arkadaşlar hidroelektrik santrallerinde kullanılan türbin ve jeneratör çeşitleri hakkında detaylı bilgiye ihtiyacım var. Bu kitap da olabilir fakat nette bulamadım böyle bir kitap, elinde kaynağı olup ya da böyle bir kitap bilen arkadaş varsa sevinirim... teşekkürler
''Hidroelektrik Santraller ve Alternatörler'' isimli kitabım şu anda hazırlık aşamasında. Kiabımdan veriyorum bu bilgileri:
Türbinlere Giriş
Türbinler, akışkanın hidrolik enerjisini mekanik enerjiye çeviren makinelerdir. Basit olarak bir mil ve mil üzerindeki kanatçıklardan oluşurlar. Kullanılan akışkana göre türbinin yapısı değişmektedir. Genel olarak şu prensiple çalışırlar; Sistemdeki akışkan (su) türbinin kanatçıklarına çarparak türbin miline hareket verir, hareket milin çıkışında mekanik işe dönüşür ve mekanik işten jeneratörler vasıtasıyla elektrik üretilir. Hidroelektrik güç tesislerinde kullanılan türbinlere hidrolik türbinler veya su türbinleri adı verilir. Su türbinleri kullanım alanlarına, ürettikleri güce, güç üretme biçimlerine göre birçok şekilde sınıflandırılabilirler.
2.8.1. Türbinleri Sınıflandırma
Düşüye Göre Sınıflandırma;
· H>300 m Yüksek basınçlı su türbini,
· 400 m<H> 20 m Orta basınçlı su türbini,
· H<50 m Düşük basınçlı su türbini.
Türbin Çıkış Güçlerine Göre;
· Yüksek güçlü hidrolik türbinler (> 100 MW)
· Orta güçlü hidrolik türbinler (20 100 MW arası)
· Küçük güçlü hidrolik türbinler (1 20 MW arası)
· Mini Hidrolik türbinler (100 KW 1 MW arası)
· Mikro hidrolik türbinler (5 KW 100 KW arası)
· Piko hidrolik türbinler (< 5 KW)
Türbin Milinin Durumuna Göre;
- Yatay eksenli türbinler
- Dikey eksenli türbinler
- Eğik eksenli türbinler
Suyun Akış Doğrultusuna Göre;
- Eksenel akışlı türbinler (Kaplan, Uskur)
- Radyal akışlı türbinler (Francis)
- Diyagonal akışlı türbinler (Yüksek Hızlı Francis)
- Teğetsel akışlı türbinler (Pelton, Banki)
- Saptırılmış akışlı türbinler (Turgo)
Suyun Etki Şekline Göre;
- Aksiyon tipi türbinler (Pelton, Turgo, Banki)
- Reaksiyon tipi türbinler (Francis, Kaplan, Uskur, Boru)
2.8.2. Etki Tipi (Aksiyon) Türbinler
Bu türbinlerde akışkan kepçelere veya çarka atmosfer basıncında girip yine atmosfer basıncında çıkar. Bu yüzden bu tip türbinlere eş basınçlı türbinler adı verilmiştir.
Etki tipi türbinler şunlardır;
-Pelton Türbinleri
-Turgo Türbinleri
-Banki Türbinleridir.
2.8.2.1. Pelton Türbinleri
Büyük hidroelektrik sistemlerde 150 m brüt düşünün üzerinde Pelton türbini uygulaması yapılmaktadır. Mikro hidrolik sistemlerde daha alçak düşülerde de bu türbin kullanılabilir. Örneğin yüksek hızda dönmekte olan küçük çaplı bir Pelton türbini, 1 kW güç üretmek için 20mnin altında düşülerde kullanılabilir. Yüksek güç ve düşük debide hız çok azalır bu da türbin boyutunu artırır. Bu tip türbinlerde suyun enerjisi önce, uygun şekle sahip bir borudan geçirilip, çıkış ağzında su jeti haline getirilerek, kinetik enerjiye dönüştürülür. Daha sonra bu jet, kap şeklindeki rotor kanatlarına püskürtülür.(Şekil 2.8). Kapların geometrisi, su jetinin enerjisini en yüksek oranda emecek biçimde tasarlanmış ve ortalarından geçen dikey bölücü plakalar, suyun iki yana doğru takatsizce dağılmasını sağlıyor. Pelton türbinleri, düşey veya yatay olarak konumlandırılabilir. Jetlerin sayısını arttırmak suretiyle, tek bir rotordan sağlanan gücü arttırmak mümkündür.
