Pompa Performans Parametreleri
Bu çalışmada, pompa performans parametreleri ve bunların pompa seçimindeki rolü ve önemi tartışıldı. Pompa ve sistem karakteristiği ile belirlenebilen işletme noktasının, pompanın en iyi verim noktasının değişimine olan etkisi ayrıntılı olarak tartışıldı. Ayrıca, pompa tipleri ve bunların sulamadaki uygulamaları incelendi. Sonuç olarak, pompa seçimi ve işletme giderleri üzerinde verimin etkisi vurgulandı.

GİRİŞ
Sulama pompaj tesislerinin, en önemli elemanı pompadır. Bir pompaj tesisine en uygun pompa seçiminde, sistemin mevcut durumunun iyi bir şekilde araştırılması ile tesisten tatmin edici bir performans sağlanabilir. Verilen bir sistem için, uygun ve yüksek verimli bir pompa seçiminden önce, sistemin tasarım sınırları, sulama yöntemi ve istenilen esneklik iyi bir şekilde araştırılmalıdır.
POMPA PERFORMANS PARAMETRELERİ
Debi, toplam dinamik yükseklik, pompa mil gücü, verim, emmedeki net pozitif yük ve pompanın özgül hızı, bir santrifüj pompanın performansını tanımlayan parametrelerdir.
2.1. Debi
Pompanın debisi, birim zamanda pompalanan kütlesel veya hacimsel su miktarıdır. Büyüklüğü, pompanın geometrisi ve devir sayısına bağlıdır. Metrik sistemde, m3/s, l /s, l /min, t/h birimleri kullanılır. Pratikte, sulama pompaları için en fazla l /s ve t/h , hidrolik pompaları için ise l /min birimleri tercih edilmektedir. Bunun nedeni, rakamsal büyüklüğünün daha basit ve kolay ifade edilebilmesidir.
2.2. Toplam Dinamik Yükseklik (TDY)
Toplam dinamik yükseklik (TDY), pompa çarkı vasıtasıyla, suyun birim ağırlığının yaptığı iştir (Nm/N). Pompanın giriş ve çıkışı arasındaki suyun taşıdığı enerjideki artış, toplam dinamik yükseklikle belirtilir. Toplam dinamik yükseklik, pompa çıkışı ve girişinde ölçülen, Bernouilli denkleminde yer alan enerji bileşenlerinin toplamları arasındaki fark olup, emme (pe) ve basma (pb) borularına yerleştirilen vakum metre ve manometre ile ölçülür. Pompa çarkı su düzeyi üzerinde ise emme borusundaki basınç değeri negatif işaretli, vakum basıncı (pe) olacaktır. Emme ve basma borusu aynı çapta ise hız farkı sıfıra eşit olur. Bunlara ek olarak her iki göstergenin de pompa ekseninde bulunduğu kabul edilirse pompanın geliştirdiği toplam dinamik yükseklik (TDY),
TDY = (pb+pe)/g
olarak yazılabilir. Diğer deyişle manometre ve vakummetre okumalarının pompa eksenine göre düzeltilmiş ve basıncın su sütunu yüksekliğine çevrilerek toplanan değerleri pompanın toplam dinamik yüksekliğini vermektedir. Hidrolikte basınç ile yükseklik arasındaki ilişki ise şu şekilde ifade edilmektedir.
p = hg
IS birim sisteminde basınç birimi ise kPa olarak kullanılmaktadır. Basıncın su sütunu yüksekliğine çevrilmesi ile TDY in birimi mSS yada pratikte kısaca m olarak ifade edilmektedir.
2.3. Pompa Mil Gücü (NM)
Pompalarda mil gücü, pompalanan suyun debisi, toplam dinamik yükseklik ve pompa veriminin bir fonksiyonudur. Pompanın verdiği güç, su gücü yada hidrolik gücün belirlenebilmesi için, pompalanan suyun debisi ve toplam dinamik yüksekliği bilinmelidir. Hidrolik güç (NH), şu eşitlik ile hesaplanmaktadır.
