RÜZGAR TÜRBİNİ KANAT TASARIMI VE...
Transcript of RÜZGAR TÜRBİNİ KANAT TASARIMI VE...
T.C.DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİMAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
RÜZGAR TÜRBİNİ KANAT TASARIMI VE ANALİZİ
BİTİRME PROJESİ
Kemal Bahadır POTUK
Projeyi Yöneten
PROF.Dr.Cesim ATAŞ
Ocak 2015 İZMİR
I
TEZ SINAV SONUÇ FORMU
Bu çalışma … / … / …. günü toplanan jürimiz tarafından BİTİRME PROJESİ
olarak kabul edilmiştir. Yarıyıl içi başarı notu 100 (yüz) tam not üzerinden ……… ( …………….…. ) dir.
Başkan Üye Üye
Makine Mühendisliği Bölüm Başkanlığına, ………………….. numaralı ………………… jürimiz tarafından … / … / …. günü
saat …… da yapılan sınavda 100 (yüz) tam not üzerinden ……. almıştır.
Başkan Üye Üye
ONAY
2
TEŞEKKÜR
Almakta olduğum makina mühendisliği eğitimimin sonuna gelmiş bulunuyorum. Mesleğimizin
ayrıntılarını öğrenmek, başarılı bir makina mühendisi olabilmak için önümde aşmam gereken bir çok
engel bulunduğunun farkında olarak; Bitirme proje konumu öneren ve projenin tüm aşamalarında
destek ve yardımlarını esirgemeyen değerli hocam Sayın Prof.Dr. Cesim ATAŞ ’a teşekkürlerimi
sunarım.
Kemal Bahadır POTUK
3
ÖZET
Bu çalışmada İzmir ili Çeşme yakınlarında çalışacağı düşünülen 20 kW’ lık elektrik üretim
gücüne sahip 11 m çapında kanat açıklığı bulunan yatay eksenli ve 3 kanatlı bir rüzgar
türbininin bir kanadının solidworks programında modellenmesi yapılmış ve sonrasında ansys
programında akış ve statik analizleri yapılmıştır. Kanat modellenirken tüm kanat boyunca S
809 profili kullanılmıştır ve kanat formunda kıvrılma mevcuttur.
4
İÇİNDEKİLER
Bölüm Bir
1.RÜZGAR ENERJİSİNE GİRİŞ ...................................................................................................... 9
1.1.RÜZGAR................................................................................................................................. 9
1.2. RÜZGAR ENERJİSİ .............................................................................................................. 9
1.3. RÜZGAR GÜCÜNDEN ELEKTRİK ENERJİSİ ÜRETİMİNİN TARİHÇESİ ...................... 11
Bölüm İki
2. RÜZGAR TÜRBİNLERİ ............................................................................................................. 19
2.1. RÜZGAR TÜRBİNİ ÇEŞİTLERİ ......................................................................................... 19
2.1.1. YATAY EKSENLİ RÜZGAR TÜRBİNLERİ ................................................................ 19
2.1.2. DİKEY EKSENLİ RÜZGAR TÜRBİNLERİ.................................................................. 23
Bölüm Üç
3. RÜZGAR TÜRBİNİNİN ELEMANLARI ................................................................................... 25
3.1. KULE ................................................................................................................................... 27
3.2. ROTOR KANATLARI ......................................................................................................... 29
3.3. RÜZGAR TÜRBİNİ FREN SİSTEMİ ................................................................................... 30
3.4. DİŞLİ KUTUSU ................................................................................................................... 31
3.5. YAW SİSTEMİ .................................................................................................................... 32
5
Bölüm Dört
4. RÜZGAR TÜRBİNİ AERODİNAMİĞİ ...................................................................................... 34
4.1 FAYDALANILABİLİR GÜÇ BAĞINTISI ............................................................................ 34
4.2 KANAT ELEMANI TEORİSİ ............................................................................................... 36
4.2.1 KANAT KESİT GEOMETRİSİ ...................................................................................... 38
Bölüm Beş
5. KANADIN MODELLENMESİ ................................................................................................... 33
Bölüm Altı
6. AKIŞ ANALİZİ ........................................................................................................................... 45
Bölüm Yedi
7. STATİK ANALİZ ....................................................................................................................... 49
6
ŞEKİL LİSTESİ
Şekil 1.1 Yelkenli gemi.................................................................................................................... 10
Şekil 1.2 Yel değirmeni ................................................................................................................... 10
Şekil 1.3 Yel değirmeni ................................................................................................................... 11
Şekil 1.4 La Cour – Lykkegard wind turbine in Denmark ................................................................. 13
Şekil 1.5 Smidth “ Aeromotor “ with concrete tower ........................................................................ 14
Şekil 1.6 Smidth “ Aeromotor ” with three bladed rotor ................................................................... 14