Yatay konum için genellikle iki olan jet sayısı, dikey konumlar için, çoğunlukla dört veya daha fazla olabiliyor.
Yatay konumlandırma halinde, tek bir jeneratörü süren aynı şaft üzerine, bir yerine iki rotor yerleştirmek de mümkündür.
En yüksek verim, rotor kaplarının hızı, su jetinin hızının yarısı kadar olduğunda elde edilir. Ki bu durumda, tam yükün de %60-80i arasında çalışılıyorsa eğer; türbinden geçen suyun kaybettiği potansiyel enerjinin %90dan fazlası mekanik işe dönüştürülebilir.
Güç artıkça bu tip türbinlerin çarkının çapı büyür ve türbin yavaş döner. Eğer çarkın çapı ve düşük hızı bir problem olarak kabul edilmezse Pelton türbini rahatlıkla alçak düşülerde kullanılabilir. Alçak düşü ve küçük güç ünitelerinde kullanılacak olan türbinlerin, merkezi sistemden bağımsız yerel kuruluşlarca işletilmesi nedeniyle
Bakım ve onarımlarının kolaylıkla yapılabilir olması çok önem taşımaktadır. Ayrıca, tesis aksamının da piyasadan kolay temin edilebilen parçalardan oluşması gereklidir.
Uhud HES Pelton Türbin montajı
Jetlerdeki suyun debisi, boru ağzının içinde kayan bir mızrak tarafından kontrol edilir. Hareketleri yağ basıncıyla çalışan bir servo motor tarafından otomatik olarak yönetilen mızrak, ağız çıkışını kısmen veya tamamen kapatabilir. Böylelikle su jetinin hızını; değişen yük talepleri, su yükseklikleri ve debileri için yaklaşık sabit tutmak mümkün olabildiğinden, rotor çok farklı ağız açıklıklarında dahi aynı hızla dönebiliyor. Bu yüzden, iyi tasarımlanmış bir Pelton türbininin verimlilik eğrisi düz, fakat diğer tiplerinkine oranla daha düşük olur. Boru ağzından çıkan suyun miktarını, yük talebindeki bir düşüşe paralel olarak hemen azaltmak, borudaki basınçta büyük bir yükselme olacağından mümkün olamaz.
Öte yandan aynı debiyi püskürtmeye devam, motorun fazla hızlı dönmesi anlamına geleceğinden, böyle durumlarda jetin önüne, ek bir kontrol aracı olarak saptırıcı (deflektör) girer. Saptırıcı, mızrak devreye girip de debiyi azaltana kadar, jetin kinetik enerjisini kısmen dağıtır(Şekil 2.9).
2.8.2.2. Turgo Türbinleri
Çalışma prensibi bakımından Pelton türbinlerle aynı sayılabilecek Turgo tipi türbinlerin kepçe yapıları farklılık göstermektedir(Şekil2.10). Ayrıca daha ucuz maliyet, daha hızlı devir sayısı ve aynı boyuttaki bir Pelton türbinden daha fazla su tutabilme gibi daha üstün özellikleri de vardır.
Aynı güçteki bir Pelton türbinin çark çapının yaklaşık bir buçuk katıdır. Buda daha yüksek devir sayılarına çıkmasını sağlar.
2.8.2.3.Banki (Michell-Ossberger) Türbinleri
Banki türbin tipini Macar asıllı Banki ile İngiliz asıllı Michell bulmuştur. Genel olarak Banki (Michell-Ossberg) su türbini olarak adlandırılır. Avrupa bu türbinlerden binlerce imal edilmiştir. Küçük ve orta güçlü su kuvvetlerinde rahatlıkla kullanılır. Yapısı çok basittir.
20 lt/s ila
9 m3/s debiler için
1 m ila
200 m düşülerde
1000 kW güce kadar çıkabilirler.
Verimleri genel olarak
%80 civarıdır. Dönme sayıları ise
50 ila
200 d/dak arasında değişir.
