Hidroelektrik Santral Türbinleri Nelerdir ve Nasıl Sınıflandırılır?

Günümüzde enerji üretiminde sürdürülebilir ve çevre dostu çözümlere olan talep giderek artmaktadır. Bu talebi karşılamak için hidroelektrik santralleri, önemli bir alternatif enerji kaynağı olarak öne çıkmaktadır. Hidroelektrik santralleri, suyun potansiyel enerjisini kinetik enerjiye dönüştürerek elektrik üretimine katkı sağlar. Bu süreçte hidroelektrik santral türbinleri, santralin verimliliği ve güvenilirliği açısından kritik bir öneme sahiptir. Bu makalede, hidroelektrik santral türbinlerinin çalışma prensipleri, türbin çeşitleri ve seçim kriterleri ile hidroelektrik santral türbinlerinin sınıflandırılması gibi konuları ele alarak hidroelektrik enerjinin geleceğine ışık tutacağız.

Hidroelektrik Santral Türbinleri Çalışma Prensibi

Hidroelektrik santral türbinleri, akışkanın sahip olduğu hidrolik enerjiyi mekanik enerjiye dönüştüren makinelerdir. Bu türbinlerin çalışma prensibine göre akışkan, türbindeki kanatçıklara çarpar ve türbin miline hareket aktarır. Bu hareket türbin mili çıkışında mekanik iş haline gelir. Mekanik iş sayesinde jeneratörler aracılığıyla elektrik üretimi gerçekleşir.

En sık kullanılan hidrolik makineler olan pompa ve türbinleri karşılaştırmak gerekirse pompalar, kendilerine enerji verilen ve bu enerjiyi akışkana aktaran makinelerdir. Türbinler ise enerji üretirler ve akışkandan enerji çekerler. Ayrıca pompalarda kullanılan akışkanın enerjisindeki artış, basıncın artmasına sebep olur. Türbinlerde ise akışkan enerji kaybeder ve basınç azalır.

Tavsiye İçerik : ‘Santrifüj Pompa Nedir ve Nasıl Çalışır?’

Hidroelektrik Santral Türbinlerinin Sınıflandırılması

Hidroelektrik santral türbinleri birçok şekilde sınıflandırılabilmektedir. Bunlar türbin çıkış güçlerine göre, suyun akış doğrultusuna göre, özgül hıza göre, düşüye göre, türbin milinin durumuna göre ve suyun etki şekline göre olarak sıralanmaktadır.

Hidroelektrik santraller, günümüzde kullanılan en önemli enerji kaynakları arasındadır. Bu santrallerde suyun akış ve potansiyel enerjisinden faydalanılır. Su, belirli bir düşüden belirli bir debi ile akarak türbine iletilir. Hidroelektrik santrallerde kullanılan türbinler genel olarak suyun etki şekline göre sınıflandırılmaktadır. Bunlar; aksiyon ve reaksiyon türbinleridir ve yer çekimi etkisine maruz kalan suyun etkisi ile enerji elde edilmektedir.

Aksiyon Türbinleri

Aksiyon türbinlerinde nozullardan geçen yüksek düşüye sahip akışkan, su jetine dönüşür. Bu jet kanatçıklara atmosfer basıncında girer ve çarkın dönmesi sağlandıktan sonra atmosfer basıncında çıkar. En sık kullanılan aksiyon türbinleri: Pelton, Turgo ve Banki türbinleridir. Aksiyon türbinleri için enerji dönüşümü Newton’un İkinci Yasası ile açıklanır.

Pelton Türbini

Lester Allan Pelton tarafından geliştirilen Pelton türbini, yüksek düşüye sahip hidroelektrik santrallerde tercih edilmektedir. Pelton türbininde su, nozullardan geçerek su jeti haline gelir ve çark üzerindeki kanatçıklara çarpar. Kanatçıklar, su jetinin enerjisinden en yüksek oranda faydalanılacak şekilde tasarlanan dallandırıcı sırtlar sayesinde suyu iki yana doğru dağıtır. Pelton türbinlerinin yatay ve düşey olarak konumlandırılması mümkündür. Su jetinin sayısının artırılması ile elde edilen güç artar. Ayrıca Pelton türbinlerinde en yüksek verim, kanatçık hızının su jetinin hızının yarısı kadar olduğu anda elde edilmektedir.