Şekil 1.7 Vision of a large wind power plant by Hermann Honnef .................................................... 15
Şekil 1.8 Man-Kleinhenz ................................................................................................................. 15
Şekil 1.9 Russian wind turbine Wıme D-30 ...................................................................................... 16
Şekil 1.10 Jacobs “ wind charger “ ................................................................................................... 16
Şekil 1.11 Smith – Putnam wind turbine, in Vermont, USA ............................................................. 17
Şekil 1.12 Offshore rüzgar santrali ................................................................................................... 18
Şekil 2.1 Tek kanatlı rüzgar türbini .................................................................................................. 20
Şekil 2.2 Çift kanatlı rüzgar türbini .................................................................................................. 21
Şekil 2.3 Üç kanatlı rüzgar türbini .................................................................................................... 22
Şekil 2.4 Çok kanatlı rüzgar türbini .................................................................................................. 23
Şekil 2.5 Dikey eksenli rüzgar türbini .............................................................................................. 24
Şekil 3.1 Rüzgar türbininin şematik gösterimi .................................................................................. 25
7
Şekil 3.2 Rüzgar türbininin iç görünümü .......................................................................................... 25
Şekil 3.3 Rüzgar türbininin elemanları ............................................................................................. 26
Şekil 3.4 Kafes kule ......................................................................................................................... 28
Şekil 3.5 Tüp kule iç görüntüsü ........................................................................................................ 29
Şekil 3.6 Rotor kanadı ..................................................................................................................... 30
Şekil 3.7 Rüzgar türbini dişlileri ...................................................................................................... 31
Şekil 3.8 Rüzgar türbini dişli kutusu ................................................................................................ 32
Şekil 3.9 Yaw sistemi ...................................................................................................................... 33
Şekil 4.1 Rüzgar pervanesi ve rüzgar hızının değişimi ..................................................................... 34
Şekil 4.2 N adet bölüme ayrılmış kanat yarıçapı ............................................................................... 36
Şekil 4.3 Bir pervanenin kanat kesiti ................................................................................................ 37
Şekil 4.4 Burulmuş ve burulmamış kanatta itme kuvvetinin yarıçap boyunca dağılımının
karşılaştırılması ............................................................................................................................... 37
Şekil 4.5 Rüzgar türbininin çevresel dönüşü ve üzerine dik gelen rüzgar hızı.................................... 38
Şekil 4.6 Kanat kesit geometrisi ve üzerine gelen kuvvetler.............................................................. 39
Şekil 5.1 Düzlemler ......................................................................................................................... 34
Şekil 5.2 Kanat profili koordinatları ................................................................................................. 35
Şekil 5.3 Ön düzlem görünüşü ......................................................................................................... 36
Şekil 5.4 Kanat profilinin çıkartılması .............................................................................................. 37
Şekil 5.5 Kanat profili ...................................................................................................................... 37
Şekil 5.6 Chord line ......................................................................................................................... 38
Şekil 5.7 Twist axial ........................................................................................................................ 39
Şekil 5.8 Kanat profilinin döndürülmesi ........................................................................................... 39
Şekil 5.9 Kanat profillerinin çakıştırılması ....................................................................................... 40
Şekil 5.10 Kanat profillerinin tamamlanmış hali ............................................................................... 40
Şekil 5.11 Profillerin loft komutu ile birleştirilmesi .......................................................................... 41
Şekil 5.12 Profillerin loft komutu ile birleştirilmesi .......................................................................... 41