NH (kW) = Q(l /s)TDY(m)g(kg/l) / 102
NH (BG) = Q(l /s)TDY(m)*g(kg/l) / 75
Herhangi bir mekanik sistemde hesaba katılması gereken, önlenemeyen kayıplar her zaman vardır. Bunun sonucunda belirlenen hidrolik gücü sağlamak için, her zaman daha fazla miktarda güç, pompa miline aktarılması gerekmektedir. Pompa miline aktarılması gereken güç yani mekanik güç (NM), hidrolik güç (NH) ve pompa verimi (hp) belirler. Şu eşitlik ile hesaplanır.
NM (kW) = NH (kW) /hp (%)

2.4. Pompa Verimi (hp)
Pompa verimi(hp), pompa miline verilen gücün, suya aktarılan kısmının yüzdesini ifade eder. Başka deyişle, hidrolik gücün mekanik güce oran ı ile belirlenir.
hp (%) = NH (kW) / NM (kW)
Kayıplar, pratikte tümüyle ortadan kaldırılamadığından dolayı pompa verimi her zaman %100 den küçüktür. Pompalarda kayıplar genelde, hidrolik, mekanik ve hacimsel kaynaklı olmaktadır. Teknoloji ve mühendislik çalışmaları bu kayıpları en aza indirmek gayreti içinde bulunmaktadır. Pompa verimi, esas olarak pompa büyüklüğü, tipi, tasarımı ve yapımında kullanılan malzeme özelliklerine bağlı olarak değişebilmektedir. Büyük debili pompaların verimi genellikle daha yüksek olmaktadır. Pompa verimi, pompa deney standlarında, belirli bir çalışma hızındaki, debi, basınç ve yükseklikler ölçülerek hidrolik güç hesaplanır. Mekanik güç ise elektriksel veya mekanik güç ölçme yöntemleri ile belirlenir. En sağlıklı mekanik güç ölçme yöntemi ise, torkmetre yöntemidir.
2.5. Emmedeki Net Pozitif Yükü (ENPY)
Emmedeki net pozitif yük (ENPY) terimi, pompaların emme koşullarının incelenmesinde kullanılır. Kavitasyonu önlemek için, emme hattındaki herhangi bir noktada mutlak basınç değeri, suyun sıcaklığına bağlı buhar basıncı değerinin altına düşmemelidir. Pompanın emme hattında suyu pompa çarkına taşıyan toplam yararlanabilir enerji olarak tanımlanabilen ENPY, mutlak basınç olarak belirtilen genel emme yüksekliği ile buhar basıncının farkıdır.
ENPY, yabancı literatürde, NPSH harfleri ile simgelenmiş olup, açılımı “ Net Positive Suction Head” dir. Su yüksekliği cinsinden ifade edilmekte ve m birimi ile kullanılmaktadır. Ayrıca, tesis, mevcut, kullanılabilir yada faydalı olarak bilinen ENPY, bundan sonra ENPYT – bunun yabancı literatürdeki karşılığı NPSHA yada NPSHa– , pompaya ait yada gerekli ENPY değeri de ENPYP - bunun da yabancı literatürdeki karşılığı NPSHR yada NPSHr – olarak gösterilecektir.
ENPYT = Ha – ( hse + Hke + hb )
Burada, Ha pompaj tesisinin kurulacağı yerdeki atmosfer basınç yüksekliği (m), hse statik emme yüksekliği (m), Hke emme hattının sürtünme kaybı toplama (düz boru ve armatür kayıpları toplamı) (m) ve hb pompalanan suyun sıcaklığına bağlı buhar basınç yüksekliği (m) dir. ENPYP , değerinin belirlenmesi Kısım 4.4 de açıklanmıştır.
