Francis türbinleri i̇çin bir vorteks önleyici bileşen tasarimi ve türbin performansinin i̇ncelenmesi
A new vortex preventing element design for francis turbines and ınvestigation of turbine performance
Yazar: DENİZ SARPER SEMERCİ
Danışman: PROF. DR. TAHİR YAVUZ
Başkent Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Enerji verimliliği = Energy efficiency ; Francis türbini = Francis turbine ; Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic ; Su türbinleri = Water turbines ; Vorteks = Vortex ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy

Özet:
Bu tez çalışması kapsamında, Francis türbinlerinin emme borusunda meydana gelen ani basınç dalgalanmaları ve buna bağlı oluşabilen vorteks halatı olayının önüne geçebilmek adına yeni bir bileşen tasarlanmıştır. Çalışma kapsamında performans analizlerinin gerçekleştirilmesinde Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği analizleri kullanılmış, kullanılan model daha önce bir çalışmada elde edilen deneysel verilerle doğrulanmıştır. Vorteks Önleyici Bileşen kademe sayısı, Vorteks Önleyici Bileşen yüksekliği ve ayar kanatları açısı parametreleri seçilerek bir optimizasyon çalışması gerçekleştirilmiştir. Parametreler arası doğrusal ilişki olmaması ve deney sayısının azlığı sebebiyle Box-Behnken deney tasarımı metodu ile Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği analizleri eş zamanlı yürütülmüş ve çalışmanın sonucunda regresyon denklemi elde edilmiştir. Buna göre, türbin performansına en çok etki eden parametrenin ayar kanatları açısı olduğu, sonraki etkin parametrenin ise ayar kanatları ve Vorteks Önleyici Bileşen kademe sayısı interaksiyon ilişkisi olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca, Vorteks Önleyici Bileşenin tek kademeli olarak tasarımda kullanıldığı durumda, emme borusunda meydana gelen vorteks halatını emme borusu çeperlerine dağıttığı ve türbin veriminde yaklaşık %1'lik bir artışa sebebiyet verdiği gözlemlenmiştir.

Abstract:
In this study, a new design is made to prevent vortex rope phenomena which may be occur due to instant pressure fluctuations at the draft tube of Francis turbines. In this study, Computational Fluid Dynamics (CFD) analyses are used to obtain the turbine performance and the data is verified with experimental results extracted from a previous study. Stage number of Vortex Preventing Element, the height of Vortex Preventing Element and guide vanes angle of Francis turbine is selected as factors to carry out an optimization study. Box-Behnken experimental design is selected due to lower experiment number and the non-linear relationship between the specified parameters. Optimization and CFD studies are carried out simultaneously and as a consequence, a regression equation is obtained. Accordingly, the most effective parameter on turbine performance is observed as guide vanes angle, and the second one is the relation between guide vanes angle and stage number of Vortex Preventing Element. Besides, if the single-staged Vortex Preventing Element is used in Francis turbine design, it is seen that the component shreds the vortex rope through the draft tube wall. Also, the VPE forges an %1 additional increment on turbine efficiency.