Su türbini ise, gövde, tambur tipi dönel çark ve yönelticiden oluşur (Şekil 2.11). Banki-Michell Ossberger türbininin en büyük özelliği suyun dönel çarktan iki kez girip çıkmasıdır (Şekil 2.12).
Alçak düşü ve küçük güç ünitelerinde kullanılacak olan türbinlerin, merkezi sistemden bağımsız yerel kuruluşlarca işletilmesi nedeniyle bakım ve onarımlarının kolaylıkla yapılabilir olması çok önem taşımaktadır. Ayrıca, tesis aksamının da piyasadan kolay temin edilebilen parçalardan oluşması gereklidir. Bu açıdan banki türbinleri bu çalışma bölgelerinde çok avantajlıdır. Konstrüksiyonları diğer bütün türbin tiplerine göre son derece basittir. Bu nedenle türbin, ucuz olarak küçük atölyelerde kısıtlı olanaklarla imal edilebilir. Yatay ve dikey olarak kullanılabilmektedirler.
Giriş ağzı kaynak tasarımı, beton veya çok düşük debilerde tahtadan imal edilebilir. Döküm veya özel malzemeye gerek yoktur. Burada en önemli husus, giriş ağzının iyi bir yönlendirici olarak yapılmasıdır. Bunun için giriş ağzının her iki yan cidarı çark çevresel hızıyla 16 derece açı yapacak şekilde tasarımlanır. Ayar mekanizması olarak bir kolla kumanda edilebilen klape, kanat veya sürgü kullanılır. Bu türbinlerinde giriş ağzı içerisine yerleştirilmiş uygun kesitli bir ayar kanadı yardımıyla debinin tamamen de kesilmesi sağlanır. Böylece, ayrıca bir giriş vanasına da gerek kalmaz. Ekonomik ve emniyetli bir otomatik kontrol küçük tesislerde türbin tipinden ayrı, başlı başına bir sorundur. Debinin otomatik kontrolü pahalı bir çözüm olduğu için küçük santrallerde gittikçe daha az kullanılmaktadır. Çark, kaynak konstrüksiyonu olarak yapılmaktadır. Çark içerisinden boydan boya mil geçirilebildiği gibi milli flanşlara da çarkı bağlamak mümkündür. Kanatlar, diğer türbin tiplerinde olduğu gibi dönük değil, silindirik borulardan kesilerek veya presle şekillendirilerek yapılır.
2.8.3. Reaksiyon Tipi Türbinler (Aksi Tesir Türbinleri)
Reaksiyon türbinleri aynı düşü ve debi değerinde aksiyon türbinlerinden daha hızlı döner. Burada kullanılan türbinler Francis, Uskur ya da Kaplan türbinleridir. Yapımları aksiyon türbinlerine göre daha zordur, Bu nedenle mikro hidrolik sistemlerde daha az kullanılmaktadır. Ayrıca bu türbinlerde kavitasyon tehlikesi de vardır. Değişken debilerde de düşük verim verirler. Net düşü ve özgül hız bakımından oldukça geniş kullanım alanı olan reaksiyon tipi su türbinleri suyun hem kinetik hem de potansiyel enerjisinden yararlanırlar. Bu nedenle, çarka girişteki basınç çıkıştaki basınçtan çok daha büyük olur. Bu yüzden, suyun kapalı kanallar içinden akma zorunluluğu vardır.
Reaksiyon Türbinleri grubunda;
- Francis Türbini,
- Kaplan (Uskur Tipi) Türbinidir.
2.8.3.1. Francis Türbinleri
Bu türbin tipini ilk kez 19. yüzyılda Amerikalı Howd ile Francis geliştirdiklerinden Francis adı verilmiştir. Francis türbinine su, yöneltici çarktan dönel çarka dıştan girip, çark kanatları boyunca aşağıya doğru giderek çarkı terk eder. Türbin tipi karşı basınçlıdır (Reaksiyon tipi).
Francis tipi türbinleri 600 m düşüye kadar çalışırlar. Ve 500 MWa kadar güç elde edilebilmektedir. Bu türbin tipinin Pelton türbinine göre avantajı, daha küçük boyutlarda imal edilerek, daha yüksek dönme sayılarında çalıştırmak mümkündür. Bu suretle imalattan dolayı bir hayli ekonomi sağlanır. Yurdumuzda Devlet Su İşlerinin denetiminde bulunan su türbini tesislerin büyük çoğunluğunda Francis tipi türbin kullanılmaktadır. Küçük güçlerde örnek olarak 200 kWa kadar olan güçlerde ve 5 m düşüden daha az yerlerde kamara tipi denilen ve düşey eksenli Francis türbini kullanılır.
