Basınçlı su dağıtım sistemlerinde enerji geri kazanımına yönelik adaptif hat tipi türbin tasarımı
Adaptive in-line turbine design for energy recovery in pressure water distribution systems
Yazar: AHMET DEMİRKAYA
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ KENAN KAYA
İstanbul Aydın Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Bilgisayar destekli mühendislik = Computer aided engineering ; Enerji geri kazanımı = Energy recovery ; Hidrolik = Hydraulics ; Su türbinleri = Water turbines ; Su şebekeleri = Water networks

Özet:
İçme suyu dağıtım sistemlerinde su türbinlerinin kullanılması, özellikle son yıllarda üzerinde çalışılan konulardan olmuştur. Engebeli arazilerde kurulan şehir şebekelerinde optimum basıncı sağlamak zorlaşmakta, bu da hatların işletilmesinde büyük enerji maliyetleri oluşturmaktadır. Bu maliyetleri düşürmenin bir yolu, yüksek basınca sahip akış konumlarında enerji geri kazanımı sağlamaktır. Bu çalışmada türbin tipi seçim kriterleri üzerinde durularak şebeke koşullarında çalışabilecek su türbini için adaptif bir türbin sistemi tasarlanmaya çalışılmıştır. Tip olarak eksenel türbin kategorisine giren burgu tipi çark seçilmiş ve bilgisayar destekli mühendislik (CAE) yazılımları desteği ile iç akış şartlarına göre tasarlanmıştır. Tasarım aşamalarında 3B modeller oluşturulmuş ve özellikle devir sayısı, kanat çıkış açısı ve kanat çıkış boyunun etkileri hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yazılımı olan Ansys Fluent ile simule edilmiştir. Şebeke sistemlerinde genellikle gece debisinin düşük, gündüz debisinin ise yüksek seviyelerde seyretmesine binaen iki farklı kapasitede türbin çarkı için en verimli noktadaki devir sayıları ve kanat çıkış açıları tespit edilmiştir. Geometrisi belirlenen türbin çarklarının sayısal çözümlemeleri, farklı fakat birbiriyle orantılı seçilen debi ve devir sayıları ile simule edilmiş, karakteristik eğrileri elde edilmiştir. Tasarım noktasındaki hidrolik verim değerleri gündüz çarkı için %90, gece çarkı için ise %87 olarak hesaplanmıştır. İçme suyu özellikleri de gözetilerek malzeme seçimi yapılan gece ile gündüz türbinleri, kademeli çark yapısında tasarlanarak montaj yapısı, sonrasında da şebeke kurulum sistemi oluşturulmuştur. Çalışma düzeni, sistemin kontrolü için tasarlanan ve hattaki suyun basıncı ile çalışan hidrolik sistem ile sağlanmıştır. 8'er adet çark ve 7'şer adet ara kılavuz kanat içeren kademeli türbinlerin yaklaşık hidrolik verim değerleri gündüz türbini için %73, gece türbini için ise %70 olarak simülasyon sonuçlarından elde edilmiştir.

Abstract:
The use of water turbines in drinking water distribution systems has been a subject that has been studied especially in recent years. It is difficult to provide optimum pressure in city networks established on rough terrain, and this creates large energy costs in the operation of the lines. One way to reduce these costs is to recover energy in high-pressure flow locations. In this study, an adaptive turbine system has been tried to be designed for a water turbine that can operate in network conditions by referring the turbine type selection criteria. The auger type impeller, which falls under the axial turbine categoryis was selected,  and designed according to internal flow conditions with the support of computer aided engineering (CAE) software. During the design phases, 3D models were created and the effects of rotational speed, blade outlet angle and blade outlet length were simulated with Ansys Fluent, a computational fluid dynamics (HAD) software. Due to the fact that the night flow rate is low and the day flow rate is high in the network systems, the rotation numbers and blade outlet angles at the most efficient point have been determined for two different capacity turbine impellers. The numerical analyzes of the turbine impellers, whose geometry was determined, were simulated with different but proportionally selected flow rates and revolutions, and their characteristic curves were obtained. The hydraulic efficiency values at the design point were calculated as 90% for the day wheel and 87% for the night wheel. The day and night turbines, whose materials were selected by considering the drinking water characteristics, were designed in a stepped wheel structure, and the assembly structure and then the network installation system were created. The working order is provided by the hydraulic system designed for the control of the system and working with the pressure of the water in the line. The approximate hydraulic efficiency values of the stepped turbines with 8 impellers and 7 intermediate guide blades were obtained from the simulation results as 73% for the day turbine and 70% for the night turbine.