Şekild 5.13 Kanadın loft edilmiş hali ............................................................................................... 42
Şekil 5.14 Kanat kirişi ..................................................................................................................... 42
Şekil 5.15 Kanadın tamamlanmış hali .............................................................................................. 43
Şekil 5.16 Kanadın tamamlanmış hali .............................................................................................. 43
8
Şekil 5.17 Kanadın tamamlanmış hali .............................................................................................. 44
Şekil 6.1 Kanadın workbench’ e import edilmesi ............................................................................. 45
Şekil 6.2 Kontrol hacminin oluşturulması ........................................................................................ 46
Şekil 6.3 Kontrol hacminin oluşturulması ........................................................................................ 46
Şekil 6.4 Kontrol hacmi ................................................................................................................... 47
Şekil 6.5 Kontrol hacminin meshlenmesi ......................................................................................... 47
Şekil 6.6 Kontrol hacmi sınır şartları ................................................................................................ 48
Şekil 6.7 Basınç dağılımı ................................................................................................................. 48
Şekil 7.1 Kanat profiline etki eden kaldırma ve sürükleme kuvveti ................................................... 49
Şekil 7.2 Statik analiz ...................................................................................................................... 50
Şekil 7.3 Statik analiz için mesh işlemi ............................................................................................ 50
Şekil 7.4 Statik analiz için sınır şartları ............................................................................................ 51
Şekil 7.5 Von-mises gerilme değeri .................................................................................................. 51
Şekil 7.6 Bileşik Gerilme ................................................................................................................. 52
9
BÖLÜM BİR
GİRİŞ
1.RÜZGAR ENERJİSİNE GİRİŞ
1.1.RÜZGAR
Havanın ısınması ısınan kütlenin genişlemesine, dolayısı ile harekete geçerek yükselmesine
neden olur. Ancak yükselen hava kütlesi atmosferin dışına çıkamayacağından, önce dikey sonra
yatay yönde hareket eder. İşte bu noktada havanın ısınıp kütlesel olarak yer değiştirmesi,
basıncın oluşmasına neden olur. Ancak atmosferin yaptığı basınç dünyanın her yerinde aynı
değildir. Çünkü yerçekimine, sıcaklığa ve bulunulan yerin yüksekliğine bağlı olarak değişir. Bu
şekilde yüksek ve alçak basınç merkezleri oluşur. Hava akıcı olduğundan, çekimin etkisi
altında yüksek basınç alanlarından alçak basınç alanlarına doğru hareket eder ve rüzgarları
meydana getirir.
1.2. RÜZGAR ENERJİSİ
Rüzgar enerjisi, rüzgarı oluşturan hava akımının sahip olduğu hareket (kinetik) enerjisidir.
Bu enerjinin bir bölümü yararlı olan mekanik veya elektrik enerjisine dönüştürülebilir.
Rüzgarın gücünden yararlanılmaya başlanması çok eski dönemlere dayanır. Rüzgar gücünden
ilk yararlanma şekli olarak yelkenli gemiler ve yel değirmenleri gösterilebilir. Daha sonra tahıl
öğütme, su pompalama, ağaç kesme işleri için de rüzgar gücünden yararlanılmıştır. Günümüzde
daha çok elektrik üretmek amacıyla kullanılmaktadır.
10
Şekil 1.1 Yelkenli gemi
Şekil 1.2 Yel değirmeni
11
Şekil 1.3 Yel değirmeni
1.3. RÜZGAR GÜCÜNDEN ELEKTRİK ENERJİSİ ÜRETİMİNİN TARİHÇESİ
Binlerce yıldır teknelerin yelkenini şişiren, mısır ve buğday öğütmekte kullanılan rüzgar
enerjisi, artık ortak enerji üretimi için esmektedir. İnsanlık yel değirmenlerinden, modern
rüzgar santrallerine doğru uzanan teknolojik bir süreç yaşamıştır. Fosil yakıtların ucuzluğu
yedeniyle yeterli seviyede önemsenmeyen rüzgar enerjisi, 1970’li yıllardaki petrol krizleri
nedeniyle tekrar hatırlanmıştır. 1980 sonrasındaki gelişmelerle, Avrupa ve ABD’de rüzgar
santralleri ekonomi, çevre ve enerji açısından çağdaş mühendislik ürünleri haline gelmiştir.
Rüzgar Türbinlerinin seri üretimine geçilmesi ile bu alandaki yatırımlar ve türbin üzerindeki
gelişmeler gün geçtikçe artmış ve rüzgar santralleri kurulmuştur. Önceleri kara parçaları
üzerinde kurulan rüzgar santralleri, artık denizlerin üzerine (Alarga – Offshore) kurulmaktadır.
1970’li yılların sonlarında, rüzgar enerjisi sağlayan küçük rüzgar türbinleri, diğer alternatif
enerjilerle karşılaştırıldığında, yatırım maliyetlerinin azlığı ve gelişen teknolojilerin etkisiyle,
12
pek çok kişinin ilgisini çekmiştir. 1979–1985 yılları arasında uygun devlet kredileri ile
4500’den fazla 1 ile 25kW arasında değişen güçlerde rüzgar santralleri yapılmıştır. Aynı
dönemde çeşitli özellikte 1000 adet uzaktan kontrollü sistem tesis edilmiştir.