Pelton çarkının çapı büyüdükçe elde edilen güç artar ve türbin daha yavaş döner. Hızın düşük olması ve pelton çarkının çapının büyümesi tasarımda herhangi bir sorun yaratmıyorsa bu türbinler alçak düşülerde de kullanılabilmektedir.

Turgo Türbini

Turgo türbini çalışma prensibi Pelton türbini ile aynıdır. Bu türbinin Pelton türbininden farkı kepçe yapısıdır. Pelton türbinine göre daha az maliyet, daha yüksek hız ve daha fazla su tutabilme özelliklerine sahiptir. Bununla birlikte Turgo çarkı, aynı güçteki bir Pelton çarkı çapının yaklaşık bir buçuk katıdır. Bu sayede daha yüksek devir sayıları elde edilmektedir.

Banki Türbini

Banki türbini, Macar asıllı Banki ve İngiliz asıllı Michell tarafından geliştirilmiştir. Ossberger ya da Crossflow türbini olarak da bilinir. Küçük ve orta güçlü su kuvvetlerinde kullanılmaktadır. Banki türbini ile %80 civarında verim elde edilebilir. Banki türbininin en büyük özelliği suyun dönel çarka iki kez girip çıkmasıdır. 

Alçak düşüde ve küçük türbin çıkış güçleri için kullanılacak olan türbinlerin yerel işletmeler tarafından çalıştırılması nedeniyle bakım onarım işlemleri ve yedek parça temininin kolaylıkla yapılabilir olması çok önemlidir. Bu açıdan Banki türbinleri oldukça avantajlıdır. Konstrüksiyonları diğer türbin çeşitlerine göre daha basittir.

Reaksiyon Türbinleri

Reaksiyon türbinlerinin aksiyon türbinlerinden en önemli farkı, su jeti kullanmak yerine reaksiyon türbini gövdesinin dönerek çarkı çeviren suyla dolmasıdır. Aynı debi ve düşü değerlerinde aksiyon türbinlerine göre daha yüksek dönme hızına sahiptir. Reaksiyon türbinlerinde akışkan, türbin üzerinde bulunan kanatların her birine çarpar ve elde edilen enerji artar. Bu türbinlerin imalatı oldukça zordur. Bu sebeple mikro hidrolik sistemlerde daha az tercih edilirler. Düşü ve özgül hız bakımından geniş bir kullanım alanına sahiptir. Suyun hem kinetik hem de potansiyel enerjisinden yararlanıldığından çark girişindeki basınç, çıkıştaki basınçtan çok daha büyüktür. Bu sebeple su, kapalı kanal içerisinde akar. En sık kullanılan reaksiyon türbinleri: Francis ve Kaplan türbinidir. Bu türbinlerde kavitasyon tehlikesi de bulunmaktadır.

Reaksiyon türbinlerinde akışkan kanalı doldurur ve düşü değişimi veya basınç düşümü çark içinde gerçekleşir. Basınçta meydana gelen düşme, suyun ivmelenmesini sağlar. Su, hızla kanatçıklara çarpar ve sahip olduğu kinetik enerjiyle çarkı döndürür. Reaksiyon türbinleri, yüksek enerjili sıvıyı alıp momentumunu açığa çıkarır. Reaksiyon türbinleri için enerji dönüşümü Newton’un Üçüncü Yasası ile açıklanır.

Francis Türbini

James Bicheno Francis tarafından geliştirilen Francis türbini, dünyadaki hidroelektrik santral türbinleri arasında en yaygın kullanılan türbin çeşididir. Ülkemizdeki hidroelektrik santrallerde de en yoğun kullanılan türbin çeşidi Francis türbinidir. Yatay ve düşey eksenli olarak kullanılırlar. Ayrıca geniş bir düşü aralığında ve yüksek devirlerde çalışmaktadırlar.