Bazen yatay eksenli olarak ta kullanılmaktadır. Bu türbin; ayarlanabilir yöneltici kanatlar, dönel çark ve emme borusundan meydana gelir. Yapısı basit ve kullanışlıdır.
Francis Türbinlerinde Temel Organlar
Akış yönü dikkate alınarak türbini teşkil eden çeşitli organlar aşağıdaki şekilde sıralanabilir:
Santrale giriş vanası, Salyangoz, Ön dağıtıcılar, Dağıtıcı kanatları, Emniyet Bileycikleri, Türbin gövdesi, Çark Yayıcı, Boşaltma Kanalıdır.
Francis Türbininde SALYANGOZ :
Reaksiyon türbinlerinde suyun cebrî borudan dağıtıcı kanatlarına geçişini sağlayan, geometrik form itibarı ile, logaritmik spirali andıran organa, su makinalarında
Salyangoz ismi verilmektedir. Türbinin diğer organları salyangozun içine yerleşeceklerinden, bir türbinin en büyük boyutları salyangoza aittir.
Reaksiyon türbinlerinde salyangozun vazifesi, eşit basınç ve debi oranı ve hız şartları altında beslenebilmesini temin etmektedir. Türbinler için salyangozların model tecrübelerinin vereceği sonuçlara göre düzeltilmeleri gerekmektedir.
Net düşünün takriben 4 ile 5 metrenin üstünde olduğu bütün reaksiyon türbinlerinde Salyangoz kullanılmaktadır. Pelton türbinlerinde salyangozun vazifesini püskürtücü görür. Net düşünün 4 veya 5 metreden ufak olması halinde, Reaksiyon Türbinlerinde açık su odası kullanılır.
Döküm salyangozlar, yüksek düşülü Francis türbinlerinde kullanılırlar. Bu tip türbinlerde salyangoz içindeki hız düşü ile ilgili olarak,
C = k ve
k = 0.2 ile
0.3 derecelerinde seçilebilir. Ancak
saniyede 10 veya 12 m. gibi değerlerin üzerindeki hızların çok aşırı yük kayıplarına yol açacağı unutulmamalı ve daha fazla hız değerlerinden kaçınılmalıdır. Salyangoz içindeki hızın büyük olması halinde, aşırı yük kayıplarının doğması, buna mukabil salyangoz hızının sınırlanması sonucu olarak salyangoz boyutlarının aşırı derecede büyük olması, o türbinin tek bir ünite halinde imalinden vazgeçilmesine bir sebep teşkil edebilir.
Beton salyangozlar için, salyangoz içindeki hız değeri
2 ile 3 m/s seviyesinde tutulmalıdır. Beton salyangozlar için
C < 0.14 bağlantısı konstrüktörler tarafından tavsiye edilmektedir.
Beton salyangozların çalışma düşüleri takriben 40-50 m. dır. Daha yüksek düşülerde betonun içinin saç ile kaplanması düşünülebilir. Saç salyangoz,
200 metrenin altındaki düşülerde konstrüksiyon tipi kaynak olabilir. Daha yüksek düşülerde kaynak yerine perçin kullanılmaktadır.
Beton salyangozların çalışma düşüleri takriben 40-50 m. dır. Daha yüksek düşülerde betonun içinin saç ile kaplanması düşünülebilir. Saç salyangoz,
200 metrenin altındaki düşülerde konstrüksiyon tipi kaynak olabilir. Daha yüksek düşülerde kaynak yerine perçin kullanılmaktadır.
Francis Türbininde DAĞITICILAR:
Ön dağıtıcı kanatları sabit oldukları için, yalnız suyun yönetilmesine yararlar. Buna ilâveten, salyangoz tavanı ile alt kısmı arasında mesnet vazifesi görerek, türbinin bu bölgesinin daha dayanıklı olmasını sağlar.