Dünyanın ilk elektrik enerji santralleri 500 kW güce sahip olup, 1882 yılında Newyork’ da
ve 1884 yılında Berlin’ de kurulmuştur. 1891 yılında üç fazlı elektriğin bulunması ile elektrik
enerji santralleri de hızla değişip gelişmiştir. 20. Yüzyılın başlarında ise artık tüm şehirler
elektriği kullanmaya başlamışlardır. Büyük şehirlerde elektrik kullanılmaya başlandıktan sonra
kırsal kesimde yaşayan insanlar için elektrik kullanımı hala mümkün değildi. Rüzgar enerjisi
yardımı ile elektrik enerjisi üretiminin ilk denemeleri de bu şekilde başlayacaktı.
Avrupa ve Amerika yel değirmenleri konusunda zirvelerini yaşamakta olsalarda, rüzgar
gücünden elektrik elde etme konusunun sistematik bir şekilde amaç edinilmesi Danimarka’ da
olmuştur.
Poul La Cour ismindeki profesör tarihi yel değirmenlerinden, rüzgar gücünü elektrik
enerjisine çeviren modern rüzgar türbinlerine geçiş konusunda bir dönüm noktası ve bunun
öncüsü olmuştur. Poul La Cour kırsal kesimlere elektrik götürmenin yollarını araması için
Danimarka hükümeti tarafından desteklenmiştir. La Cour bir jeneratörü döndüren deneysel bir
rüzgar türbini yapmıştır. Dikkat çekici konu ise, enerjinin depolanması konusunu ele almasıdır.
La Cour rüzgar türbininden ürettiği doğru akımı elektroliz için kullanmış ve hidrojen gazı elde
ederek bunu depolamıştır. Bunu kullanan gaz lambaları ile de Askov, Danimarka’ daki okulun
aydınlatılmasını sağlamıştır. Daha sonar rüzgar türbini konusundaki çalışmalarını genişletmiş
ve iyi dizayn edilmiş bir test ünitesi kurmuştur. Ve muhtemelen rüzgar tünelini inşa edip testini
yapan ilk kişi olmuştur. 1903 yılında Danimarkalı rüzgar enerjisi mühendisleri topluluğunu
kurmuştur. 1908 yılına kadar da 72 rüzgar türbini inşa etmiştir. 1. Dünya savaşı sırasında petrol
fiyatlarındaki dramatic artış rüzgar türbinlerinin gelişmesini hızlandırmıştır. Bundan dolayı
1918’ lere gelindiğinde 120 rüzgar türbini kurulu ve çalışır vaziyette idi. Lykkegard adlı şirket
La Cour’ un çalışmalarını endüstriyel kullanıma çevirmek için kurulduktan sonra 10 - 35 kW
arasında güce ve çapı 20 metreyi bulan rotora sahip rüzgar türbinleri ürettiler.
13
Şekil 1.4 La Cour – Lykkegard wind turbine in Denmark
( rotor diameter 18 m, approx. 30 kW power output at 12 m/s wind speed )
La Cour – Lykkegard ortaklığına alternatif olarak daha modern tasarımlar ile bu sektöre
girenler de oldu. F. L. Smidth şirketi normalde çimento üretimi için makina üretimi yapan bir
firma iken, savaş sırasında fabrikaları çökmüş ve daha sonra “ Aeromotor “ adını verdikleri
17.5 m rotor çapına sahip, 11 m/s rüzgar hızında 50 kW elektrik üreten rüzgar türbinini
geliştirerek bu sektöre girmişlerdir. Bu tasarımda rotor iki kanada sahip olup lamine ahşaptan
imal edilmiştir. Rotor kanat profillerinde herhangi bir dönme açısı bulunmamaktadır. Ve kanat
pitch hareketi yapma kabiliyetine sahip değildir. Dönme hızı aerodinamik frenleme ile istenilen
değerde tutulmaktadır. Bu tasarımdan 12 adet rüzgar türbini imal edilmiştir. Çoğunluğu beton
kule üzerinde olmka üzere çelik kafesli kule üzerine kurulanları da vardır.
14
Şekil 1.5 Smidth “ Aeromotor “ with concrete tower
( rotor dia. 17.5 m, rated power approx.. 50 kW )
İki kanatlı rotorların dinamik karakteristiklerindeki problemlerden dolayı firma daha büyük
ve üç kanatlı bir rüzgar türbini geliştirmiştir. 24 m. rotor çapına sahip bu rüzgar türbini 10 m/s
rüzgar hızında 70 kW elektrik üretmiştir. Bu tasarımdan da 7 adet üretilmiş ve hepside beton
kuleye sahiptir.
