1. Giriş

 

Pompa-türbin günlük depolama çevriminin sağlanmasında kullanılır. Bunun anlamı, gece kullanılamayan enerji sayesinde su daha yüksek bir yere pompalanarak depolanır ve gündüz saatlerinde enerji üretiminde kullanılır. Bu özgün teknoloji sayesinde enerji daha faydalı bir biçimde kullanılır ve bu dengeleyici sistem ile enerji kullanım kapasitesi artırılabilir. Bundan dolayı, enerji üretimi ve kullanım talebi arasındaki düzensizlikler Pompaj Depolamalı HES’ler ile dengelenebilir. Yaklaşık % 80 döngü verimiyle büyük miktarlardaki enerji bu sistemle depolanabilir. Bu teknoloji ile sistemden enerji hızlı bir şekilde alınabildiği gibi hızlı bir şekilde de sisteme geri kazandırılabilir. 

 

Bunlara ek olarak Pompaj Depolamalı HES’ler yüksek kapasiteli rüzgar türbinlerine enerji seviyesini garanti etmek için tamamlayıcı olarak da kullanılır[1].

 

Pompaj Depolamalı HES’ler hidrolik ekipmanlarının dizilimine göre şöyle sınıflandırılabilir[2]:

 

a) Dört-makinalı dizilim

Bu dizilimde pompa ve türbin birbirinden bağımsız şekilde kurulur ve sistemde pompa, türbin, motor ve jeneratör olmak üzere 4 makina bulunur.

 

b) Üç-makinalı dizilim

Üç-makinalı dizilimde ayrı olan pompa ve türbin uzun bir mil ile bir jeneratör-motora bağlanır. Bu nedenle her makina farklı bir hidrolik ekipmana sahipken aynı jeneratör-motoru kullanır. Sistem türbin modunda çalışırken motor-üreteç düzeneği elektrik üretir. Aynı şekilde pompa modunda da motor olarak çalışır.

 

c) İki-makinalı dizilim

Bu dizilimde bir jeneratör-motor ve tersine kullanılabilir hidrolik makine bulunur. Bu tersine kullanılabilir hidrolik makineye pompa-türbin denilmektedir. Pompa-türbin aynı hidrolik ekip-manla hem türbin hem de pompa olarak çalışabilir.

 

Pompaj Depolamalı HES’lerin sınıflarına göre avantaj ve dezavantajları Tablo 1’deki gibi sıralanabilir[1]:

 

2. Metod – Pompa-Türbin Tasarımı

Yenilenebilir bir enerji kaynağı olarak hidroenerji Türkiye’nin büyük bir bölümünde uygulanabilir. Hidroenerjiden enerji üretmek için bir su türbini kullanılır. Gün içerisinde kullanılan elektrik talebi değişkenlik gösterdiği için bazı gelişmiş ülkelerde, pompa-türbinler sanayi tarafından gece kullanılmayan enerjiyi alt rezervuardan üst rezervuara suyu pompalayarak depolar. Gündüz saatlerinde talebin en çok olduğu zaman ek bir enerji takviyesi olarak kullanırlar. Bu araştırmada pompa-turbin sisteminin Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) metodları kullanımı ile tasarımı parametrik bir metodoloji olarak araştırılmıştır.

 

Bu bildirinin amacı, Francis çarkının tasarımının yapıldığı metod kullanılarak pompa-türbin çarkı tasarlanmasıdır. Literatürde francis çarklarının ve pompaların pompa-türbin olarak kullanılması hakkında bildiriler bulunmaktadır[4-7]. Bu amaçla Francis çarkının tasarım metodları kullanılmıştır. Pompa-türbin çarkı içerisindeki akışın pompa ve türbin modunda nasıl davrandığı anlaşılmaya çalışılmıştır. Çarkın pompa girişi pompa modundaki giriş açılarına göre ayarlanmış ve gereken düşü elde edilmeye çalışılmıştır. Bu bildiride, analizler pompa-türbin çarkına bitişik başka bir parça olmaksızın uygulanmıştır. Gelecekte ayar kanatları ve emme borusu birlikte çözülerek parçalar arasındaki etkileşimlerde incelenerek pompa-türbin içerisindeki akış daha iyi anlaşılabilecektir. Böylelikle bitişik parçalarla beraber yapılan analizlerle pompa-türbin çarkının performansları daha iyi incelenebilecektir.