Dağıtıcı kanatların montaj ve demontaj basit ve yük kaybı değerleri minimum olmalıdır. Kapalı su odalı türbinlerde muylular iki biley vasıtasıyla, kumanda çemberine bağlanmışlardır. Bütün tertiplerde kanatların arasına sıkışan bir taş parçasının sistemi atalete uğratmasını önleyecek emniyet tertibinin bulunması şarttır [
Bileycik ]. Herhangi bir sebeple dağıtıcı kanatları zorlandığı takdirde, zora maruz kalan
bileycik bir sigorta kesitinden kırılır. Kırılan organ türbin dışında olduğundan, değiştirilmesi kolay ve dağıtıcı kanadına nispetle ucuzdur.
2.8.3.2. Kaplan Türbinleri (Uskur Tipi)
1913 yılında Prof. Viktor Kaplan tarafından patenti alınan bu türbin tipi eksenel olarak dönmekte etki türbinleri sınıfına girmektedir. Yani suyun girişi ile çıkışı arasında basınç farkı vardır. Bu çarkların özgül hızları büyük olup, yüksek debilerde ve buna karşılık düşük düşülerde çalışırlar. Bu tip türbinlerin verimli olabildiği ortalama düşü değerleri 80 mnin altındadır. Kaplan türbinleri ya salyangoz gövdeli veya boru tipi olarak imal edilirler. Bugüne kadar imal edilen en büyük kaplan türbininde elde edilen güç 100 MW olup dönel çark çapı 10 metrenin üstündedir. Kaplan tipi türbinler klasik nehir türbinleri olarak ta ifade edilirler. Propeller(Uskur), Bulb, Tube(Boru), Straflo diye adlandırılan türbinlerde kaplan türbininin varyasyonlarıdır.
Kaplan türbininin, gemi pervanesine benzeyen, ama onun tersi biçimde çalışan bir çarkı vardır(Resim2.20). Bir motorun çevirdiği gemi pervanesi gemiyi ileriye doğru hareket ettirmek için suyu geriye iter; Kaplan türbininin çarkı çevresinden geçen suyun etkisiyle döner. Tıpkı döner bahçe sulayıcılarında, borudan yüksek basınçla gelen suyun, sulayıcının kavisli kollarına düşük hızla girip, düşük atmosfer basıncıyla karşılaştığında ivmelenerek dışarı çıkması sonucu oluşan tepki kuvvetinin sulayıcıyı döndürmesi gibi. Bu türbinlerde su giriş ve çıkışı aynı eksendedir. Çevre boyunca yerleştirilmiş yönlendirici kanatlardan geçen su türbin çarkına gönderilir.
3 m ila 8 m dönel çark çapına kadar kanatlar ayarlanabilir olarak imal edilirler. Kanat sayıları değişken olabilir. Buradaki ayar, hidrolik servo motorlarla sağlanır. Özel durumlarda kanatların ayarlı olmasından vazgeçilebilir. Bu durumda türbinin adı Uskur tipi olmaktadır(Resim2.21). Genelde kaplan türbinlerin bu tipleri kullanılmaktadır.
20 metre düşüye kadar beton salyangoz gövdeli imal edilirler. Daha büyük düşülerde ise salyangoz gövde saçtan imal edilmelidir. Bunun en büyük sebebi oluşan basınca karşı koyabilmesi içindir. Kaplan türbinleri Francis türbinlerine nazaran daha hızlı dönerler. Bu büyük avantaj nedeniyle Jeneratöre arada kayış kasnak veya dişli olmadan da direkt, bağlanabilir, Francis türbinleri orta düşüşler için Kaplan türbinleri ise alçak düşüler için daha ekonomiktir. Yapımları aksiyon türbinlerine göre daha zordur, Bu nedenle mikro hidrolik sistemlerde daha az kullanılmaktadır. Ayrıca bu türbinlerde kavitasyon tehlikesi de vardır. Değişken debilerde de düşük verim verirler. Düşen suyun miktarında veya düşüş yüksekliğinde veya yük talebinde kayda değer değişiklikler yer aldığı takdirde, uskur geometrisine sahip türbinlerin verimi %75in altına düşüyor. Debi fazlalığına karşı önlem nispeten kolay ve genellikle, ya giriş vanalarının yük talebini izleyen otomatik kontrolüyle sağlanıyor, ya da fazla su, yakın konumda inşa edilmiş olan baca şeklindeki bir depoya (penstok) saptırılıyor. Gerektiğinde bu baca suyu, yüksüz başlatma için kullanılabiliyor. Düşüş yüksekliğindeki mevsimsel değişmelerin veya yük talebindeki oynamaların yol açtığı verim düşüklüğü sorunlarını aşmak için ise, Kaplan türbininde, rotor kanatlarının açıları ayarlanabilir kılınmış (Şekil 2.11). Bu, yağ basıncıyla çalışan ve genellikle rotor gövdesi içine yerleştirilmiş bulunan bir servo motor aracılığıyla başarılıyor. Yağ, türbin ve alternatör şaftı üzerindeki yarıklardan geçen borularla iletiliyor. O anki su akışına göre en uygun kanat açısı ayarı, keza bir pilot servo motor tarafından yapılıyor. Bu nitelikleriyle, suyun düşme yüksekliğindeki mevsimsel oynamalar sorun olmaktan çıkıyor.