Şekil 1.6 Smidth “ Aeromotor ” with three bladed rotor
15
Çeşitli ülkelerden farklı tasarımlar ile araştırmacılar bu konu üzerinde çalışmışlar ve sonunda
günümüzün modern rüzgar türbinleri tasarlanmaya başlamıştır. Aşağıda günümüze kadar tasarlanan
farklı yapıdaki rüzgar türbinleri görülmektedir.
Şekil 1.7 Vision of a large wind power plant by Hermann Honnef
( 5 rotors, each with 160 m diameter, 20 000 kW power output )
Şekil 1.8 Man-Kleinhenz
( rotor diameter 130 m, rated power 10 000 kW )
16
Şekil 1.9 Russian wind turbine Wıme D-30
( rotor diameter 30 m, rated power 100 kW )
Şekil 1.10 Jacobs “ wind charger “
( rotor diameter about 4 m, rated power 1.8 to 3 kW )
17
Şekil 1.11 Smith – Putnam wind turbine, in Vermont, USA
( rotor diameter 53.3 m, rated power 1 250 kW )
En küçük rüzgar türbinleri 1982 yılında California piyasasına girdiğinde, Danimarka’da uzun
süredir kullanılmaktaydı. California’da 1979–1985 yılları arasındaki devlet yardım programı etkisini
göstermiş ve 1981 yılında 150 adet olan küçük rüzgar türbini sayısı, 1985 yılı sonlarında 16000’e
ulaşmıştır. California’daki bütün rüzgar türbinlerinin %75’ine ortak olan Danimarkalı üreticiler,
55kW’lık rüzgar türbinleri için bir endüstri kurmuşlardır. Danimarkalı rüzgar türbini üreticileri,
bugün bile dünya çapındaki piyasada en büyük üretici olma özelliğini elinde bulundurmaktadır.
1985 yılında 25m kanat çapında ve 250kW gücündeki rüzgar türbini prototipi California’da yapılmış
ve kısa bir zaman içinde piyasaya sürülmüştür. Danimarka da ise piyasayı canlı tutmak amacıyla ev
tipi rüzgar türbinleri tekrar geliştirilerek piyasaya sürülmüştür. Bugün bile 0,1–10kW arasında
bağımsız çalışan çeşitli güçlerde ev tipi rüzgar türbinleri imal edilmektedir.
Küçük rüzgar türbinlerinin gelişmesine paralel olarak, 1976–1980 yılları arsında piyasanın talebi
üzerine birkaç ülke büyük rüzgar türbinleri için yatırım yapmıştır. Almanya ve dünyada, büyük
rüzgar türbinlerinin geliştirilmesi için milyon marklar harcanmış, fakat teknik problemlerle
karşılaşılıp olumsuz düşünceler ortaya çıkınca, destek azalmıştır. İkinci büyük rüzgar türbini üretimi
maliyet ve performans bakımından başarılı olmasına rağmen tüketiciler tarafından ilgi görmemiştir.
Böylece büyük rüzgar türbinlerinin geliştirilmesi mümkün olmamıştır.
1989 yılından itibaren Almanya’da rüzgar türbinleri teknolojisi hızla gelişmiştir. Rotor çapı 25m,
çıkış gücü 150-250kW olan rüzgar türbinleri imal edilmiş ve bunu rotor çapı 30-35m, çıkış gücü
300kW’dan büyük türbinler izlemiştir. Bu türbinler 2–3 yıl piyasaya egemen olmuştur. 1992
18
Ağustos ayında ilk Tacke-Windtechnik’in yaptığı 500kW’lık rüzgar türbini çalışmaya başlamıştır.
Bunu ENERCON’un E40 ve diğer Avrupalı üreticilerin ürettiği türbinler takip etmiştir. 500kW’lık
rüzgar türbinlerinin gelişmesi için 37m kanat çapında rotor imalatına başlanmıştır. Bunu 46m
çapında ve 600kW gücünde ve özellikle iç bölgelerde, düşük rüzgarlı alanlarda kullanılmak üzere
dizayn edilmiş rüzgar türbinleri izlemiştir. Tacke-Windtechnik’in yaptığı 500kW’lık rüzgar
türbinlerinden dört yıl sonra 1996 yılı sonlarına doğru ENERCON 66m çaplı 1,5 MW gücünde
rüzgar türbini üretmeye başlamıştır. Bu ilerlemeyi; 66m çaplı ve 1,65 MW gücündeki türbinler
izlemiştir. Artık günümüzde karadaki uygulamalar için 70m, 80m hatta 100m rotor çaplı ve 2 MW
ve üzeri güçlerdeki bir rüzgar türbini görmek olağan dışı değildir.