2.6. Pompa Tipi ve Özgül Hız (nq)
Özgül hız (nq veya ns), pompanın bir kademesinin maksimum verim noktasındaki, debi (Q), toplam dinamik yükseklik (TDY) ve pompa devir sayısının (n) bir fonksiyonu olup pompanın tipini belirleyen index sayısıdır.
nq = n* Q 1/2 * (TDY) – 3 / 4
ns = 3.65 * nq
Tanım olarak bir santrifüj pompanın özgül hızı, bu pompaya hidrolik ve geometrik olarak benzeyen ve optimum çalışma durumunda 1 m3/s debiyi 1 m su sütunu (mSS) toplam dinamik yüksekliğe ileten model pompanın dakikada devir sayısıdır.
Özgül hız, 1687 yıllarında Newton tarafından ortaya konulan “ Dinamik Benzerlik” kuralına göre de açıklanabilir. Bu, kurala göre, birbirine geometrik olarak benzeyen pompaların, işletme performansları da benzerlik göstermektedir.
Genellikle yüksek TDY ye sahip pompalar küçük özgül hızlı, düşük TDY ye sahip pompalar ise büyük özgül hızlı pompalardır. Pratikte, düşük özgül hızlı pompaları kullanmak daha avantajlıdır. Çünkü, yüksek devirde çalışırlar, daha küçük yapıda ve daha ucuzdurlar. Bununla beraber, verimleri daha düşük ve yüksek devirden dolayı daha çabuk aşınır ve ömürleri daha kısadır. Santrifüj pompaların debi, özgül hız ve çark tasarımının fonksiyonu olarak teorik pompa veriminin değişimi Şekil 1 de verilmiştir.
Santrifüj pompalarda en doğru sınıflandırma özgül hıza göre yapılabilmektedir. Buna göre santrifüj pompalar radyal, eksenel ve karışık akışlı olmak üzere üç tipte değerlendirilmektedir. Bu pompa tipleri arasında özgül hız bakımından kesin bir sınır bulunmamaktadır. Bununla beraber yapılabilirlilik ve verim açısından pompa tiplerinin özgül hız aralıkları şu şekilde ifade edilmektedir.
Pompa çark tipi nq ns
Radyal akışlı çarklar 12 –35 43-128
Karışık akışlı çarklar 35-160 128-584
Eksenel akışlı çarklar 160-400 584-1460
Pompa tiplerine göre performans özellikleri şu şekilde özetlenebilir. Radyal pompalarda işletme hızı ve debisi düşük, basıncı yüksektir. Eksenel pompalarda ise basınç düşük, debi daha yüksek değerdedir. Bu nedenle, yüksek basınç gerektiren yerlerde radyal, yüksek debi gerektiren yerlerde ise eksenel pompalar kullanılır. Karışık akışlı pompalar gerek debi, gerekse basınç için orta değerdedir.

İŞLETME KOŞULLARININ BELİRLENMESİ
Tesise uygun pompa seçiminden önce, sulama sisteminin gereksinim duyduğu debi ve toplam dinamik yükseklik değerleri belirlenmelidir. Bunun için sisteme ait, debi ve toplam dinamik yükseklik ilişkisini gösteren tesis toplam yük kaybı eğrisinin (TYKE) çizilmesi gerekmektedir. TYKE nin çizilebilmesi için, sistemin geometrisi (geometrik yükseklik, kullanılacak borunun çapı, cinsi, toplam uzunluğu, kullanılması kaçınılmaz olan boru armatür ve donanımları) önceden belirlenmelidir. Sistemde kullanılacak optimum boru çapının belirlemesinde, pompalanan debi ve su hızı önemli rol oynamaktadır. İletilmesi istenen debi için 2±0.5 m/s su hızı esas alınır. Pompaj tesislerinde zorunlu kalınmadıkça borudan akacak suyun hızı hiçbir zaman 3 m/s yi aşmamasına özen gösterilmelidir. Sulamada kullanılan, standart boru çapları için, izin verilen ortalama debiler verilmiştir.
