HİDROLİK AKIM MAKİNELERİ DERS NOTLARI 3. POMPA TİPLERİ VE YAPISAL AYRINTILARI Günlük hayatımızda ve sanayinin hemen her dalında sıklıkla kullanılan pompaların yüzlerle ifade edilen sayıda çeşitleri geliştirilmiş durumdadır. Bunları çalışma prensiplerine uygun olarak iki ana grupta toplayabiliriz. 3.1. Hacimsel(volümetrik) pompalar Tarihi en eski olan pompalardır. Bu pompalarda sıvının bir yere nakledilmesi ya sıvının bir şekilde taşınıma veya bir kap içerisinde yaratılan hacim değişimi sayesinde sıvının emilip basılmasına dayanır. Pistonlu, esnek diyaframlı, dişli, paletli, vidalı, loplu pompalar bu gruba girer. a) Pistonlu pompalar Şekil 3.1’de görüldüğü gibi pistonlu pompa aşağıdaki elemanlardan meydana gelmektedir. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Silindir şeklinde gövde Piston Piston kolu (biyel) Krank mili Emme supabı Basma supabı Sızdırmazlık segmanları Krank yatakları Şekil 3.1 Tipik bir pistonlu pompa Piston silindir içerisinde ÜÖN dan AÖN ya doğru ilerlerken üzerindeki hava basıncı düşer ve emme supabı açılır, silindir içerisine sıvı akımı başlar. Bu sırada yay etkisi altında basma supabı kapalıdır. Piston AÖN dan ÜÖN ya yükselirken sıvı basınç altına gireceğinden emme supabı kapanır basma supabı açılır. Böylece silindir içerisine alınmış olan sıvı, basma supabı üzerinden çıkış kanalına sevk edilmiş olur. Bu sistemlerde emme ve basma işleminin eş zamanlı olmayışı sıvı akımının kesintili olmasına neden olur. Bu olumsuzluğun önlenmesi için pistonlu pompalar 1 HİDROLİK AKIM MAKİNELERİ DERS NOTLARI çok kademeli olarak gerçekleştirilir. Bazı pistonlu pompalarda pistonun üst yüzü bazılarında ise her iki yüzü de kullanılır. Buna uygun olarak pistonlu pompaya tek etkili ve çift etkili pistonlu pompa adı verilir. b) Esnek diyaframlı pompalar Pistonun gel‐git hareketi yerine, elastik bir membranın elastikiyeti sayesinde hacim değişiminin sağlandığı pompalardır. Bu sistemde emme ve basma supapları kullanılır. Şekil 3.2a'da görüldüğü gibi AOBA esnek diyagramı yatay konumda iken kam milinin M0 noktasıyla üst üstedidir. Kam mili saat ibresinin tersi yönde dönerken, çubuk şekildeki konumda ÜÖN gelmiş olur ve V hacimli sıvıyı, basma supabı çıkış kanalına basmış olur. Çubuk MN0 üzerinden AÖN ya inerken V hacimli sıvı emme supabı üzerinden silindire alınır. Böylece NN0 kam eğrisi üzerinden yeni basma periyodu başlar. Böyle bir mekanizma yardımı ile kamın her 90o dönemsi sırasında bir kere V hacminde sıvı emilir ve bir kerede basılmış olur. Otomobillerde yakıt deposundan motora yakıt gönderen yakıt besleme pompaları kam mili tarafından çalıştırılan küçük diyaframlı bir pompadır. Şekil 3.2. Tipik bir pistonlu pompanın çalışma prensibi Örnek bir diyaframlı su pompası Şekil 3.2b'de verilmektedir. 