Rüzgar enerjisi bakımından deniz alanları karalara göre daha büyük zenginlik gösterdiği için
denizlerde de deniz üstü (Offshore - Alarga) rüzgar santralleri kurulmasına başlanmıştır. Birinci
etapta kıyıdan uzaklığı 10km’ yi ve derinliği 10m’ yi geçmeyen alanlar hedeflenmiştir. İlk deniz
üstü rüzgar çiftliği 5 MW güçle Danimarka’da Lolland adası yakınlarında kurulan Vindeby rüzgar
çiftliğidir. Diğer ülkeler (İngiltere, İsveç) ile birlikte Avrupa’ da şu anda 12MW’ lı offshore santrali
çalışır durumdadır. Ve Avrupa bu kurulu gücünü 180MW’ a çıkarmayı planlamaktadır. 2030 yılında
ise Avrupa da rüzgar enerjisi kurulu gücünün %25’ ini Offshore rüzgar türbinlerinin oluşturacağı
beklenmektedir.
Daha yüksek enerji elde etme rüzgar enerjisinde genel amaçtır. Yüksek enerji üreten ve daha
uzun ömürlü santral kurulması için Avrupa da uygun yer bulunamadığından Offshore Rüzgar
santralleri kullanıma geçmiştir. Deniz üzerinde olduklarından dolayı, kurulum maliyeti karadakilere
oranla çok daha fazladır. Bu durum büyük bir dezavantaj oluşturmasına rağmen 50 MW ve üzeri
projelerde tercih edilmektedirler.
Şekil 1.12 Offshore rüzgar santrali
19
BÖLÜM İKİ
2. RÜZGAR TÜRBİNLERİ
2.1. RÜZGAR TÜRBİNİ ÇEŞİTLERİ
Tarih boyunca çeşitli evrimler geçiren rüzgar makinelerinde kullanılan türbinler farklı
tiplerdedir. Şimdiye kadar değişik nitelikte ve tipte geliştiren bu rüzgar türbinlerinden bazıları
günümüzde ticari hale gelmiştir. Rüzgar türbinleri dönme eksenine göre üç gruba ayrılırlar:
Yatay eksenli rüzgar türbinleri
Dikey eksenli rüzgar türbinleri
Eğik eksenli rüzgar türbinleri
2.1.1. YATAY EKSENLİ RÜZGAR TÜRBİNLERİ
Bu türbinlerde; dönme ekseni rüzgar yönüne paralel, kanatlar rüzgar yönüne diktir. Bu
türbinlerde rotor kanatlarının sayısı azaldıkça rotor daha hızlı dönmektedir. Bu türbinlerin
verimi yaklaşık %45’dir. Yatay eksenli rüzgar türbinleri genel olarak yerden 20-30m yüksekte
ve çevredeki engellerden 10m yüksekte olacak şekilde yerleştirilmelidir. Rüzgar hızının, rotor
kanadı uç hızına bölünmesi ile elde edilen orana kanat uç hız oranı (λ) denir. Eğer;
λ = 1-5 ise çok kanatlı rotor
λ = 6-8 ise üç kanatlı rotor
λ = 9-15 ise iki kanatlı rotor
λ ≥ 16 ise tek kanatlı rotor kullanılır.
20
2.1.1.1. TEK KANATLI RÜZGAR TÜRBİNLERİ
Tek kanatlı rüzgar türbininin yapılmasının sebebi, kanat sayısına göre dönme hızının yüksek
olması ve bu sayede makine kütlesini ve rotorun döndürme momentini azaltmaktır. Ek olarak
rotor kanadı, kanat üzerindeki yapısal yükleri azaltacak mekanizma ve kanat mekanizma
hareketinin pürüzsüz olabilmesi için, tek menteşe ile sabitleştirilip, 2 karşı ağırlıkla
dengelenmelidir. Diğer taraftan tek kanatlı rotorlarda, ilave yüklerden ortaya çıkan
aerodinamik balanssızlık ve mekanizma hareketinin kontrol altında tutulması için hub çok iyi
yapılmalıdır. MBB firması tarafından tasarlanan, her birinin tesis gücü 630kW olan ve rotor
çapı 56 m olan üç tip rüzgar türbini Almanya’nın Wilhelmshaven yakınında çalışmaktadır. En
önemli ticari dezavantajı, 120m/sn civarındaki kanat uç hızının sebep olduğu rotorun
aerodinamik gürültü seviyesidir. Bir kanatlı rüzgar türbininin kanat uç hızı, üç kanatlı rüzgar
türbini ile karşılaştırıldığında, iki kat daha yüksektir ve daha fazla gürültü içermektedirler.