Bir pompaj tesisinin tasarımında önemli rol oynayan ana parametreleri içeren “pompaj tesisi temel denklemi” olarak bilinen aşağıdaki eşitlik iyi analiz edilmelidir.
NM (kW) = [Q (l/s) * TDY (m) * g (kg/l) ] / [ 102 * hp (%)]
3.1. Sistem Debisi (Q)
Bir pompaj tesisinin debisi, sulanacak alan, bitki cinsi, tesisin kurulacağı yerdeki toprak ve iklim özellikleri, sulama yönteminin tipine, verimine ve sulama süresine bağlıdır.
Sistem debisi, kabaca aşağıdaki eşitlik yardımıyla belirlenebilir.
Q (l/s) = A (ha) * q (l /s ha)
Burada, A sulanması istenen alanı, q ise bitki cinsi, toprak ve iklim etkenleri ile sulama yöntemine ait etkenleri içeren, teorik yada uygulamalı olarak belirlenebilen, sulama modülü olarak tanımlanan bir terim olup, değeri değişik Tarımsal Araştırma Enstitüleri tarafından yayınlanan “Bitki Su Tüketim Rehberi”nden alınabilmekte veya toprak-bitki-su ilişkilerini açıklayan temel literatürden hesaplanmaktadır. Orta Anadolu koşulları için kurulacak pompaj tesislerinde sulama modülü 0.5 – 0.75 l /s ha alınmaktadır. Bitki su tüketimi düşük, etkinliği yüksek sulama yöntemi, fazla doğal yağış alan yöreler ve su tutma kapasitesi yüksek olan toprak koşulları için sulama modülünün küçük değerleri, tersi durumda ise daha büyük değerleri alınabilir.
Gerek yer altı gerekse yer üstü su kaynağı, belirlenen bu sistem debisini karşılayıp karşılamadığı kontrol edilmelidir. Eğer su kaynağı bu debiyi karşılamıyorsa, su kaynağını artırmak- örneğin ikinci bir derin kuyu açmak-, alanı azaltmak veya bitki desenine müdahale etmek gibi seçenekler değerlendirilmelidir.
3.2. Sistemin Gereksinim Duyduğu Toplam Dinamik Yükseklik (TDY)
Pompa, verilen bir sulama sisteminde istenilen toplam dinamik yükseklikte istenilen debiyi sağlamalıdır. Belirli bir sistemden, geçen değişik debilerdeki, toplam dinamik yükseklik bileşenlerinin değişimi Şekil 2 de gösterilmiştir.
Geometrisi belirlenmiş bir sistemde, toplam dinamik yükseklik (TDY) aşağıda eşitlikte belirtilen bileşenlerden oluşmaktadır.
TDY = Hg + Hd + Hp + Hf + Hv
Bunlar, Hg geometrik yükseklik, Hd derin kuyu yada su kaynağında debiye bağlı meydana gelen düşüm, Hp sistemin çıkışında istenen basınç veya işletme basıncı, Hf sistemde kullanılan düz boru ve armatürlerde meydana gelen toplam sürtünme kayıpları ve Hv pompalanan suyun hız enerjisidir.
3.2.1. Sistemin geometrik yüksekliği (Hg)
Sistem geometrik yüksekliği, su kaynağı yüzeyi ile suyun iletileceği en üst nokta arasındaki düşey seviye (kot farkı) olup, statik emme yüksekliği ile statik basma yüksekliğin toplamından oluşur. Sistem debisinden bağımsızdır ve tüm debi değerleri için sabittir. Bununla beraber, yıldan yıla, mevsimsel kullanıma ve su kaynağının özelliklerine bağlı olarak değişmesi söz konusu olabilir.