2 HİDROLİK AKIM MAKİNELERİ DERS NOTLARI Şekil 3.2. Diyaframlı su pompası c. Körüklü pompalar Şekil 3.3 de görüldüğü gibi, kesik koni biçiminde ve içerisi boş elastik bir gövdenin, pistonlu pompa gibi, emme supabı üzerinden alınan sıvı basma supabı üzerinden basılır. Bu olaylar sırasında elastik gövdenin içeriye ve dışarıya doğru şişmemesi için, şekilden anlaşıldığı gibi dairesel segmanlar konulmuştur. Bu segmanlar aralarında bağımsız olduklarından, krankın dönmesi sırasında hiçbir karşı kuvvet doğurmazlar. Bu sistemde supaplar dışında hiçbir sızdırmazlık problemi mevcut değildir. Sistemlerin ömürleri elastik malzemenin ömrüne bağlıdır. Şekil 3.3 Tipik bir körüklü pompanın kesit resmi d. Dişli pompalar 3 HİDROLİK AKIM MAKİNELERİ DERS NOTLARI Şekil 3.4 de görüldüğü biri diğerini döndüren iki dişli bir hacimsel pompadır. Dönen ve döndürülen dişler düz veya helisel formda olabilir. G girişinden diş boşlukları arasına alınan sıvı çevresel olarak taşınır ve Ç çıkışına iletilir. Dişli pompalar yağ pompası olarak uygulamada yaygın suretle kullanılmaktadır. Benzin ve dizel motorlarının, takım tezgahlarının yağlama devrelerinde dişli pompalar kullanılır. Sağladığı yüksek basınç nedeniyle hidrolik devrelerde en çok kullanılan pompalardır. Viskoz sıvıların ve ağır sıvıların emilip basılmaları yine dişli pompalarla yapılmaktadır. Şekil 3.4 Tipik bir dişli pompanın şematik resmi e. Vidalı pompalar Vidalı pompalar, hacimsel pompalar arasında, sıvının akımının dönme ekseni doğrultusunda gerçekleştiği pompalar olarak özel bir yere sahiptir. Sıvı hareketli vidanın veya birbirleriyle temas halinde dönen vidaların helisel kanalları içerisinde, emme kanalından basma kanalına doğru hareket eder. Vidalı pompalar özellikle viskoz ve ağır sıvıların, emilip basıldığı çeşitli sanayi kollarında geniş kullanım alanına sahiptir. Gemilerde, sentetik sıvıların üretilip pompalandığı sanayi kesiminde, çeşitli kimya sanayi dallarında, ham petrol ve petrol ürünleri sanayinde, çeşitli gıda sanayi dallarında ve bazı hidrolik devrelerde başarıyla kullanılmaktadır. Vidalı pompalar Q=120m3/saat gibi yüksek devirlerde ve 3.5‐300bar arasında görev yapabilmektedir. Vidalı pompalar tek vidalı ve çok vidalı pompalar olmak üzere iki grupta toplanır(Şekil 3.5). 1. DÖNEL ÇARKTA ENERJİ DÖNÜŞÜMÜ: (a) (b) Şekil 3.5. Vidalı pompanın kesit resmi (a) tek vidalı (b) iki vidalı. 4 HİDROLİK AKIM MAKİNELERİ DERS NOTLARI Şekil 3.5c. Vidalı pompaya ait uygulama örneği f. Elastik tüplü pompalar Şekil 3.6'da görüldüğü gibi silindirik bir çeper boyunca yerleştirilen elastik bir tüp, piston O merkezi etrafında dönerken, pistonun iki ucu tarafında dönebilen bilyalar yardımıyla, çepere doğru sıkıştırılır. Böylece her an, G giriş kanalından sıvı tüpün içerisine alınmış olur; pistonun ikinci ucundan sonraki sıvı da Ç çıkış kanalına sürekli basılır. Bu pompalar 50 Torr vakum basınçlarına kadar inebilmekte ve 15 bar basınca kadar sıvı basabilmektedir. Elastik tüplü pompalar genel olarak, su arıtma tesislerinde, ilaç ve kimya sanayilerinde, gıda sanayinde ve inşaat sektöründe yaygın olarak kullanılmaktadır. En büyük üstünlükleri emme ve basma işlemi sırasında pompa içerisindeki sıvının pompa elamanlarına temas etmemesidir. Şekil 3.6. Elastik tüplü pompanın kesit resmi ve çalışma prensibi. 