Su türbini

Kaplan türbini ve elektrik jeneratörünün kesit görünümü.

Küçük bir su türbin çarkı

Su türbini, suyun kinetik enerjisini ve potansiyel enerjisini mekanik iş'e dönüştüren döner bir makinedir.

Su türbinleri 19. yüzyılda geliştirilmiş olup elektrik şebekelerinden önce endüstriyel enerji için yaygın olarak kullanılmıştır. Artık çoğunlukla elektrik enerjisi üretiminde kullanılırlar.

Su türbinleri çoğunlukla barajlarda suyun potansiyel enerjisinden elektrik enerjisi üretmek için bulunur.

Çalışma Prensibi

Akan su, türbin çarkının kanatlarına yönlendirilerek kanatlar üzerinde bir tork oluşturur. Bu tork türbinin milini döndürür. Böylece, suyun enerjisi türbine aktarılır.

Su türbinleri, reaksiyon ve itki türbinleri olarak iki gruba ayrılır.

Su türbin kanatlarının şekli, suyun besleme basıncına ve seçilen çark tipine göre tasarlanır.

Reaksiyon Türbinleri

Reaksiyon türbinleri, türbinden geçerken basıncı değişen ve enerjisini veren suyun etkisi altındadır. Su basıncını muhafaza etmek için kapalı gövdeli olmaları veya suyun akışına tam batırılmış olmaları gerekir.

Newton'un üçüncü yasası, reaksiyon türbinleri için enerji transferini açıklar.

Kullanımdaki su türbinlerinin çoğu reaksiyon türbinidir ve düşük (<) ve orta (-300 m) düşüş uygulamalarında kullanılırlar.

Reaksiyon türbininde, basınç düşüşü hem sabit hem de hareketli kanatlarda oluşur. Barajlarda ve büyük enerji santrallerinde yaygın olarak kullanılır.

İtki (İmpuls) Türbinleri

İtki türbinleri, su jetinin hızını değiştirir. Jet, türbinin kavisli kanatlarına itme kuvveti uygulayarak akışın yönünü değiştirir. Ortaya çıkan momentum değişimi (itki), türbin kanatlarına kuvvet uygular. Türbin döndüğü için, kuvvet bir mesafeden türbin miline etki eder ve yönü değiştirilen su akışının enerjisi düşer.

İtki türbini, rotor kanatları üzerinden akan sıvının basıncının sabit olduğu ve tüm iş çıktısının sıvının kinetik enerjisindeki değişimden kaynaklandığı bir türbindir.

Türbin kanatlarına çarpmadan önce suyun basıncı (potansiyel enerji), bir lüle tarafından kinetik enerjiye dönüştürülürek türbin kanatlarına odaklanır. Türbin kanatlarında basınç değişmez ve türbinin çalışması için muhafazaya ihtiyaç duyulmaz.

Newton'un ikinci yasası, itki türbinleri için enerji transferini açıklar.

İtki türbinleri genellikle çok yüksek (>300 m veya 1000 ft) düşüş yüksekliğine sahip uygulamalarda kullanılır.

Güç

Bir akarsuyun mevcut gücü şu formille hesaplanabilir;

$P=\eta \cdot \rho \cdot g\cdot h\cdot {\dot {q}}$

burada:

• $P=$ güç (J/s veya watt)
• $\eta =$ türbin verimliliği
• $\rho =$ akışkanın yoğunluğu (kg/m³)
• $g=$ yerçekimi ivmesi (9,81 m/s²)
• $h=$ yükseklik farkı (m). Durgun su için bu, giriş ve çıkış yüzeyleri arasındaki yükseklik farkıdır. Hareketli suyun, akışın kinetik enerjisini hesaba katmak için ek bileşeni vardır. Toplam yükseklik, basınç yüksekliği artı hız yüksekliğine eşittir.

• ${\dot {q}}$= debi (m³/s)

Verimlilik

Büyük modern su türbinleri %90'ın üzerinde mekanik verimlilik ile çalışır.

Su türbinlerinin çeşitleri

Çeşitli su türbin çark tipleri. Soldan sağa: Pelton çarkı, iki tip Francis türbini ve Kaplan türbini.

Raccoon Dağı Pompalı Depolama Tesisi'nde sergilenen, hizmet dışı bırakılmış bir Francis türbininin çarkı.

Reaksiyon türbinleri

• Kaplan türbini
• Francis türbini
• Tyson türbini
• Deriaz türbini
• Gorlov helisel türbini

İtki (İmpuls) türbini

• Su çarkı
• Pelton çarkı
• Turgo türbini
• Çapraz akışlı türbin (Bánki-Michell türbini veya Ossberger türbini de denir)
• Jonval türbini
• Ters üstten su çarkı
• Burgu türbini
• Barkh türbini

Tasarım ve uygulama

Türbin seçimi, mevcut debiden ziyade mevcut su yüksekliğine bağlıdır. Genel olarak, yüksek su yüksekliğine sahip yerlerde impuls türbinler, az su yüksekliğini olan yerlerde ise reaksiyon türbinleri kullanılır.

Ayarlanabilir kanat açılı Kaplan türbinleri, geniş bir debi veya su yüksekliği aralığında en yüksek verimliliklerine ulaşılabildiği için, büyük debi veya su yükseklik koşullarına iyi uyum sağlarlar.

