating the effect of turbine shaft on the flow.It was concluded that existance of rotor shaft causes a tork reduction of about 3%. Furthermore, about 20% difference was observed between 2 and 3 dimensional analyses. It was determined that the efficiency, which are close to high flow rate yield values, can be attained also at the low flow rates by using sliding valve. This result is also in accordance with the experimental studies.