5 HİDROLİK AKIM MAKİNELERİ DERS NOTLARI Bunların loplu ve paletli pompalarda uygulamada yer alan diğer hacimsel pompalardır. İlgili pompalara ait şematik resimler Şekil 3.7’de verilmektedir. (a) (b) Şekil 3.7. (a) Loplu pompa (b) Paletli pompa 6 HİDROLİK AKIM MAKİNELERİ DERS NOTLARI 3.2. Dinamik Pompalar Akışkana momentum aktarımı yapan ve çark kanatları rotor kanatları adı verilen döner kanatlı üç temel pompa tipi vardır. Bu nedenle, dinamik pompalar bazen rotadinamik pompalar veya basit olarak dönel pompalar adını alır. Bunun dışında jet pompalar ve elektromanyetik pompalar gibi dönel olmayan bazı dinamik pompalarda vardır. Dönel pompalar akışın pompadan çıkış biçimine göre sınıflandırılır: merkezkaç akış, eksenel akış ve karma akışlı pompalar (Şekil 3.8). Merkezkaç akışlı pompada akışkan pompa merkezine eksenel olarak girer ve pompa gövdesinin dış çapı boyunca radyal olarak terk eder. Bu nedenle merkezkaç pompalara radyal akışlı pompalarda denir. Eksenel akışlı pompada akışkan pompa merkezine eksenel olarak girer ve eksenel olarak terk eder. Pompa orta kısmının, motor, mil ve göbek tarafından kapatılması nedeniyle bu akış tipik olarak pompanın dış kesimi boyunca gerçekleşir. Karma akışlı pompa, merkezkaç ile eksenel arasındadır ve akış pompaya eksenel olarak girer, radyal ve eksenel arasındaki bir açıyla pompayı terk eder. Şekil 3.8. Üç temel pompanın çarkı (a) Merkezkaç akış, (b) Karma akış ve (c) Eksenel akış a) Merkezkaç(Santrifüj) Pompalar Merkezkaç pompalar endüstride en yaygın kullanılan dinamik pompa tipleridir. Şekil 3.9’da merkezkaç pompanın kesit resmi ve çalışma prensibi verilmektedir. Akışkan çarkın oyuk kısmından(göz) eksenel girer ve ardından dönel kanatlara ulaşır. Burada çark kanatları tarafından yapılan momentum transferiyle akışkan teğetsel ve radyal yönde hız kazanır. Akış 7 HİDROLİK AKIM MAKİNELERİ DERS NOTLARI salyangoz gövdenin içersine doğru radyal olarak dışarı savrulurken, hem basınç hem de hız kazanarak çarkı terk eder. Şekilde gösterildiği gibi gövde; amacı çark kanatlarının çıkış kenarlarını terk eden ve hızlı hareket eden akışkanı yavaşlatarak basıncını daha fazla arttırmak ve kanat aralarından gelen akışları birleştirip genel bir çıkışa yönlendirmek olan salyangoz biçimindeki bir yayıcıdır. Şekil 3.9a. Tipik bir merkezkaç pompanın yan ve ön görünüşleri Şekil 3.9b. Tipik bir merkezkaç pompa resmi Merkezkaç pompalarda kanat geometrisi, geriye eğimli, radyal ve öne eğimli olmak üzere üç farklı yapıdadır(Şekil 3.10). Geriye eğimli kanatlı merkezkaç pompalar en yaygın olanıdır. Akışkanın kanat aralarına girmesi ve kanatları terk etmesi en az miktarda dönüşle gerçekleştiğinden diğer kanatlı merkezkaç pompalara göre daha yüksek verime sahiptirler. Sağladıkları basınç artışları ise diğer iki tipin arasındadır. Radyal kanatlı merkezkaç pompalar geniş bir debi aralığında en yüksek basınç artışını sağlarlar. Ancak bu basınç artışı maksimum verim noktasından sonra hızla azalır. Öne eğimli merkezkaç pompalar, radyal ve geriye eğimli kanatlarla kıyasla geniş bir debi aralığında daha düşük olmakla birlikte sabit bir basınç artışı sağlar. 8 HİDROLİK AKIM MAKİNELERİ DERS NOTLARI (a) (b) (c) (d) Şekil 3.10. (a) Geriye eğimli kanatlı, (b) radyal kanatlı ve (c) öne eğimli kanatlı merkezkaç pompa; (d) üç pompa tipinin net yüklerinin ve fren beygir güçlerinin karşılaştırılması. 