 

Pompa-türbin tasarımında yüksek özgül hız seçimi en küçük boyutlar ile iyi bir hidrolik performans elde edebilmeyi sağlar. Fakat, özgül hızdaki artış türbinin batık çalışma seviyesinde de artış olmasına sebeb olmaktadır. Bu nedenle batık çalışma miktarı özgül hızı sınırlandırabilmektedir[8]. Bu proses ile birlikte pompa-türbin çarkının boyutlandırılması için gerekli özgül hız hesaplaması şöyledir:

 

 

 

 

Burada: ns özgül hız [rpm]

nsync senkronize devir sayısı [rpm]

Pd=Pd [ kW ] / 0.7355 = 500 kW / 0.7355 = 679.8 hp, tasarım gücü [hp]

Hd= tasarım düşüsüdür (türbin için salyangoz girişinde 28.15 m seçilmiştir). [m]

 

Özgül hıza bağlı genel türbin tipleri Tablo 2’deki gibi verilebilir.

Pompa-türbin tasarımında pompa modundaki düşüsü (HP) türbin düşüsü (HT) ile her iki moddaki verimine (h) bağlıdır (Denklem 2) [2]. Bu nedenle pompa-türbinin düşü seviyesi düzgün seçilmelidir. Pompa düşüsü belirlendikten sonra tasarım gereklilikleri dikkate alnarak tasarım yapılır. Tasarım tamamlandıktan sonra türbin ve pompa modunda farklı debi ve farklı dönüş yönleri kullanılarak pompa-türbinin bütün çalışma durumlarındaki performans sonuçları çizilir(suter eğrisi). Ayrıca basınç ve vakum yüzeylerindeki basınç dağılımları fazla ve az  debiler için araştırılır. Kavitasyon olup olmadığı gözlemlenir.                        

 

                                                                                                           

 

 

 

Özgül hız belirlendikten sonra debi ve düşü için turbomakina teorisi ve deneyim eğrileri kullanılarak türbin genel olarak boyutlandırılır. Seçilen özgül hıza göre çarkın meridyonel şekli belirlenir. Daha sonra belirlenen meridyonel şekil ile seçilen devir sayısına göre türbin düşüsü ve debisi göz önüne alınarak çark kanatlarının açıları belirlenir. Yapılan Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği sonuçlarına göre çark açıları ve meridyonel şekil birlikte düzeltilerek tasarımı iyileştirilir. Böylece pompa-türbin tasarımı Tablo 3’te bulunan değerlere göre yapılmıştır.

 

Daha önce Francis türbin tasarımı için kurulmuş olan metodoloji pompa-türbin tasarımı için uyarlanmıştır[10]. Francis türbininde olduğu gibi, pompa-turbinin türbin modunda belirlenen debi ve düşü için oluşturulan çarkın meridyonel şekli ile devir sayısına göre açılar hesaplanarak tasarımı yapılmıştır. Daha sonra pompa modundaki sonuçlar incelenerek gerekli değişiklikler yapılıp tekrar türbin modunda düzenlemeler yapılmıştır. Bu düzenlemeler pompa ve türbin modunda gereken kriterler sağlanana kadar devam etmiştir. Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği metodları ile belirlenen geometrilere göre parçalar oluşturularak sonlu elemanlar analizleri ile yapısal olarak kontrol edilir. Böylece Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği metodları ve sonlu elemanlar analizinin beraber kullanıl-masıyla pompa-türbin parçaları oluşturulur. Pompa-türbinin tasarım metodolojisi aşağıda Şekil 2’de verilmiştir.