Francis türbinlerinde su, çevresel olarak salyangozların yönlendirici kanatları arasından geçerek radyal eksende türbine girer. Kanatların arasından geçerken hız artar ve yön değiştirir. Momentum değişikliği etkisiyle çarka dönme momenti etki eder. Su çarktan eksenel doğrultuda çıkar. 600 m düşü ve 800 MW seviyesinde çalışabilmektedir. Dağıtıcı kanatların açı ve aralıkları ayarlanarak türbine gelen suyun debisi ve gücü ayarlanır. Francis türbinleri genellikle barajların temeline konumlandırılmaktadır.

Kaplan Türbini

Viktor Kaplan tarafından geliştirilen Kaplan türbini, yüksek debilerde ve düşük düşülerde çalışırlar. Salyangoz gövdeli ya da boru tipi olarak imal edilirler. Uskur, Bulb, Tube, Straflo olarak tabir edilen türbinler Kaplan türbininin versiyonlarıdır.

Kaplan türbininin, gemi pervanesine benzeyen fakat onun tersi şekilde çalışan bir çarkı vardır. Kaplan türbininin çarkı, çevresinden geçen suyun etkisiyle döner. Bu türbinlerde su giriş ve çıkışı aynı eksendedir. 3-8 m çark çapına kadar kanatlar ayarlanabilir olarak imal edilir. Kanat sayıları ihtiyaca göre değişken olabilir. Buradaki ayar, hidrolik servo motorlarla sağlanmaktadır. Özel durumlarda kanatların ayarlı olmasından vazgeçilebilmektedir. Bu durumda türbinin adı Uskur türbini olmaktadır. Ek olarak Kaplan türbinleri, 20 metre düşüye kadar beton salyangoz gövdeli imal edilirler. Daha büyük düşülerde ise salyangoz gövde sactan imal edilmektedir. Bunun en büyük sebebi oluşan basınca karşı koyabilmektir.

Kaplan türbinleri, Francis türbinlerine göre daha hızlı döner. Bu sebeple jeneratöre arada herhangi bir bağlantı elemanı olmadan direkt bağlanabilmektedir. Francis türbinleri orta düşü, Kaplan türbinleri ise alçak düşüler için daha ekonomiktir. Debi fazlalığına karşı önlem, ya giriş vanalarının yük talebini izleyen otomatik kontrol ile ya da fazla su baca şeklindeki bir depoya (penstock) saptırılarak sağlanmaktadır.

Hidroelektrik Santraller İçin Türbin Seçim Kriterleri Nelerdir?

Hidroelektrik santral türbinleri, farklı düşü ve debi bölgelerine göre aşağıdaki grafik kullanılarak seçilmektedir. Buradan türbin seçimi yapabilmek için istenilen debi ve düşü değerlerinin kesiştiği noktayla türbinden elde edilecek güç miktarını gösteren doğrunun kesiştiği nokta hangi türbin bölgesinde kalıyorsa, kurulması planlanan hidroelektrik santral için o türbinin kullanılması işletme ve verimlilik açısından en uygun olanıdır.

Türbin seçiminde türbin veya jeneratörün hızı da önemlidir. Türbin tarafından döndürülen jeneratörler, genel olarak türbinin optimum hızından daha yüksek bir devirde döner. Aralarındaki bağlantı kayış-kasnak, dişli mekanizması veya bir kavrama aracılığıyla sağlanır. Türbin hızının jeneratör hızına eşit olması durumunda jeneratör türbin miline kavrama ile bağlanır. Burada hız oranının minimum olması tercih edilir. Böylece bağlantı daha kolay ve maliyet daha düşük hale gelir. Prensip olarak 2.5:1 oranı veya altı tercih edilmelidir.

Türbin seçimindeki diğer bir önemli husus ise türbinin çalışacağı kısmi debi koşullarıdır. Pelton ve Banki türbinleri tasarım değerlerine göre çalışmaları durumunda oldukça yüksek verim verirler. Francis türbinlerinde kısmi yükler karşısında verim düşer. Kaplan türbinlerinde, tasarım debisinin %80 ve üstü haricinde çok düşük verim elde edilir. Francis türbinleri yüksek güçlü hidrolik sistemlerde çok sık kullanılmasına karşın karmaşık bir tasarıma sahip olmaları ve kısmi yüklerdeki davranışları nedeniyle mikro güçlü hidrolik sistemlerde tercih edilmezler.