9 HİDROLİK AKIM MAKİNELERİ DERS NOTLARI b) Eksenel akışlı pompalar Eksenel akışlı pompalarda akışkan pompa merkezine eksenel olarak girer ve pompa çarkını eksenel olarak terk eder. Dönen çark kanatları akışkanın momentumunu değiştirmek suretiyle kaldırma kuvveti meydana getirerek akışkanın istenilen basınca ulaşması sağlar(Şekil 3.11). Akışkan hareketi helisel bir form izlediğinden bu pompalara helisel pompa olarak da adlandırılır. Şekil 3.11 Eksenel akışlı bir pompanın şematik resmi 3.3. Jet pompalar(Ejektörler) Ejektölerde dönen hareketli bir parça yoktur. Başka bir kaynak tarafından sağlanan sıvı akışı ile diğer sıvı sevk edilir. Şekil 3.12’de görüldüğü gibi 1 borusundan Qn debisinde bir sıvının geldiğini düşünelim. 2 nozulundan su hızla fışkırırken Bernoulli denklemi gereği 3 haznesinde meydana gelen basınç düşümü Q debisindeki akışkanın emilmesini sağlamaktadır. Transfer edilen toplam debi Q+Qn dir. Şekil 3.12. Jet pompanın (ejektör) resmi 10 HİDROLİK AKIM MAKİNELERİ DERS NOTLARI 4.TÜRBİN TİPLERİ VE YAPISAL AYRINTILARI Türbinler hacimsel ve dinamik türbinler olmak üzere iki grupta sınıflandırılabilir. Hacimsel türbinler çoğunlukla debi ölçümünde kullanılan küçük makinalardır. Dinamik türbinler ise minyatür yapılardan devasal yapılara kadar farklı boyutlarda olup hem akış ölçümünde hem de güç üretiminde kullanılırlar. 4.1. Hacimsel Türbinler Hacimsel türbin, geriye doğru çalışan bir hacimsel pompa olarak düşünülebilir. Akışkan kapalı bir hacim içinde itildikçe mili döndürür veya ileri‐geriye hareket eden bir biyel ile yer değiştirir. Ardından, kapalı akışkan hacmi, düzeneğe daha fazla akışkan girdikçe dışarıya doğru itilir. Bu sistemlerde net yük kaybı oluşmaz. Diğer bir ifadeyle enerji akan akışkandan çekilir ve mekanik enerjiye dönüştürülür. Hacimsel türbinler genellikle güç üretiminde değil daha çok hacimsel debi ve akış ölçümünde kullanılır. En yaygın örnekleri su sayaçlarıdır(Şekil 4.1). Şekil 4.1. Yalpa diskli akışkan debi ölçeri (hacimsel türbin). 4.2. Dinamik türbinler Dinamik türbinler hem akış ölçüm düzenekleri hem de güç üreticileri olarak kullanılır. Ders kapsamında güç üretimi için tasarlanan büyük dinamik türbinler üzerinde durulacaktır. Dinamik türbinler etki ve tepki türbini olmak üzere iki grupta sınıflandırılır. Etki türbinleri yüksek düşü ve küçük hacimsel debi, tepki türbinleri ise düşük düşü ve yüksek hacimsel debi değerleri gerektirir(Şekil 4.2). Düşüye göre su türbinlerinin sınıflandırması Şekil 4.3’de verilmektedir; H0 300 m Yüksek basınçlı Su Türbini Tesisi, 400 m H0 20 m Orta basınçlı Su Türbini Tesisi, H0 50 m Düşük basınçlı Su Türbini Tesisi, 11 HİDROLİK AKIM MAKİNELERİ DERS NOTLARI (a) (b) Şekil 4.2 (a) Çeşitli türbin tiplerinin düşü ve özgül hıza göre çalışma bölgeleri (b) Çeşitli türbin tiplerinin düşü ve debiye göre çalışma bölgeleri 12 HİDROLİK AKIM MAKİNELERİ DERS NOTLARI (a) Francis Türbini Tesisi (b) (c) Şekil 4.3. Düşüye göre su türbini tesislerinin sınıflandırması (a) Yüksek basınçlı Su Türbini Tesisi, (b) Orta basınçlı Su Türbini Tesisi ve (c) Düşük basınçlı Su Türbini Tesisi 13 HİDROLİK AKIM MAKİNELERİ DERS NOTLARI ÇİZELGE (4.1) Türbinlerin çalışma tarzlarına