Francis tipi türbinlerin sayısal yöntemler ile tasarımı, parametre optimizasyonu ve model testlerinin sayısal alt yapısının geliştirilmesi
Design and parameter optimization of Francis type turbines and development of substructure of model tests by numerical methods
Yazar: ÜLKÜ ECE AYLI İNCE
Danışman: DOÇ. DR. SELİN ARADAĞ ÇELEBİOĞLU ; DR. KUTAY ÇELEBİOĞLU
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Akışkanlar dinamiği = Fluid dynamics ; Francis türbini = Francis turbine

Özet:
Tez çalışmalarının ilk kısmında üç boyutlu zamandan bağımsız sayısal çözümleme ile Türkiye, Bursa ilinde kurulmakta olan Francis tipi Hidroelektrik Santralinin temel parçalarının tasarımı yapılmıştır. Tezin ikinci kısmında, tasarımı gerçekleştirilmiş olan BUSKİ Hidroelektrik Santrali tepe diyagramı çalışmasından bahsedilmektedir. Farklı ayar kanadı açıklıklarında stator ve rotor parçaları arası etkileşimler ayrıntılı olarak incelenmiş, kayıp analizleri tüm parçalar için ayrı ayrı gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan türbin geniş bir debi düşü aralığında %90 üstü verimle çalışabilmektedir. En iyi tasarım noktası ve dizayn noktası kıyaslamaları yapılmış ve tasarlanan türbinin en iyi tasarım noktasına olabildiğince yakın çalıştığı gözlemlenmiştir. Geniş bir veri aralığında tepe diyagramı çalışması gerçekleştirmek adına kırk iki tüm türbin analizi sonucunda elde edilen veriler işlenmiştir. Türbin tasarım sürecindeki en zorlu süreç çark dizaynıdır. Çark performansını ve karakteristiğini etkileyen bir çok parametre vardır. Bunlardan bazıları akış beta açısı, kanat beta açısı, çark giriş ve çıkış çapları ve ayar kanadı yüksekliğidir. Çarkın optimum dizaynında yani istenen debi, düşü ve güç özelliklerini sağlayan tasarımda tüm bu parametreler varolan tasarım için en uygun değerlerine ulaşırlar. Hidrolik tasarımcı bu parametrelerin 
optimizasyon sürecinde ciddi zaman harcamaktadır ve tasarım deneyimine sahip olmak mecburiyetindedir. Tezin üçüncü kısmında, çark performansını ve kavitasyon özelliklerini etkileyen bazı temel çark parametreleri üzerine çalışılmıştır. Türbin açısal hızı, çark geometrisi, sistem debi ve düşüsü her bir türbinde değişiklik gösterdiğinden ötürü her bir hidroelektrik santral için yeni bileşen tasarımları yapmak mecburidir. Bu durumdan arınmak ve genel sonuçlar elde edebilmek adına dizayn parametreleri etkileri dört farklı türbin üzerinde test edilmişdir. Tasarımcılara kolaylık sağlamak ve tasarım sürecini kısaltmak adına üzerine çalışılan parametrelerin, incelenen tüm farklı çarklar üzerinde yarattığı  etkilerden ayrıntıları ile bahsedilmiştir. Ayrıca türbin debisi ve açısal hızı arasında ampirik bir formülasyon elde edilmiştir. Son iki kısımda,Türkiye'de Antalya ilinde hali hazırda çalışmakta olan KEPEZ-I Hidroelektrik Santrali rehabilitasyon ve modernizasyon projesi kapsamında yapılan çalışmalardan bahsedilmiştir. Model testleri TOBB ETÜ Su Türbini Tasarımı ve Test Merkezi bünyesinde gerçekleştirilecek olan bu türbin için ilk olarak mevcut bileşenlerin sayısal analizleri gerçekleştirilmiş ve mevcut problemler tespit edilmiştir. Bu problemlerin çözümü için çözüm yöntemleri sunulmuştur. Ayrıca model testi için sayısal alt yapı hazırlanmıştır. Bu bağlamda benzerlik kanunları temel alınarak bir makro kodu geliştirilmiş ve model türbin ölçüleri belirlenmiştir. Model türbin parametreleri ve ölçüleri için model türbin tepe diyagramı elde edilmiş ve prototip tepe diyagramı ile kıyaslanmıştır. Ölçümlendirme etkileri model ve prototip tepe diyagramları kıyaslanarak ayrıntılı olarak incelenmiştir.Bu çalışma ile ETÜ HİDRO'da test edilecek tüm türbinler model ölçülerine uluslararası standartlar temel alınarak indirgenebilecek ve model parametreleri belirlenebilecektir.

Abstract:
In the first part, CFD based 3D numerical simulations of steady turbulent flow in a Francis turbine for an actual power plant, BUSKI HES in Turkey, is presented. Depending on the variation of the environmental factors, new and modernized hydropower systems can work at operating regions both full and part load conditions. Second part of this thesis presents hill chart prediction and flow characteristics of an entire Francis turbine (BUSKİ HEPP). The interactions between components especially between the stator and rotor are investigated for different head and guide vane openings. Loss analysis is carried out, as well. Designed Francis turbine can work with more than %90 efficiency in a wide range. Best efficiency point (BEP) and design point comparisons are shown as well. To obtain a reliable numerical Hill chart, forty-two full turbine analyses are performed for different head and guide vane openings using computational fluid dynamics (CFD) and the design is finalized accordingly.Most challenging component for the design process of a hydraulic turbine is the runner. There are several parameters which determine the turbine performance and cavitation characteristics during the design phase of the runner such as flow beta angle,flow alfa angle, blade beta angle, inlet and outlet diameter of the runner and blade height. In the optimum design of the runner, to ensure the necessary conditons for head, flow rate and power of the system are met, all the parameters must reach to appropriate values. The hydraulic designer, should allocate a long time to optimize the parameters, and should have experience about this iterative process. In the third part, some of the turbine runner parameters that affect turbine performance and cavitation characteristics are investigated in detail. Turbine rotational speed, runner geometry, system head and flow rate effects vary in each custom turbine design specifically made for a specific hydroelectric power plant. To eliminate this situation and to obtain universal results, the effects of design parameter are investigated for four different runners designed for four different hydroelectric power plants.  To help the hydraulic designer, general influences of the parameters on the turbine performance are summarized; empirical formulations are derived for runner performance characterization.In the last two part, model turbine dimensions and operating conditions of the KEPEZ 1 HEPP, in Turkey is determined which will be tested at the Center of Hydro Energy Research at TOBB University of Economics and Technology. The model tests will be performed for verification purposes. The overall hydraulic characteristics of the prototype and the model are determined; several analyses are performed to be able to perform the CFD aided design and model tests of the designed turbine. Efficiency values over a wide range of operating conditions are obtained by CFD analyses for both prototype and model turbine by conducting eighty full turbine analyses and  numerical hill charts for the prototype and model turbines are constructed. Scale effects between the model and prototype are investigated