Su Alma Yapıları Eğitim Notları - 1

1. SU ALMA YAPILARI EĞĠTĠM NOTLARI - 1
ÖZGÜR SEVER 18.11.2014

2. Genel Bilgi Hidroelektrik santrallerde enerji üretimi için gerekli olan akımın, akarsudan çevrilip düzgün bir Ģekilde diğer yapılara iletilmesini sağlayan yapılara «Su Alma Yapıları» denmektedir. Su alma yapıları, suyu çevireceği kaynağa ve suyu ileteceği yapıya göre tasarlanmalıdır. Su alma yapılarının ortak özellikleri: Su alma yapısı bağlandığı iletim yapısına suyu kontrollü olarak verebilmelidir. Çevrilen akımı sedimentten ve yüzer malzemeden arındıracak Ģekilde tasarlanmalıdır.

3. Amaç Ġletim hattı tesislerine derede askıda bulunan malzemelerin giriĢini engellemek için çökeltme havuzu tesis edilmesi gerekebilir. Tersip bendi ve çakıl geçidi benzeri yapılarla iri danelerin iletim tesislerine girmesi engellenebilir, ancak bu yapılar küçük boyutlu malzemeleri temizlemek için yeterli değildir. Çökeltim havuzu tesis edilmesinin amacı, su iletim hatları ve türbinleri taĢınan malzemelerin hasar verici etkilerinden korumaktır. Çökeltim havuzları proje karakteristiklerine göre belirli büyüklükteki malzemeyi tutmak amacıyla tasarlanır.

4. Örnek Resimler

5. Örnek Resimler
*R.M.Khatsuria; http://hydrotopics.wordpress.com/

6. Çökeltilmesi Gereken Sediment Boyutu Askıdaki malzemedeki belli boyutun üzerindeki parçacıklar temizlenmezse özellikle türbin çarkında yaratacağı zararlar yüksek olabilir. Tasarımda kullanılacak malzeme boyutu türbin tipine ve düĢüye bağlıdır.
*Çeçen, 1976

7. Çökeltilmesi Gereken Sediment Boyutu Sediment dane büyüklüğü: Ġri daneli sediment: Kum ve daha büyük parçalar Ġnce daneli sediment: Kil ve silt Sediment parçaları tam bir küresel yapıya sahip değillerdir. Malzeme çapı farklı yöntemlerle belirlenir. Sedimentasyon çapı: Aynı sıcaklıkta aynı çökelme hızına ve özgül ağırlığa sahip küresel bir parçacığın çapıdır. Elek çapı: Aynı elekten geçebilen küresel bir parçacığın çapıdır. Üç eksenli çap: Birbirine dik üç eksenin danenin ağırlık merkezinde olduğu varsayılarak üç eksendeki uzunluklar ölçülür ve üçünün aritmetik ortalaması alınır.

8. Dane ġekli ġekil faktörü, SF , danenin küreselliğini belirler ve üç eksenli ölçümde danenin en uzun ( a ), orta( b ) ve en kısa( c ) ölçümleri ile hesaplanır. 푆퐹= 푐 푎푏 Küresellik danenin ne kadar küresel olduğunu, yuvarlaklık ise danenin köĢeliliğini ve köĢelerin sivriliğini tanımlar. ġekil faktörü küresel parçacıklar için 1.0 olup, doğal kum için genelde 0.7 civarındadır.

9. Çökelme Hızı Bir sediment danesi durgun suya bırakıldığında ulaĢtığı maksimum sabit hız çökelme hızı olarak tanımlanır. Küresel dane için: 푤푓= 4Δ푔푑 3퐶푑 Δ=휌푠−휌/휌 d= dane çapı ρs= sediment yoğunluğu ρ= suyun yoğunluğu CD= sürtünme katsayısı Danenin Reynold Sayısı: 푅푒= 푤푓푑 푣 v= suyun kinematik viskozitesi Re<0.1 – katmanlı akım  CD=24/Re Re>2.1 – türbülanslı akım  CD=0.40 0.1<Re<2.1 – geçiĢ akımı 퐶퐷= 24 푅푒 + 3 푅푒 +0.34

10. Çökelme Hızı – Basit Hesaplamaları 20 ºC sıcaklıktaki suda kuartz kumunun çökelme hızı (Breusers ve Raudkivi, 1991) aĢağıdaki denklemlerle hesaplanabilir. (mm/s) 푤푓=663푑2  d < 0.15 mm 푤푓=134.5푑  d > 1.50 mm 0.15mm < d < 1.50 mm
* Sulama Kanalı ve HES’lerde Çökeltim Havuzu Kriterleri, Ada Mühendislik