göre sınıflandırılması. ETKİ TİPİ TÜRBİNLER Ortak özellikleri çark atmosfer basıncında ve kısmi giriş var Adı Resmi Dönel Çark Serbest hüzmeli Çok sayıda çift taraflı türbin kepçe biçimli (Pelton Türbini) parçalardan oluşmuş, teğetsel girişli ve ayarlanamaz çarklı Teğetsel giriş çıkışlı tambur çarklı (Banki‐ Michell Ossberger Su Türbini) Yöneltici çark Güce göre 1 ila 6 ayarlanabilir püskürtücüden oluşur ve hüzme çelicili. Tambur tipi basit Tek veya birden radyal çark tipli. Su fazla yönelticili çarktan iki kez geçer. REAKSİYON TİPİ TÜRBİNLER Ortak özellikleri, çarkın girişindeki basınç çıkışından daha büyük. Çalışma anında çark kanatları tamamen su ile dolu Adı Resmi Dönel Çark Yöneltici çark Francis Tipi Tek veya çift eğrilikli Ayarlanabilir Türbin radyal çark kanatlı. radyal Dıştan içe doğru akış yöneltici çark söz konusu ve kanatları kanatlar ayarsız. Kaplan Türbini Taşıyıcı kanat teorisine göre çizilmiş kanatlar, eksenel akışlı ve ayarlanabilir dönel çarklı Ayarlanabilir radyal veya eksenel yöneltici çark kanatları 14 HİDROLİK AKIM MAKİNELERİ DERS NOTLARI 4.2.1 Etki türbinleri (Pelton türbini veya çarkı) Şekil 4.4’de bir Pelton çarkının şematik resmi verilmektedir. Bir Pelton türbini ana bileşenleri; (1)püskürtücü (enjektör), (2)çark, (3)iğne, (4)deflektör (çelici) ve (5)gövde şeklindedir. Cebri borudan gelen su, geçiş kesiti bir iğne ile kontrol edilen püskürtücüden yüksek hızla bir su jeti şeklinde fışkırarak (V=(2gH0)1/2, :boşalma katsayısı(0.98‐0.99)) çark üzerinde yer alan kepçelere çarpar. Şekil 4.4 Tek püskürtücülü Pelton türbini ana elemanları Şekilde görüldüğü gibi kepçeler genellikle 2 bölümlü yapılır. Su jeti keskin kenar tarafından ikiye bölünür ve yön değiştirir. Oluşan momentum değişikliğinin etkisiyle kepçeye çevresel bir kuvvet etki eder ve bu etkileşim sonucunda çark üzerine Md=F.R’lik bir döndürme momenti aktarılır. 15 HİDROLİK AKIM MAKİNELERİ DERS NOTLARI Lüleden fışkıran huzmenin çapı, iğnenin ileri‐geri hareketi ile büyültüp küçültülmek suretiyle debi ve türbin gücü ayarlanır. Ani yük değişimlerinde sistem üzerinde yer alan deflektör, henüz iğne durumunu almadan, harekete geçerek huzmeyi saptırır ve huzmenin çarka çarpmasını engeller. Şekilde görüldüğü gibi çark tamamen suyun dışında bulunur. Pelton çarkları H400m gibi çok yüksek düşülerde kullanılır. Verimleri %90 düzeyindedir. Genel olarak türbinler gücüne göre 1’den 6’ya kadar püskürtücü ve 12’den‐40’a kadar kepçe bulundurur. 4.2.2 Tepki türbinleri Enerji üreten bir başka temel hidrotürbin tipi, sabit kanatlar adı verilen sabit kılavuz kanatlar, ayar kapakları denilen ayarlanabilir kılavuz kanatlar ve çark kanatları denen dönen kanatlardan oluşan tepki türbinidir (Şekil 4.5). Akış türbine teğetsel olarak yüksek basınçta girer, spiral gövde veya salyangoz boyunca hareket ederken sabit kanatlar tarafından çarka yönlendirilir ve ardından yüksek bir teğetsel hız bileşenine sahip olarak ayar kapaklarından geçer ve çark kanatlarına ulaşır. Şekil 4.5. Bir tepki türbinin şematik resmi. Akışkan ile çark kanatları arasındaki momentum alış‐verişi sonucunda çark miline döndürme momenti aktarılmış olur. Etki türbinlerinin tersine tepki türbinleri tamamen su ile doludur. Bu nedenle bir tepki türbini; aynı çapa, net düşüye ve hacimsel debiye sahip etki türbininden daha fazla güç üretir. Ayar kapaklarının açıları çarktan gelen hacimsel debiyi kontrol altına almak için ayarlı yapıda yapılmıştır. Ayar kapaklarından çıkan akış, şok(çarpma) kayıplarından kaçınmak amacıyla çark kanadının giriş kenarına paralel olarak yönlendirilir. 