 

Upwind  metodu gerçeğe çok yakın bir sonuç vermese de diğer çözümler için başlangıç durumunu belirlemek için kullanılır[11]. Bundan dolayı teorik bilgi ve deneyim eğrileri ile oluşturulan ilk modeller için upwind metodu kullanılarak büyük aralıklar hızlı birşekilde incelenip fikir sahibi olunabilir. Tasarım kriterlerine yakın aralıkları bulmak ve çözüm zamanını azaltmak için akış daha büyük boyutlu sonlu elemanlara bölünerek upwind metoduyla çözülür. ‘High Resolution’ metodu türbülans analizlerinde gerçeğe daha yakın sonuçlar verir[11]. Bundan dolayı kaba mesh ve upwind metoduyla aralıklar incelendikten sonra ince mesh ve ‘High resolution’ metoduyla çözülerek akışın davranışları daha iyi anlaşılır. Ayrıca analizlerde çözüm zamanını azaltmak için önce kaba mesh upwind metoduyla çözülüp sonra ince mesh ve ‘High resolution’ çözümlerine başlangıç durumu olarak verilebilir.

 

Pompa modu analizlerde ilk başlarda oluşan negatif basınçlar kanat açıları düzeltilerek ortadan kaldırılmıştır. Bunu yaparken tasarım gereksinimlerini elde etmek için her iki mod göz önüne alınarak eş zamanlı şekilde açılar düzenlenmiştir. 

 

Parametrik tasarım metodolojisinin pompa-türbin sistem tasarı-mında uygulanabilir olduğu görülmüştür. Ayrıca farklı tasarım alternatifleri bu sayede daha hızlı ve kolay olarak hem Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği hemde sonlu elemanlar analizi için uygu-lanabilir. Ancak bu bildiride yapısal konular ele alınmamıştır. 

 

3. Sonuçlar ve Tartışmalar

Kanatların açısı düzenlenmeden önce akış kanadı takip etmiyor ve meridyonel olarak basınç konturlarında kopukluklar oluyordu. Hatta bazı noktalarda bu akış kopmalarından dolayı basınçta büyük değişiklikler oluyordu. Meridyonel konturlardan da görüldüğü üzere tasarım sonunda pompa ve türbin modunun en iyi verim noktalarında düzgün bir basınç değişimi gözlemlenmiştir. Bu çarkın içerisinde akışının düzgün olduğunu göstermektedir (Şekil 3, Şekil 4). Ayrıca pompa-türbin çarkı içerisindeki akış tasarımla iyileştirildikten sonra türbin modunda difüzyonun düzgün sağlanmasıyla verim kaybı azaltılmıştır. Böylece her iki mod için de tasarım düzenlenmiştir.

 

Kanat açıları düzgün ayarlanmadığında girişte veya profilin bazı yerlerinde akışın kanat profilini takip etmediği gözlenmiştir. Daha sonra her iki modda da suyun girişlerde kopma olmadan girmesi ve kanat profilini suyun takip etmesini sağlamak için kanat açıları düzenlenmiştir. İlk analizlerdeki suyun akış açısı ve kanat profil açıları arasındaki hizasızllık analizlerin sonuçları dikkate alınarak giderilmiştir. Bu sayede suyun kanat profilinden kopmaları da giderilmiştir. Sonuçlarda elde edilen çark kanadının ortasındaki hız vektörleri Şekil 5’te verilmiştir. Ayrıca meridyonel olarak taç ve bileziğe yakın yerlerde de akış aşağıdaki şekle benzer hareket etmektedir.

 

Bu bildirideki tasarım gereksinimi olarak 9 kanatlı 500 kW gücünde bir pompa-türbin çark tasarımı seçilmiştir. Bunu sağlayacak şekilde tasarım yapılmış ve her iki mod için uygun tasarım düzenlenmiştir. Pompa ve türbin modundaki en verimli noktalardaki perfomas sonuçları elde edilmiştir. Ansys CFX ile elde edilen performans değerleri Tablo 4’te verilmiştir. Sonuçların elde edilmesinde çarkın bir kanadı etrafındaki akış yaklaşık sonlu elemana ayrılarak K-epsilon türbülans modeli ile çözülmüştür.