11. Çökelme Hızı – Basit Hesaplamaları Rubey (1931) bütün çaplar için geçerli olan aĢağıdaki denklemi geliĢtirmiĢtir. (m/s) 푤푓= 1636휌푠;휌푑3:9휇20.5500푑 Çökelen bir grup parçacık arasında bir etkileĢim mevcuttur. Askıda baĢka parçacıkların bulunması tek bir danenin çökelme hızını azaltır. 푤푓푝=푤푓1−퐶훽 wfp : düzeltilmiĢ çökelme hızı C : askıdaki malzeme konsantrasyonudur (lt/lt) β : D*<40  4.67; D*≥800  2.35; Diğer  훽=7.48퐷∗ ;0.129 D* : Boyutsuz dane büyüklüğü (Van Rijn, 1984)  퐷∗= Δ푔푑3 푣213

12. Özgül Ağırlık 훾= 푊푘푢푟푢 푉 γ : Kuru özgül ağırlık Wkuru : Kuru ağırlık V : Hacim
* Sulama Kanalı ve HES’lerde Çökeltim Havuzu Kriterleri, Ada Mühendislik

13. Örnek Tasarım

14. Boyutlandırma B : Net geniĢlik H : Derinlik L : Etkili Boy
* Sulama Kanalı ve HES’lerde Çökeltim Havuzu Kriterleri, Ada Mühendislik

15. Boyutlandırma 푄=푉∗퐵∗퐻 Sediment danesinin yatay hızı akımın hızına eĢit kabul edilir. Sediment danesi düĢeyde kendi ağırlığının etkisi ile hareket eder. 푥=푉푡; 푦=푤푓푡  푥= 푦∗푉 푤푓 Dolayısıyla; 퐿≥ 푉 푤푓 ∗퐻

16. Boyutlandırma Türbülanslı akım hızının düĢey bileĢeni çökelen sediment danesi üzerinde yukarı doğru bir kuvvet oluĢturur. 퐿≥ 푉 푤푓;푤푓 ′∗퐻  wf’=Türbülanslı akım düĢey bileĢeni 푤푓 ′= 0.312 퐻 ∗푉 (Mosonyi, 1965) 퐿= 푉퐻 32 푤푓퐻 12 ;0.132푉

17. Boyutlandırma Granüler yatak malzemesi için izin verilen maksimum ortalama hızlar (Masonyi, 1965)
Düzeltme Kaysayısı (V’=αV)
* Sulama Kanalı ve HES’lerde Çökeltim Havuzu Kriterleri, Ada Mühendislik

18. Boyutlandırma Camp (1946) deneysel çalıĢmaları sonucunda sediment dane çapı «d» ile maksimum akıĢ hızı «V» arasındaki iliĢkiyi aĢağıdaki denklem ile ifade etmiĢtir. 푉=훼푑 V = havuzdaki kritik hız (cm/s) d = dane çapı (mm) α = 36 d > 1 mm α = 44 0.1 mm < d < 1 mm α = 51 d < 0.1 mm

19. Boyutlandırma Örnek I* Q= 10 m3/s Tutulması istenen malzeme boyutu: 0.5 mm
* Sulama Kanalı ve HES’lerde Çökeltim Havuzu Kriterleri, Ada Mühendislik

20. Boyutlandırma – Sümer Yöntemi Bilinenler: Trapez kanalın giriĢinde taban kotu (K1) Kanal yan duvar eğimi 1D:1.5Y Su derinliği, y1 Debi, Q Kanal geniĢliği, Bc
* Applied Water Resources Engineering, A. Melih Yanmaz

21. Boyutlandırma – Sümer Yöntemi Sümer Yöntemi’ne göre çözüm mansaptan membaya doğru enerji denklemleri çözülerek yapılır. Trapez kanaldaki su derinliği Manning denkleminden hesaplanır. Dikdörtgen kanaldan trapez kanala geçiĢteki kayıp: Δ퐻푡=퐶푡 푢12;푢222푔  Ct = 0.3 (Doğrusal geçiĢler için) Kesit 2’deki su derinliği: 푦1+ 푢122푔 +퐶푡 푢12;푢222푔 =푦2+ 푢222푔 GeçiĢ bölgesi uzunluğu (Lt): 퐿푡=2.35퐵1−퐵푐+1.65푧푦2