3.2.1.1. Statik emme yüksekliği (hse)
Kaynaktan su çekilmez iken, su kaynağı ile pompa mili ekseni arasındaki kot farkı statik emme yüksekliği olarak tanımlanmaktadır. Eğer su kaynağı, pompa ekseninden aşağıda ise statik emme yüksekliği pozitif; pompa ekseni, su kaynağı düzleminden daha aşağıda ise o zaman statik emme yüksekliği negatif değer almaktadır.
3.2.1.2. Statik basma yüksekliği (hsb)
Yine kaynaktan su çekilmez iken, pompa mili ekseni ile suyun iletildiği kullanım yerinin en üst noktası arasındaki kot farkı, statik basma yüksekliği olarak tanımlanmaktadır. Eğer pompa emdiği suyu aynı düzleme boşaltırsa o zaman statik basma yüksekliği sıfır olur.
3.2.2. Düşüm
Kuyu gibi yer altı su kaynaklarında, statik seviye, kuyudan su pompajı yapılmazken kuyunun su yüzeyi ile yer yüzeyi arasındaki düşey uzaklıktır. Düşüm kuyudan su çekimi ile başlar. Artan debiye göre parabolik bir yükseliş göstermektedir. Düşümün değeri, pompaj debisine, akifer özelliklerine, kuyu boyutuna, kuyunun donanım metoduna ve pompaj süresine bağlı olarak değişir (Şekil 3). Düşüm kuyu tecrübe denemeleri vasıtasıyla belirlenir. Kuyudan çekilen su miktarı artırıldıkça, düşüm de orantılı olarak artar. Fakat, belli bir debi değerinden sonra, bu düşüm daha da büyük artış gösterir. Debi- düşüm eğrisinde bu dönüm yada kırılma noktasına karşılık gelen debi değeri, kuyunun maksimum debisini (Şekil 3, B noktası) verir. Pratikte, bu noktaya karşılık gelen debi değerinin %90 karşılığında alınan debi, kuyu için ekonomik debi olarak bilinir ve pompa seçimi en fazla bu değere göre (Şekil 3, A noktası) belirlenebilir. Kuyu sondajı, donatımı, geliştirme ve tecrübesi ayrı bir çalışma notunda incelenecektir.
3.2.3. İşletme yüksekliği veya çıkış basıncı
Bazı sulama sistemleri, kullanım noktalarında ilave basınç isterler. Bu basıncın değeri sistemin özelliğine göre değişir. Yüksek basınçlı merkezi tek tabancalı yağmurlayıcılar 7 bar , taşınabilir yağmurlama sulama sistemleri 2.5-3.5 bar’a kadar işletme basıcına gereksinim duyarken, damla sulama sistemleri daha düşük, örneğin 0.5-2 bar şiddetinde işletme basıncına gereksinim duymaktadır. Bununla birlikte yüzey sulama sistemleri için işletme basıncı değeri sıfır olabilmektedir. Pratikte, taşınabilir yağmurlama sulama sistemleri için işletme yada çıkış basıncı değeri 3 bar veya eşdeğeri olan 30 mSS olarak alınmakta ve toplam dinamik yüksekliğe eklenmektedir.
3.2.4. Sürtünme kayıpları
Bir borudan su akarken sürtünmeden dolayı yükseklik yada basınç kaybı olur. Bu kayıpların değeri hidrolik formüller veya boru imalatçılarının hazırladığı nomogramlar, tablolar ve eğrilerden elde edilebilir. Pompa, suya sürtünme kayıplarını karşılamak için de enerji aktarmaktadır. Pratikte, bu sürtünme kayıplarını tamamen ortadan kaldırmak mümkün değildir. Mühendislik uygulamaları bu kayıpları en aza indirmek için yapılmaktadır. Belli çaptaki bir borudan geçen debiyi artırdıkça, su hızı da artar. Ancak, sürtünme kaybı, artan su hızının karesi ile artmaktadır. Böylece, çok yüksek işletme masrafları ortaya çıkmaktadır. Bundan dolayı, uygulamada belli çaplardan belirli debilerin iletilmesine izin verilir (Tablo 1).