 

Türbin modunda çark tasarımı yapılıp sonra pompa modundaki sonuçlara göre tasarımda düzenlemeler yapılabilir. Aynı şekilde önce pompa modundan da başlanılabilir. Bu düzenlemeler her iki modun tasarım gereksinimlerini karşılayana kadar yapılır. Tasarımın uygunlugu basıncın düzgün bir şekilde değişmesinden ve suyun çarka girdikten sonra çıkana kadar düzgün bir yol izlemesinden anlaşılabilir (Şekil 6). Tasarımın ilk başlarında oluşan çarkın girişinden suyun geri dönmesi ve çıkışından suyun geri gelmesi de tasarım düzeltildikçe ortadan kalkmıştır. 

 

3. Sonuç

Pompa-türbin tasarımı için parametrik bir çalışma yapılabilir. Bu sayede pompa-türbin parçalarının tasarımı için gereken birçok değişik analizin hızlı bir şekilde yapılmasına olanak sağlamıştır. Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiğinin en son gelişmiş teknoloji tekniklerinin yardımıyla oluşturulan francis türbin çarkının tasarımı bu çalışmaya yönlendirici olmuştur[10,12]. Geliştirilen bu metodoloji Francis türbin çarkı göz önüne alınarak pompa-türbin çarkına uygulanmış ve düzgün bir şekilde uygulanabilir olduğu anlaşılmıştır. Bu metodoloji yardımıyla pompa-türbinin diğer parçalarının tasarım gereklerini sağlayacak şekilde tasarımı yapılabilir.

 

Kaynaklar

[1] Scherer, K., Andritz Vatech Hydro Giga-Watt Generation Panel Session, Hydro Generators, August 2008.

[2] Krivchenko, G.I., “Hydraulic Machines Turbines and Pumps”, Mir Publishers, Moscow, 28-30 (1986).

[3] http://content.answcdn.com/main/content/img/McGrawHill/Encyclopedia/images/CE557350FG0010.gif

[4] Tortosa, A. F, “Evaluation of Numerical Methods for Turbomachines Based on Experimental Data From a Francis Pump-Turbine in Pump Mode” ,Thesis of Universidad Pontificia Comillas, June 2008, Madrid, Spanish.

[5] S. Rawal and J.T. Kshirsagar, “Numerical simulation on a pump operating in a turbine mode” , Kirloskar Brothers India Limited, Proceedings of the twenty-third international pump users symposium (2007).

[6] A.A. Williams, “Pump as turbines for low cost micro hydro power”, Renewable Energy 9 (1–4) (1996), pp. 1227–1234.

[7] S. Derakhshan and A. Nourbakhsh, “Theoretical, numerical and experimental investigation of centrifugal pumps in reverse operation” , Experimental Thermal and Fluid Science 32 (2008), pp. 1620–1627.

[8] Sallaberger, M., Bachmann, P., Michaud, Ch., Sick, M., Dörfler, P., “Modern Hydraulic Design of Large Pump-Turbines” , International Journal on Hydropower & Dams, Issue 5, 2003. 

[9] Raabe, J. (1985). “Hydropower: The Design, Use, and Function of Hydromechanical, Hydraulic, and Electrical Equipment.” VDI-Verlag, Verlagdes Vereins Deutscher Ingenieure, Dusseldorf.

[10] Yıldız, M., Okyay,G., Çelebioglu, K., 2010, “Design of a Francis Turbine for a Small Hydro Power Project in Turkey”, Proceedings of the ASME 2010 10th Biennial Conference on Engineering Systems Design and Analysis Conference 2010, July 12-14, 2010, Istanbul, Turkey.

[11] Ansys CFX, User Manual.

[12] Okyay, G., Celebioglu, K., Aydin, I., Ger, M. (2009). “Design of a Francis Type Water Turbine Using Computational Fluid Dynamics Methods”, International Journal of Electrical Energy Systems, Special Issue 2009 (1)1, pp.71-75.