Almanya halkı, gürültü ve görsel rahatsızlık nedeniyle bu rüzgar türbinlerinin piyasada
kullanılmasına şans tanınmamıştır.
Şekil 2.1 Tek kanatlı rüzgar türbini
2.1.1.2.ÇİFT KANATLI RÜZGAR TÜRBİNLERİ
Üç kanatlı türbinlere göre rotor maliyetinin azaltılmak istenmesi bu türbin fikrini
doğurmuştur. Birçok ülkede 10 ila 100m rotor çaplı ölçülerde rüzgar türbinleri tasarlanıp,
Avrupa ve ABD’de çalışmaya başlamıştır. Bu ticari rüzgar türbinlerinden sadece birkaç tanesi
prototip durumundan, seri üretime geçebilmiştir.
21
İki kanatlı rotorun balansı, bir kanatlı rotora göre daha düzgündür. Fakat maalesef iki kanatlı
rotorun sebep olduğu dinamik hareketleri önlemek için ilave teknik güç, maliyetin daha fazla
artışına sebep olmaktadır. Hub’ın titreşimi azaltmak için rotora kadran sistemi ilave edilmiştir.
Bu kadran, rotor şaftına dikey ve iki rotor kanadına dik yerleştirilir. Üç kanatlı rotorla
karşılaştırıldığında en büyük avantajı; kanat uç hızlarının yüksek olmasıdır. Bu rüzgar
türbininin gürültü seviyesinin yüksek olması ve düşük rüzgar hızlarında (3m/sn) çalıştırılması
dezavantajıdır. Günümüzde iki kanatlı rotor, şimdi birkaç ünitedir ve en az bir an için artan
piyasaya dikkat edecek olursak iki kanatlı rotora hiçbir eğilim bulunmamaktadır.
Şekil 2.2 Çift kanatlı rüzgar türbini
2.1.1.3. ÜÇ KANATLI RÜZGAR TÜRBİNİ
Üç kanatlı modern türbinler, dünyanın her tarafında kullanılmaktadır. Üç kanat kullanımının
asıl sebebi, dönme momentinin daha düzgün olmasıdır. Bu türbinde, türbinin yapısı üzerinde
depolanan yüklerden dolayı salınım yapan atalet momenti olmadığından, hub içinde titreşimi
önleyici pahalı parçalara gerek yoktur. Kanat uç hızı 70m/sn altında olduğundan gürültünün
düşüklüğü, sarsıntısız döndükleri için göz estetiğini bozmamaları önemli bir avantaj olup, halk
tarafından kabulünü sağlamıştır. Küçük güçlü rüzgar türbinlerinde, üç kanatlı rotor
kullanıldığında güç problemleri ortaya çıkar. Bu problemin çözümü için düşük devirde dönen
22
rotorun devir sayısını 1/n oranında arttıran dişliler kullanılır ve “Cut in” olarak adlandırılan hız
değerine ulaşıncaya kadar, jeneratör boşta çalıştırılır.
Şekil 2.3 Üç kanatlı rüzgar türbini
2.1.1.4. ÇOK KANATLI RÜZGAR TÜRBİNİ
Çok Kanatlı rüzgar türbinleri, rüzgar türbinlerinin gelişmemiş ilk örnekleridir. Yıllarca
sadece su pompalamasında kullanılan bu türbinler, bu işlemdeki moment gereksiniminin
karşılanabilmesi amacıyla, çok kanatlı olarak üretilmiştir. Çok kanatlı rüzgar türbinleri düşük
hızda çalışırlar. Türbin kanatlarının genişlikleri, pervane göbeğinden uçlara gidildikçe artım
gösterir. Pervane mili, dişli kutusuna bağlanarak, jeneratör mili devir sayısı artırılır ve
otomobillerde uygulama alanı bulan jeneratörler kullanılır. Rüzgargülleri, rüzgargülü pervane
düzleminin rüzgar hız vektörünü her zaman dik olarak alabilmesi için de, rüzgargülü
yönlendiricisi taşımaktadırlar.
