Bir francis türbin performansının, hesaplamalı akışkanlar dinamiği ve saha verimlilik ölçümleriyle incelenmesi
Investigation of a francis turbine performance using cfd and site efficiency measurements
Yazar: YAĞMUR TUĞBA ÜNAL
Danışman: PROF. DR. SELİN ARADAĞ ÇELEBİOĞLU
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Hidroelektrik santrallerde elde edilen elektrik enerjisi, öncelikle akan suyun enerjisinin hidrolik türbin yardımıyla mekanik enerjiye çevrilmesi sonrasında jeneratör yardımıyla bu mekanik enerjisinin elektrik enerjisine döndürülmesiyle elde edilir. Hidrolik türbinler ile ilgili literatüre bakıldığında Francis tipi, Kaplan tipi ve Pelton tipi başta olmak üzere çeşitli hidrolik türbin tipleri bulunduğu görülür. Debi, düşü ve enerji üretim büyüklüğü gibi santral çalışma koşulları belirlendikten sonra bu değerlere uygun türbin tipi seçilir. Günümüzde en yaygın olarak kullanılan türbinler Francis tipi türbinlerdir. Karmaşık kanat geometrisi olan çark, Francis tipi türbinlerdeki en önemli parçadır. Suyu yönlendirebilmesi ve istenen performans değerini sağlaması açısından çark kanatları dönüşlü ve değişken üç boyutlu bir profile sahiptir. Karmaşık yapıdaki çark kanadı profili ve genelde bu profillerin şirketlerin gizli bilgisi olması, bu profillere erişimi kısıtlar. Teknik resim verilerinden ise çarkın tüm geometrisi elde edilemez. Dolayısıyla, hidroelektrik santrallerde yapılacak olan rehabilitasyon çalışmalarında mevcut çark, tarama yardımıyla tersine mühendislik yapılarak çark geometrisi elde edilmeye çalışılır. Bunun yanında, geometri elde edildikten sonra meridyonel görünüm, kanat açılarının dağılımı ve kanat kalınlık dağılımı gibi kanat tasarım değişkenlerinin de elde edilmesi gerekir. Bu parametreler elde edildikten sonra ortaya çıkan kanat yapısıyla Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) ile doğrulama analizlerinin de yapılması gerekmektedir. Bu çalışmada, Altınkaya Hidroelektrik Santralinde, Romer Absolute Arm portatif lazer tarayıcı ile sahada türbin parçalarının taranması, 3 boyutlu nokta bulutunun elde edilmesi, bu nokta bulutundan katı modellerin elde edilmesi, çark ve diğer aksamların matematiksel modelinin oluşturulması, tüm türbine ait kararlı ve kararsız HAD analizlerinin yapılarak, verim tepe diyagramı ile diğer çalışma özelliklerinin belirlenmesi ilk aşaması olarak belirlenmiş ve bu işlemler sırasıyla gerçekleştirilmiştir.  Daha sonra saha verim ölçümü yapılarak, yapılan bu ölçümler Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemiyle elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Sayısal yöntemlerle elde edilen tepe diyagramı ile saha ölçümlerinin karşılaştırılmıştır.

Abstract:
The mechanical energy is converted into electrical energy with the help of a generator, after converting the energy of the flowing water into mechanical energy with the help of a hydraulic türbine in hyrdoelectric power plants. The turbine type that is mostly used is Francis type turbines. The runner with its complex blade geomerty is the most important part of Francis turbines. The runner blades have a rotating and variable three-dimensional profile to direct the water and provide desired performance. The complicated runner blade profile and the fact that these profiles are confidential information of companies, restrict access to these profiles. The full geometry of the runner cannot be obtained from technical drawing data. Therefore, in rehabilitation works to be carried out in hydroelectric power plants, the existing runner is reverse engineered with the help of laser scanning. In addition, after obtaining geometry, blade design variables such as meridional profile, distribution of blade angles and blade thickness distribution should be obtained. After these parameters are acquired, verification analysis should also be made with Computational Fluid Dynamics (CFD) with the blade structure that was formed. In this thesis, in Altınkaya Hydroelectric Power Plant, turbine parts are scanned in the field with the help of laser scanning, obtaining a 3D point cloud. Forming solid models from this point cloud, creating the mathematical model of the runner and other parts, making steady and unsteady CFD analysis of the whole turbine, with the Hill chart diagram are the other parts of the process utilized in this work. Site efficiency measurements were made, and these measurements were compared with the results obtained by the Computational Fluid Dynamics (CFD) method. The Hill chart obtained by numerical methods were compared with site measurements.