22. Boyutlandırma – Sümer Yöntemi Kesit 3’e akımı düzenlemek ve çökelme havuzu temizliği sırasında kanala su giriĢini önlemek için kapak yerleĢtirilir. Kapak açıklığından geçen akım hızı (u3): 푢3= 푄 퐵3푛푦3=퐾2푔Δ퐻푔푙 K : Orifis katsayısı, 0.65 ΔHgl : Kapak kaybı Kesit 3’teki su derinliği: 푦3+ 푢322푔 =푦2+ 푢222푔 +Δ퐻푔푙

23. Boyutlandırma – Sümer Yöntemi Çökeltim havuzundan kanala geçiĢte kurp olabilir. Kurp kaybı: Δ퐻푐=퐶푐 푢32;푢422푔  Cc=0.2 Kesit 4’teki su derinliği: 푦3+ 푢322푔 +0.2 푢32;푢422푔 =푦4+ 푢422푔

24. Boyutlandırma – Sümer Yöntemi Çökeltim havuzunun sonuna toplanan sedimenti yıkama kanalına gönderebilmek için bir eĢik yapılır. 푦5+ 푢522푔 =푦4+ 푢422푔 +Δ푠푢+Δ퐻푒 Δsu : EĢik yüksekliği ΔHe : EĢik kaybı  푄=2.88퐵푠 23Δ퐻푒 32 +푦4Δ퐻푒

25. Boyutlandırma – Sümer Yöntemi Çökeltim havuzunun uzunluğu: 퐿=− 6 푢푠 푢∗ 푦 휅휆 ln1−푟 us : Ortalama hız u* : Sürtünme hızı 푔푅푆0푠 0.5 κ : Von Karman katsayısı (0.42) λ : Boyutsuz hız  휆=8.8훽1.17  훽= 푤푓 휅푢∗ r : Ayrılacak sediment oranı 푦5+ 푢522푔 +Δ퐻푠=퐿푠푆0푠+푦6+ 푢622푔

26. Boyutlandırma – Sümer Yöntemi Çökeltim havuzunun giriĢinde bir basamak (Δsd) bulunabilir. Bu basamak yapısındaki kayıp (ΔHes) 0.02 m alınır. Δ푠푑+푦7+ 푢722푔 =푦6+ 푢622푔 +0.02 Dalgıç perdenin olduğu yerdeki kayıp (ΔHei) : 푢8≈ 푄 퐵푠푛푦7=0.652푔Δ퐻푒푖 푦8+ 푢822푔 =푦7+ 푢722푔 +Δ퐻푒푖

27. Boyutlandırma – Sümer Yöntemi Yatak malzemesinin havuza giriĢini önlemek için giriĢte Δu yüksekliğindeki eĢik inĢa edilir. Buradaki kayıp (ΔHi): 푄=2.88퐵푠 23Δ퐻푖 32 +푦8Δ퐻푖 Izgaradaki kayıp (ΔHtr): Δ퐻푡푟=1.45− 0.45퐴푛 퐴푔 − 퐴푛 퐴푔 2 푢푛 22푔 Dalgıç perdenin olduğu yerdeki kayıp (ΔHei) : 푢8≈ 푄 퐵푠푛푦7=0.652푔Δ퐻푒푖 푦8+ 푢822푔 =푦7+ 푢722푔 +Δ퐻푒푖 퐾푤푖=퐾푤7+ 푢722푔 +Δ퐻푒푖+Δ퐻푖+Δ퐻푡푟− 푢822푔 Dalgalanma payı da düĢünülerek su seviyesi 10 cm arttırılabilir.

28. Boyutlandırma Örnek II (Sümer Yöntemi) Bilinenler: Trapez kanalın giriĢinde taban kotu (K1): 0.00 m Kanal yan duvar eğimi 1D:1.5Y Debi, Q: 15 m3/s Kanal geniĢliği, Bc: 2.00 m Kanal eğimi: 0.0004 Manning katsayısı, n: 0.016
Q

29. Havuz Boyutlarının Belirlenmesi T= 푡 푉푠 = 퐿 푉 = 퐿 푄 퐵∗푡 t : Çökeltim havuzu ortalama derinliği (m) Vs : Danenin durgun su içinde çökme hızı (m/s) L : Çökeltim havuzu boyu (m) B : Çökeltim havuzu geniĢliği (m) Q : Geçen debi (m3/s) V : Ortalama hız (m/s) T : Çökelme süresi (s) 푉푠= 푄 퐿∗퐵  푉푠= 3600∗푄 퐿∗퐵 (m/saat)

30. Havuz Boyutlarının Belirlenmesi
Stock Eğrisi