Francis türbini yayıcısındaki girdap oluşumunun etkisini azaltma yöntemlerinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleriyle incelenmesi

Abstract

Hidrolik türbinler geleneksel olarak, elektrik enerjisi talebinin fazla olduğu zaman dilimlerinde kullanılmakta idi. Ancak son zamanlarda kapasiteleri gittikçe artan güneş ve rüzgar enerjisi gibi aralıklı elektrik üretimine sahip kaynakları dengelemek için hidroelektrik santralleri kesintili çalışmaya zorlanmaktadır. Ayrıca küresel ısınma sebebiyle azalan yağış miktarı da santralleri kısmi ve kesintili çalışmaya zorlayan başlıca etmenlerdendir. Hidrolik türbinler, çalışma şartlarındaki bu farklılaşmalar sebebiyle, akış hızlarındaki önemli dalgalanmalarla çalışmak zorunda kalırlar. Özellikle kısmi yük altında çalışan türbinlerde, yayıcı girdap halatı gibi karmaşık bir akış oluşturarak ciddi gürültü ve titreşimlere neden olur. Türbin üzerindeki bu zararlı etkileri azaltmak için öncelikle girdap halatının akış mekanizmaları ve özellikleri araştırılmalıdır. Bu tezin amacı, Francis türbin yayıcısında oluşan girdap oluşumunu inceleyip, zararlı etkilerini azaltıcı yöntemlerin etkinliğini Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizleri yardımıyla araştırmaktır. Bu kapsamda mevcutta kurulu olan Mavi Hidroelektrik Santrali (HES) türbinine ait geometriye, literatürdeki iyileştirici yöntemler uygulanmış, türbinde mekanik herhangi bir değişim yapılmadan yöntemlerin etkinliği karşılaştırılmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında uygulanacak yöntemleri doğrulamak amacıyla Francis-99 açık veri çalıştayında geometrisi ve türbin parametreleri paylaşılan Tokke türbin modeli, çözüm ağı oluşturularak analiz edilmiştir. Sonuçlar çalıştay sonuçları ile karşılaştırılarak yöntem doğrulanmıştır. HAD analizleri için kullanılabilecek birçok farklı eleman tipinde ağ yapısı vardır. Eleman seçimindeki en önemli husus çözüm ağı güvenilir sonuç verirken hesaplama maliyeti ve zaman konusunda da optimum bir noktayı temsil etmesi gerekliliğidir. Literatürde bu konuda yapılmış çalışmalar incelenerek çok yüzlü eleman kullanımının en efektif çözüm olacağı kararlaştırılmıştır. Çözüm ağının uygulanacağı akış hacmi salyangoz, ön dağıtıcı, dağıtıcı kanat, çark ve yayıcı akış hacimlerinden oluşmaktadır. Türbin çalışma prensibi göze alındığı enerji üretimi sırasında çark hareket ettiği için çark çözüm ağını tanımlayacak doğru çözüm ağı bağlantısı tanımlanmalıdır. Daimi hal analizlerinde Çoklu Referans Çerçevesi (MFR) diğer adıyla donmuş rotor arayüzü kullanılmıştır. Daimi olmayan hal analizlerinde ise Kayan Ağ (SM) yaklaşımı kullanılmıştır. Sınır koşulları olarak girişte toplam debi, çıkışta ise kuyruksuyu seviyesine ait atmosfer basıncı tanımlanmştır. Mavi HES türbini dağ eğrisi diyagramında nominal düşü üzerinde bulunan dört farklı çalışma noktası için daimi ve daimi olmayan hal analizleri gerçekleştirilmiştir. Daimi hal analizleri, dört farklı yoğunlukta oluşturulan çözüm ağları için gerçekleştirilip, sonuçların çözüm ağından bağımsızlığı sağlanmıştır. Analizlerde Kayma Gerilme Taşınımı (SST) k-ω türbülans modeli kullanılmıştır. Bu model otomatik duvar fonksiyonu ile çözüm ağlarının y+ sayısı hassasiyetini büyük ölçüde ortadan kaldırmaktadır. Ayrıca analizler tek faz ve multifaz olarak Schnerr-Sauer kavitasyon modellemesi ile gerçekleştirilmiştir. Bu model faz geçişi sırasında buhar kabarcıkları oluşturup sonra sönen baloncuk dinamiği temelli Rayleigh-Plesset denklemini baz alarak oluşturulmuştur. Türbin yayıcı konisine yerleştirilen on iki basınç izleme noktasından daimi olmayan hal analizleri boyunca veriler toplanmıştır. Toplanan bu basınç ölçümleri Hızlı Fourier Dönüşümü (FFT) ile frekans alanına dönüştürülerek baskın frekanslar tespit edilmiş ve basınçların genlikleri karşılaştırılmıştır. Nominal debinin 0,82 katı debi ile gerçekleştirilen 2. analiz noktasında en yüksek genlikli Rheingans frekansına sahip titreşimler tespit edildiği ve Q kriteri ile girdap görsel olarak da tespit edildiği için iyileştirme yöntemlerinin bu noktada denenmesine karar verilmiştir. İyileştirme yöntemlerinin uygulaması için Mavi HES türbin geometrisi revize edilmiştir. Çark merkezi uzantısı yöntemi için iki farklı tasarım oluşturulmuş ve çark gövdesine eklenmiştir. Yayıcı kanat uygulaması için oluşturulan üçgen kesitli dört kanattan oluşan setler, eşit uzunlukta ve değişken uzunlukta olmak üzere türbin geometrisine yerleştirilmiştir. Hava ve su enjeksiyonu için çark merkezinden ikinci bir akışkan girişi bulunan türbin tasarımı oluşturulmuştur. Oluşturulan yedi farklı iyileştirme uygulamasına sahip türbinler analiz edilip sonuçlar karşılaştırılmıştır. Yöntemlerin her biri basınç dalgalanmalarının genliğini azaltmakta başarılı olurken, en başarılı uygulama %4 su enjeksiyonu olmuştur. Diğer uygulamaların her birinde baskın frekans değişim göstermezken %4 su enjeksiyonunda bu değer Rheingans aralığının dışına çıkmıştır.