Bir mikro hidro türbinin tasarımı analizi ve deneysel incelenmesi
Design, analyses and experimental investigation of a micro hydro turbine
Yazar: EMRE ÖZTÜRK
Danışman: PROF. DR. NEVZAT ONUR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic ; Sonlu elemanlar analizi = Finite element analysis ; Su türbinleri = Water turbines ; Turbo makineler = Turbomachinery

Özet:
Gittikçe artan enerji ihtiyacını karşılamak üzere yerel olarak kullanılabilecek bir çözüm düşüsü az debisi nispeten düşük olan akarsular üzerine kurulacak mini/mikro düzeydeki hidrolik türbinlerdir. Bu çalışmada 10kW'lik boru tipi sabit kanatlı bir hidrolik türbin tasarımı yapılmış, yapılan tasarımın Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği teknikleri ile performans analizleri yapılmış ve optimizasyonlar ile güç üretimi arttırılmış, Sonlu Elemanlar Yönetmi ile mukavemet heesapları yapılmış, daha sonra üretilmiş ve İTÜ Prof. Dr. Cahit Özgür Hidromekanik Laboratuvarı'nda testleri gerçekleştirilmiştir.Tasarım süreci öncelikle amprik ve analitik formüller kullanılarak ana boyutların hesabı ile başlamış, hız üçgenleri kullanılarak kanat tasarımları yapılmıştır. 3-boyutlu tasarımlar Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği analizleri ile doğrulanmış, daha sonra optimzasyon sürecine geçilmiştir. Stator sayısı, emme borusu geometrisi, kanat açıları, göbek çapı, kuyruk suyu borusu geometrisi gibi birçok parametrede değişiklikler yapılarak aynı düşü için türbinin verim ve güç değerleri arttırılmıştır.Eniyileştirme çalışmalarında ortaya çıkan 15 farklı tasarımdan seçilen tasarım için sonlu elemanlar analizleri ile mukavemet hesabı yapılmış ve yeterli güvenlik faktörü görüldüğünde üretim için mekanik tasarım yapılmıştır. Mekanik tasarım üretilebilirlik açısından bazı kısıtlar getirdiğinden sivri kenarlı kanatların keskinliği azaltılmış ve akabinde rotor ve stator kanatları CNC'de işlenmiş, gövdenin büyük kısmı standard borudan kesilmiş, standard olmayan çap içinse sac bükülerek kaynatılmıştır.İmalatı yapılan prototip İstanbul Teknik Üniversitesi'ne hidrolik test için gönderilmiştir. Moment ölçümü için bir torkmetre yerleştirilmesinin mümkün olmaması sebebi ile hidrolik güç ve jeneratör güçleri ölçülerek sistem verimi hesaplanmış, türbinin dizayn debisini test sisteminde sağlamak mümkün olmadığından testler anma hızından düşük hızlarda yapılıp daha sonra ölçüm sonuçları 1500 d/d dönme hızına irca edilmiştir. Elde edilen test sonuçları ile analiz sonuçları karşılaştırılığında oldukça yakın değerler elde edilmiştir.Bu çalışma neticesinde 10kW'lık bir mikro türbinin sayısal yöntemler kullanılarak tasarımı yapılmış ve bir tasarım metodolojisi oluşturulmuştur. Deneysel sonuçların sayısal analizler ile yakın çıkmış olması tasarım sürecinde sonlu analiz yöntemlerinin kullanılmasının faydasını ortaya koyması açısından önemlidir ve günümüz tasarım süreçlerinin vazgeçilmez unsurlarıdır.

Abstract:
Mini/micro hydraulic turbines to be installed on low height and low volume flow rate rivers, are one of the solutions to the continuously increasing energy demand. In this study, a 10 kW fixed blade bulb type hydraulic turbine is designed, the design was investigation via Computational Fluid Dynamics techniques and optimized in terms of power delivered, strength analyses were performed with Finite Element Method, later on manufactured and tested in Istanbul Technical University Prof. Dr. Cahit Özgür Hydromechanics Lab.The design process has begun by using the empirical and the analytical fomulea to find out the main dimensions of the turbine, and then blade designs have been made by using the velocity triangles. The 3-dimensional designs have been validated by Computational Fluid Dynamics analyses and then the optimizations have begun. Various parameters like number of stators, suction pipe geometry, blade angles, hub diameter, tail water pipe geometry have been studied in order to increase the efficiency and the power output from the same head.One out of 15 different designs has been selected and after finite element analyses for strength calculation with a sufficient factor of safety, the mechanical design has been made for manufacturing. The sharpness of the blades have been decreased for manufaturability and rotor and stator have been machined on CNC while most of the volute has been cut from standard diameter pipes and the rest have been bent and welded.The prototype has been sent to İstanbul Technical University for hydraulic tests. It has not been possible to implement a torquemeter for moment measurement so the system efficiency has been calculated by measuring hydraulic power and generator power. Also the mass flow was too high for the test setup, so the tests have been performed at lower speeds and the results have been amended for 1500 rpm. The test results are in close agreement with numerical results.As a result of this study, a 10kW micro turbine has been designed by using numerial techniques and a desing methodology has been created. Obtaining good agreement between numerical and experimental results is important in proving the benefits of using finite analyses techniques and they are indispensible in contemporary design process.