Mikro hidroelektrik santrallerde kullanılan çapraz akışlı türbinlerin hidrolik performanslarının deneysel çalışması ve optimizasyonu
Experimental study and optimization of hydraulic performances of cross-flow turbines used in micro hydroelectric plants
Yazar: HIRWA JEAN PAUL NIYIGENA
Danışman: DOÇ. DR. ÖZCAN ATLAM
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Sistemleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Banki türbini = Cross flow turbine ; Deney tasarımı = Experimental design ; Karakteristik eğriler = Characteristic curves ; Verimlilik = Productivity

Özet:
Gezegenin bazı bölgelerinde teknolojik gelişme, teknolojinin yoğun kullanımı ve hızlanan nüfus artışı nedeniyle, artan elektrik talebini karşılamak için yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı önemlidir.
Hidroelektrik, temiz elektrik üretimi sağlamanın basit ama verimli yolu nedeniyle dünya çapında önemli bir yenilenebilir enerji kaynağıdır. Şu anda, Banki-Türbin olarak da bilinen çapraz akışlı türbin, basit yapısı, mütevazı verimliliği ve küçük ve düşük basınçlı hidroelektrik uygulamalarında iyi performansı nedeniyle dünyanın birçok yerinde giderek daha fazla kullanılmaktadır. Verimliliği %90'a yakın olan diğer türbinlere kıyasla düşük verimi nedeniyle bu türbinin yoğun kullanımının sınırlı olduğu varsayılmaktadır. Bu türbin verimliliğinin iyileştirilmesi, daha fazla çalışmasını ve performansındaki en önemli parametrelerin belirlenmesini sağlayacaktır. Bu nedenle, bu tezin ilgi alanı çapraz akışlı türbin performansını matematiksel yaklaşım ve deneysel yaklaşım kullanarak araştırmaktır.
Bir Banki Mitchel Türbininin verimliliğinin tasarım parametrelerinden nasıl etkilendiğine dair teorik bir araştırma sunulmuştur. Kontrol hacmi teorisinin türbin çarkındaki momentum denklemine genel formülasyonu yardımıyla ve akışın özellikleri ve çarkın tasarım geometrisi ile ilgili tüm varsayımlar dikkate alınarak matematiksel bir model geliştirilmiştir. Türbinden geçen su deşarjı sıkıştırılamaz, viskoz olmayan, homojen ve sürekli akış olarak kabul edilir, çarkın iç ve dış yüzeyindeki şoktan kaynaklanan kayıplar ile sızıntı kayıpları ihmal edilir. Bu çalışmanın sonucunda, hücum açısı, kanat giriş açısı ve yolluk çapı oranı değiştirildiğinde hidrolik verim davranışı belirlendi ve her farklı senaryoda uygun değerleri gösterildi. Tasarım parametreleri arasındaki kritik ilişkiler açıklandı ve bu nedenle Simulink MATLAB kullanılarak analiz edildi ve simüle edildi. Ayrıca, türbin çıkış tork karakteristiklerini ve gücünü araştırmak için deney seti kullanılmıştır. Rezervuarın her seviyesinde veriler kaydedildi ve en yüksek verimin %66,7 olduğu tahmin edildi, Daha iyi bir performans için kanadın çıkış açısının 90° olması gerektiği belirtilmişti. Uzunlamasına, sırasıyla çeşitli çalışma koşullarında türbin verimliliğini tahmin eden ve aşama başına enerji katkısını hesaplamak için bir ifade verildi.

Abstract:
Due to technological development, massive use of technology, and accelerated population growth in some regions of the planet, the use of renewable energy sources is important to match the increasing electricity demand.
Hydropower is an important source of renewable energy around the world, due to its simple but efficient way to provide clean electricity generation. Currently, the cross-flow turbine also known as Banki-Mitchel Turbine has been increasingly used in many places around the world due to its simple structure, modest efficiency and its good performance in small and low head hydroelectric applications. It is presumed that the massive utilization of this turbine has been limited due to its low efficiency compared to other turbines with efficiencies close to 90%. Improving this turbine efficiency would make it more operation and the determining the most significant parameters in its performance. Therefore, the interest of this thesis is to investigate the performance of the cross-flow turbine using mathematical approach and experimental approach.
A theoretical investigation is presented on how the efficiency of a Banki Mitchel Turbine is affected by its design parameters. With the help of general formulation of the control volume theory to the equation of the momentum in the turbine's runner and considering all assumption regarding the properties of the flow and the design geometry of the runner, a mathematical model has been developed. The water discharge through the turbine is considered incompressible, non-viscous, homogenous and steady flow, the loss due to shock on the inner and outer surface of the runner as well as leakage losses are neglected. As results of the present study, the behaviour of hydraulic efficiency was determined when varying the angle of attack, the blade entry angle as well as the runner diameter ratio, indicating their appropriate values in each different scenario. critical relationships between design parameters have been disclosed and therefore analysed and simulated using Simulink MATLAB. Furthermore, the experiment set has been used to investigate the turbine output torque characteristics and power. Data were recorded at each lever of the reservoir, and the highest efficiency were estimated to be 66.7%, it was also mentioned that for a better performance, the exit angle of the blade should be 90°. At length, an expression was given estimating the turbine's efficiency at various operating conditions and for calculating the energy contribution per stage, respectively.