HİDROLİK AKIM MAKİNELERİ DERS NOTLARI

HİDROLİK AKIM MAKİNELERİ DERS NOTLARI

1

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.

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. Silindir şeklinde gövde 2. Piston 3. Piston kolu (biyel) 4. Krank mili 5. Emme supabı 6. Basma supabı 7. Sızdırmazlık segmanları 8. Krank yatakları


2

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.


3

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


4

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.


5

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.


6

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


7

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


8

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.


9

(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.


10

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


11

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,


12

(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


13

(a)

(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

Francis Türbini Tesisi


14

ÇİZELGE (4.1) Türbinlerin çalışma tarzlarına göre sınıflandırılması.

ETKİ TİPİ TÜRBİNLER

Ortak özellikleri çark atmosfer basıncında ve kısmi giriş var

Adı Resmi Dönel Çark Yöneltici çark

Serbest hüzmeli

türbin

(Pelton Türbini)

Çok sayıda çift taraflı

kepçe biçimli

parçalardan oluşmuş,

teğetsel girişli ve

ayarlanamaz çarklı

Güce göre 1 ila 6

ayarlanabilir

püskürtücüden

oluşur ve hüzme

çelicili.

Teğetsel giriş çıkışlı

tambur çarklı (Banki‐

Michell Ossberger Su

Türbini)

Tambur tipi basit

radyal çark tipli. Su

çarktan iki kez geçer.

Tek veya birden

fazla yönelticili

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

Türbin

Tek veya çift eğrilikli

radyal çark kanatlı.

Dıştan içe doğru akış

söz konusu ve

kanatlar ayarsız.

Ayarlanabilir

radyal

yöneltici çark

kanatları

Kaplan Türbini

Taşıyıcı kanat

teorisine göre

çizilmiş kanatlar,

eksenel akışlı ve

ayarlanabilir dönel

çarklı

Ayarlanabilir

radyal veya

eksenel

yöneltici çark

kanatları


15

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.


16

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.


17

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.


18

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).


19

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 Şekil 4.10 Francis tipi dönel çarkı

türbini tesisi.

Documents

HİDROLİK AKIM MAKİNELERİ DERS NOTLARI