Çoğunlukla 10 MW'ın altındaki küçük türbinler ve hatta 100 MW'a kadar olan oldukça büyük ampul tipi türbinler bile yatay olabilir. Çok büyük Francis türbini ve Kaplan makineleri genellikle dikey millidir çünkü dikey mil mevcut düşüş yüksekliğinden en iyi şekilde yararlanmayı sağlar ve jeneratör kurulumunu daha ekonomik yapar.

Pelton çarkları, makinenin boyutu mevcut düşüş yüksekliğinden çok daha küçük olduğu için dikey veya yatay şaftlı makineler olabilir. Bazı impuls türbinleri, mil itişini dengelemek için çark başına birden fazla jet kullanır. Bu aynı zamanda daha küçük bir türbin çarkının kullanılmasına olanak tanır. Böylece maliyetleri ve mekanik kayıpları azaltabilir.

Tipik su yükseklik aralıkları

tip	su yüksekliği (m)
Su çarkı	0,2 metreden 4 metreye kadar
Burgu türbini	1 metreden 10 metreye kadar
VLH türbini	1,5 metreden 4,5 metreye kadar
Kaplan türbinini	2 metreden 70 metreye kadar
Francis türbini	10 metreden 300 metreye kadar
Turgo türbini	50 metreden 250 metreye kadar
Pelton çarkı	80 metreden 1600 metreye kadar

Özgül hız

Bir türbinin özgül hızı $n_{s}$, türbinin şeklini, boyutuyla ilişkili olmayan bir şekilde niteler. Bu, bilinen performanslı mevcut bir tasarımdan yeni türbin tasarımının ölçeklendirilmesine olanak tanır.

Özgül hız aynı zamanda belirli bir hidroelektrik santrali için doğru türbin tipinin eşleştirilmesinde de ana kriterdir.

Özgül hız, belirli bir debi Q için, birim düşüşle ve dolayısıyla birim güç üretebilme yeteneğiyle türbinin dönme hızıdır.

Benzerlik Yasaları

Benzerlik yasaları, bir türbinin çıktısının model testlerine dayanarak tahmin edilmesini sağlar. Önerilen bir tasarımın yaklaşık 0,3 m çapında minyatür bir kopyası denenbilir ve laboratuvar ölçümleri yüksek güvenle nihai uygulamaya uygulanabilir. Benzerlik yasaları, test modeli ile uygulama arasında benzerlik gerektirilerek elde edilir.

Türbinden geçen debi, ya büyük bir vana ya da türbin çarkının dışına yerleştirilmiş kanatlı kapılar tarafından kumanda edilir. Farklı kapı açıklığı değerleri için diferansiyel düşüş ve akış grafiği çizilebilir ve böylece türbinin değişen koşullardaki verimliliğini göstermek için kullanılan bir tepe diyagramı çizilir.

Kaçış Hızı

Bir su türbininin kaçış hızı, tam akışta ve mil yükü olmadığında sahip olduğu hızdır. Türbin, bu hızın mekanik kuvvetlerine dayanacak şekilde tasarlanır. Üretici kaçış hızı değerini sağlar.

Kumanda sistemleri

Su türbininin hızlarını kontrol etmek için bir uçantop regülatörünün çalıştırılması

18. yüzyılın ortalarından beri su türbinlerinin hızlarını kontrol etmek için farklı regülatör tasarımları kullanılmıştır. Su türbini hız kontrolünün ilk 100 yılında çeşitli topbaşlıklı sistemler veya birinci nesil regülatörler kullanılmıştır. İlk topbaşlıklı sistemlerde, yay ile dengelenen topbaşlıklı bileşen, türbine giren su miktarını kontrol etmek için doğrudan türbin vanasına veya kanatlı kapıya etki ediyordu.

Mekanik regülatörlü yeni sistemler 1880 civarında ortaya çıkmaya başladı. İlk mekanik regülatör, türbinin hızını kullanarak volanı ve türbinin gücünü kullanarak kontrol mekanizmasını çalıştıran bir dizi dişliden oluşan bir servomekanizma idi. Mekanik regülatörler, dişlilerin kullanımı ve dinamik davranış yoluyla güç yükseltme açısından geliştirilmeye devam etti. 1930'a gelindiğinde, mekanik regülatörlerin hassas kumandalar için geri besleme sisteminde ayarlanabilen birçok parametresi vardı. Yirminci yüzyılın sonlarında, elektronik regülatörler ve dijital sistemler mekanik regülatörlerin yerini almaya başladı. İkinci nesil regülatörler olarak da bilinen elektronik regülatörlerde, volanın yerini dönüş hız sensörü aldı, ancak kumandalar hala analog sistemler aracılığıyla yapılıyordu. Üçüncü nesil regülatörler olarak da bilinen modern sistemlerde, kumandalar regülatörün bilgisayarına programlanmış algoritmalar tarafından dijital olarak gerçekleştirilir.

Kanatlı kapı

Francis türbini'ni çevreleyen sarı renkli küçük kanatlar. Bu kapıların açısının değiştirilmesi su akışını kontrol ederek türbin hızını ve ürettiği enerjiyi düzenler.

Kanatlı kapı veya kılavuz kanat, su türbinini çevreleyen ve içine giren su debisini kontrol eden bir dizi kapı (veya kanat) halkasıdır; aralarındaki açıklığın değiştirilmesi, türbinin dönüş hızını ve dolayısıyla üretilen elektrik miktarını ayarlar.

Ayrıca bakınız

• Arşimet'in vidası
• Karbon vergisi
• Hidroelektrik