16 HİDROLİK AKIM MAKİNELERİ DERS NOTLARI Francis ve Kaplan türbini olmak üzere iki ana tip tepki türbini vardır. Francis türbini genel yapısı itibariyle ters akışlı bir merkezkaç pompa yapısına Kaplan türbini ise ters akışlı bir eksenel fan yapısına benzer. Akışın çarka girdiği açıya göre, tepki türbinleri; (a) Radyal akışlı Francis türbini: Akış çarka radyal olarak girmektedir(Şekil 4.6a). (b) Karma akışlı Francis türbini: Akış çarka radyal ile eksenel arası girmektedir (4.6b) (c) Pervaneli karma akışlı‐türbin: Çark üzerinde bir kuşak yoktur ve akış çarka kısmen dönmüş olarak girmektedir (Şekil 4.6c). (d) Eksenel Akışlı Türbin (Kaplan):Akışkan çarka girmeden önce tümüyle eksenel olarak dönmektedir(Şekil 4.6d). Şekil 4.6. (a) Radyal akışlı Francis türbini, (b) Karma akışlı Francis türbini, (c)Pervaneli karma akışlı‐türbin ve (d)Eksenel Akışlı Türbin (Kaplan) Eksenel akışlı türbinler (Kaplan tipi) yüksek debi ve düşük düşülerde (80m) kullanılan pervane tipi türbinlerdir. Klasik nehir türbinleri olarak da isimlendirilirler. 3‐8m dönel çark çapına kadar kanatlar ayarlanabilir olarak imal edilirler. Ayar işlemi hidrolik servomotorlar ile sağlanır. Özel durumlarda kanatların ayarlı olmasından vazgeçilebilir (Uskur tipi). 20 metre düşüye kadar beton salyangoz veya boru gövdeli olarak imal edilirler(Şekil 4.7 ve 4.8). Daha büyük düşülerde ise salyangoz gövde sacdan imal edilmelidir. 17 HİDROLİK AKIM MAKİNELERİ DERS NOTLARI Şekil 4.7. Eksenel akışlı (Kaplan tipi) tepki türbini Şekil 4.8. Nehirlerde uygulanan BORU TİPİ KAPLAN SU TÜRBİNİ tesisi, Escher Wyss firmasından. 1 Giriş Izgarası, 2 Yöneltici çark, 3 Dönel çark, 4 Dönel çarkı ayarlı türbin mili, 5 Salmastralar, 6 Konik dişli redüktör, 7 Jeneratör, 8 Kumanda panosu, 9 Kademesiz ayarlanabilen ayar pompası, 10 Emme borusu. Radyal akışlı türbinler(Francis tipi) Pelton çarklarının yüksek düşüleri ile Kaplan türbinlerinin düşük düşüleri arasında kalan düşüler (40‐600m)için en uygun türbin tipidir. Bünyesinde 16 veya daha fazla kanat barındırır. Verimleri %90‐95 düzeyinde olup 500MW’a kadar güç üretebilirler (Şekil 4.9). 18 HİDROLİK AKIM MAKİNELERİ DERS NOTLARI Şekil 5.8 Francis tipi su türbini tesisi. Bu türbin tipinin Pelton türbinine göre avantajı, daha küçük boyutlarda imal edilerek, daha yüksek dönme sayılarında çalıştırılabilmesidir. Yurdumuzda Devlet Su İşlerinin denetiminde bulunan su türbini tesislerin büyük çoğunluğunda Francis tipi türbin kullanılmaktadır. Küçük güçlerde örnek olarak 200 kW’a kadar olan güçlerde ve 5 m düşüden daha az yerlerde kamara tipi denilen ve düşey eksenli Francis türbini kullanılır(Şekil 5.9). Şekil 4.9. Düşey eksenli kamara tipi Franscis türbini tesisi. Şekil 4.10 Francis tipi dönel çarkı 19
