Francis tipi hidrotürbin ayar kanadı ve çarkının hesaplamalı akışkanlar dinamiği bazlı eniyilenmesi
Computational fluid dynamics aided optimization of guide vane and runner of a francis hydroturbine
Yazar: ALEV ELİKALFA KÖKSAL
Danışman: PROF. DR. SELİN ARADAĞ ÇELEBİOĞLU ; PROF. DR. ERDEM ACAR
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Francis türbini = Francis turbine ; Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic ; Tasarım optimizasyonu = Design optimization

Özet:
Günümüzde ve gelecekteki enerji ihtiyacı en önemli konulardan birisidir. Enerji tüketimi hızla artmaya devam etmekte ve dünya çapında kömür ve diğer fosil yakıtlara talep azalmaktadır. Gelecekteki enerji ihtiyaçlarını karşılamak için, yeni yenilenebilir enerji kaynaklarının geliştirilmesine ek olarak, mevcut enerji üretim yöntemleri mümkün olduğunca verimli olmalıdır. Enerji santrallerinde modern teknolojiler geliştirilmeli ve turbo makineler optimize edilerek mevcut enerji kaynakları daha ekonomik bir şekilde kullanılmalıdır. Bu noktada dünyada yaygın olarak kullanılan ve yenilebilir enerji kaynaklarında ilk sırayı alan hidroelektrik santrallerin geliştirilmesi büyük önem taşımaktadır.
Hidroelektrik santrallerde kullanılan hidrolik türbinler geliştirilirken verim, kavitasyon, güç gibi önemli hidrolik performans parametrelerinin belirlenen isterleri karşılaması gerekmektedir. Bu isterlere uygun türbin tasarımlarının gerçekleştirilebimesi ve akış karakteristiklerinin incelenebilmesi için, zaman, maliyet ve doğruluk açısından Hesaplamalı Akşkanlar Dinamiği (HAD) analizleri oldukça kullanışlı yöntemlerdir. Gelişen bilgisayar teknolojisi sayesinde HAD ve çeşitli optimizasyon yöntemlerini birleştiren tasarım optimizasyonları gerçekleştirilebilmektedir. Bu çalışmada Francis tipi bir hidrolik türbinin ayar kanadı ve çark bileşenleri ayrı ayrı olacak şekilde HAD analizlerine bağlı bir tasarım optimizasyon sistemi ile eniyilenmiştir. Ayar kanadı optimizasyonunda tek amaçlı optimizasyon metodu kullanılırak verim maksimize edilerek düşü kaybı azaltılmıştır. Çark optimizasyonunda ise tek amaçlı ve çok amaçlı optimizasyon metodları kullanılarak verim ve güç maksimize edilirken kavitasyonsuz bir tasarım sağlanmıştır.

Anahtar Kelimeler: Hesaplamalı akışkanlar dinamiği, Francis türbini, Optimizasyon

Abstract:
Today's and future energy needs are among the most important issues. Energy consumption continues to increase rapidly, and the worldwide demand for coal and other fossil fuels is decreasing. In addition to the development of new renewable energy sources, current energy production methods should be as efficient as possible to supply the energy need in the future. Modern technologies in power plants should be developed and turbochargers should be optimized so that existing energy sources can be used more economically. At this point, the development of hydroelectric power plants, which are widely used in the world and take first place in renewable energy sources, is of great importance.
While hydraulic turbines used in hydroelectric power plants are being developed, important hydraulic performance parameters such as efficiency, cavitation and power have to meet the determined requirements. Computational Fluid Dynamics (CFD) analyses are very useful in terms of time, cost and accuracy in order to be able to realize turbine designs and examine flow characteristics of these turbines. With the developing computer technology, design optimizations combining CFD and various optimization methods can be realized. In this study, a Francis-type hydraulic turbine was optimized with a design optimization system based on CFD analyses, with the guide vane and the runner components separately. In the guide vane optimization, the efficiency is maximized and the loss of head is reduced by using the single-objective optimization method. In the runner optimization, a cavitation-free design is provided, while a single-objective and multi-objective optimization method is used to maximize efficiency and power.

Keywords: Computational fluid dynamics, Francis turbine, Optimization