Kaplan türbinleri genellikle salyangoz gövde biçiminde ve dikey olarak kullanılırlar. Yatay olması gereken durumlarda ise farklı bir uygulaması olan boru tipi türbinler kullanılmaktadır. Bu tip türbinler kaplan tipine nazaran daha düşük düşülerde tercih edilirler. Nehirlerde uygulamaları oldukça fazladır.
2.9. Türbin Seçim Kriterleri
Hidroelektrik sistemlerde kullanılan türbin tipleri yüksek, orta ve alçak düşü makineleri olarak sınıflandırılır. (Şekil 2.14)'de 50kW-2000MW güç bölgesi için, (Şekil 2.15)'de ise 10kW-10MW güç bölgesi için farklı düşü ve debi bölgelerinde hidroelektrik santrallerde kullanılan türbinler gösterilmiştir. Aşağıdaki grafiklerden türbin seçimi yapabilmek için öncelikle kuracağımız hidroelektrik güç tesisinin debi ve düşü değerlerinin bulunması gerekir. Ardından bu değerlerin kesiştiği noktayla türbinden elde edilecek güç miktarını gösteren doğrunun kesiştiği veya yaklaşık olarak kesiştiği nokta hangi türbin bölgesinde kalıyorsa, kuracağımız hidroelektrik güç tesisimizde o türbinin kullanılması verimlilik ve işletme şartlarının iyileştirilmesi bakımından en uygun seçimdir.
Bununla beraber türbin tipleri için yukarıda belirtilen düşü sınırları sadece bir ön fikir vermek içindir. Herhangi bir tesiste kullanılacak türbin tipi hakkında hemen bir şey söylenemez. Gerçekte Heslerde kullanılacak türbin tipi özgül dönme sayısı ile belirlenir. Bir türbinin özgül hızı, o türbine benzer olan ve aynı cins akışkanla 1 m net düşü altında çalışıp en iyi verimle milinden 1 BG güç veren türbinin dakikadaki devir sayısı olarak tanımlanır. Tablo 3'de özgül hıza bağlı olarak türbin tipleri görülmektedir. Özgül hız bağıntısı şu şekilde verilmektedir;
Türbin tipi seçiminde türbin veya jeneratörün hızı da önemlidir. Türbin tarafından döndürülen jeneratörler, tipik bir türbinin optimum hızından daha yüksek bir devirde dönerler. Bu bağlantı kayış kasnak, dişli mekanizması veya bir kavrama yardımıyla sağlanır. Burada hız oranının minimum olması tercih edilir. Bu durumda bağlantı daha kolay ve maliyet daha düşüktür. Kural olarak 3:1 oranından kaçınmak gerekir en azından 2.5:1 oranı veya altı tercih edilmelidir. Şayet 1500 d/d ile dönen bir jeneratör varsa seçilecek türbinin hızı en az 500 d/d veya üzeri olmalıdır. Türbin hızının jeneratör hızında olması durumunda jeneratör direkt olarak türbin miline bir kavrama ile bağlanır. Üreticiler bunu tavsiye ederler. Genellikle, mikro türbin yerleştirmelerinde üniteleri ayrı olarak satın almak daha ucuzdur ve daha sonra bağlantı sistemiyle onlar yerlerine monte edilirler.