Sürtünme kayıplarını, ayrıca, boru uzunluğu ve sistemde kullanılan armatürlerin fazlalığı ile boru cinsine bağlı sürtünme katsayısının büyüklüğü de artırmaktadır. Bu nedenle sistemin geometrisini planlarken, sürtünme kayıplarını en aza indirebilecek düzenlemeler üzerinde durmak son derece önem kazanmaktadır. Bu, özellikle emme donanımı olan pompaj tesislerinin, emme hatlarının düzenlenmesinde hassasiyet göstermeyi gerektirmektedir. Çünkü, artan emme hattı sürtünme kayıpları, ENPYT değerini azaltacağından, kavitasyon riskini yükseltmektedir. Bir pompaj tesisinde toplam kayıplar genel olarak aşağıda eşitlik ile belirlenmektedir.
Hf = (l L v2 ) /(D*2g) + åk * v2 /2g .................(Hızın fonksiyonu olarak)
Hf = (l Leş v2 ) /(D2g) ..................(Eşdeğer boru boyu cinsinden)
Hf = 0.0827[(l* L ) /D5 + åk /D4]Q2 .................(Debinin fonksiyonu olarak)
Hf = 0.0827[(l* Leş ) /D5]*Q2 ..................(Eşdeğer boru boyu cinsinden)
Burada, l boru cinsine bağlı sürtünme katsayısı Moody diyagramından bulunur, pratikte kabaca 0.015 – 0.025 arasında alınabilir. L iletim hattında kullanılan düz boru uzunluğu m, v su hızı m/s, D boru çapı m, g yer çekimi ivmesi 9.81 m/s2, åk hatta kullanılan armatür yada boru parçalarının toplam şekil kayıp katsayısı, Leş hattaki düz boru uzunluğu ile armatürlerin eşdeğer düz boru boyu karşılığı toplamı m ve Q iletilen debi m3/s dir.
3.2.5. Hız yüksekliği
Hız yüksekliği, suyun kinetik enerjisi olup, şu eşitlikle belirlenir.
Hv = v2 /2g
Pompaj tesislerinde hız yüksekliği genellikle 0.3 m den daha küçüktür. Çünkü, hız yüksekliği su hızının karesiyle artmaktadır, ancak sürtünme kayıpları da su hızının karesiyle arttığı için, pratikte bir fayda sağlamamaktadır. Su hızının artışı ayrıca, su darbelerinin oluşumuna da neden olabileceğinden, hız daha önce de ifade edildiği gibi genellikle 2±0.5 m/s aralığında olması arzu edilmektedir.
3.2.6. Sistem yüksekliği değişimleri
Toplam sistem yüksekliği zamanla değişime uğrayabilir. Buna, kuyu düşümü, sürtünme, işletme koşulları ve sulama sezonuna bağlı olarak statik su seviyesindeki olası değişiklikler neden olabilir. Boru ve armatürlerin korozyona uğraması veya eskimesinden dolayı sürtünme kayıpları artar. Statik su seviyeleri de yağışın yıldan yıla değişmesi veya sulama sezonunda su kaynağından aşırı su çekilmesi de toplam sistem yüksekliğini etkileyen önemli etkenlerdendir.
Bazı sistemlerde, sistem yüksekliği periyodik değişikliklere uğrayabilir. Toplam dinamik yüksekliklerin değişimini karşılayabilecek etkide bir pompa seçmek mümkün olmayabilir. Bazı durumlarda ek yükseklikleri karşılamak için esas pompaya seri bağlanabilecek ek bir pompa gerekli olabilir. Bu düzenleme yağmurlama sulama sistemlerinde tarla köşelerindeki yağmurlama başlıklarının çalıştırılması ve merkezi tek tabancalı yağmurlayıcılar için gerekli olan ek basıncı sağlamakta sıklıkla kullanılır.