23
Şekil 2.4 Çok kanatlı rüzgar türbini
2.1.2. DİKEY EKSENLİ RÜZGAR TÜRBİNLERİ
Dönme eksenleri rüzgar yönüne dik ve düşey olan bu türbinlerin kanatları da düşeydir.
Dikey eksenli rüzgar türbinleri rüzgarı her yönden kabul edebilme üstünlüğüne sahiptir. Bu
türbinler rüzgarı sürükler veya kaldırır. İlk harekete geçişleri güvenilir değildir. Bu türbinlerin
verimi yaklaşık %35’dir Türbinlerin üreteç ve vites kutusu toprak seviyesinde
kurulabildiğinden kuleye gerek duymazlar. Bu yüzden düşük rüzgar hızlarında çalışmak
zorunda kalırlar ve “Yaw” mekanizmasına ihtiyaçları yoktur. Düşük rüzgar hızları ve az
miktarda su pompalamak için tasarlanmışlardır.
Kanat sayısının artması malzeme ağırlığını da beraberinde getirdiğinden, yüksek rüzgar
hızlarında verimsiz çalışır. Rotor çapı 5m olan türbinden yaklaşık 0,5kW güç elde edilir. Bu
türbinleri yer yüzeyine bağlayabilmek için çelik halatlara gereksinim duyulmaktadır.
24
Şekil 2.5 Dikey eksenli rüzgar türbini
25
BÖLÜM ÜÇ
3. RÜZGAR TÜRBİNİNİN ELEMANLARI
Şekil 3.1 Rüzgar türbininin şematik gösterimi
Şekil 3.2 Rüzgar türbininin iç görünümü
26
Şekil 3.3 Rüzgar türbininin elemanları
Şekilde görülen türbin bileşenleri aşağıda belirtilmiştir.
27
1. Hub
2. Kanatlar
3. Hidrolik İstasyon
4. Yönlendirme Sistemi Elemanları
5. Yönlendirme Sistemi Kontrol Dişlileri
6. Ana Dişli Kutusu
7. Fren Diski
8. Jeneratör Kuplajı
9. Jeneratör
10. Titreşim Sensörü
11. Anemometre
12. Rüzgar Yönü Belirleme Sensörü
13. Alt Muhafaza Kutusu
14. Üst Muhafaza Kutusu
15. Yönlendirme Sistemi Ana Dişlisi
16. Yönlendirme Sistemi Fren Diski
17. Yönlendirme Sistemi Kalibrasyonu
18. Kablo Geçiş Elemanı
19. Kule
3.1. KULE
Kuleler silindirik konik yapılardır. Kule tasarımına uygun olarak, sıcak çekilmiş sac, iki
veya üç metrelik merdanelerde, konik profiline uygun olarak bükülür. Konik bükme tekniği
oldukça zordur. Çelik plakanın konik bükülebilmesi için merdane yüzeylerinde farklı
kuvvetlerin oluşturulması gerekmektedir. Segmentler halinde üretilen kule elemanları, alt ve üst
yüzeylerine, içeriden flanşlarla kaynatılır. Flanşlar kule elemanlarının cıvata ile birbirine
bağlanmasına imkan vermektedir. Kuleler, flanşlarla monte edilebildiği gibi kaynaklama ile de
monte edilebilmektedir. Kuleler, 20m ’den başlamakta, rotor çapına göre 100m ’ye kadar
büyümektedir. Büyük kuleler; flanşlı modüller halinde montaj veya taşınabilecek boyutlarda
kaynaklı olarak üretilmelidir. Örneğin, 44m ’lik bir rotor çapına sahip, 600 kW ’lık bir türbinin
50m yükseklikte ve 40 ton ağırlığında kuleye ihtiyacı vardır. Türbinin her bileşeni özel
testlerden geçirilmelidir. Bu itibarla, kulelerin her türlü yapısal, dinamik ve aerodinamik testleri
yapılmalıdır. Kuleler silindirik tüp biçiminde veya çelik kafes biçiminde olabilir. Kafes
28
kulelerin temel avantajı ucuz olmalarıdır. Tüp kuleler türbin bakımını yapacak personelin iş
güvenliği açısından çok önemlidir. Çünkü türbinin tepesine çıkmak için kule içinde bir
merdiven monte edilebilmektedir.
Şekil 3.4 Kafes kule
29
Şekil 3.5 Tüp kule iç görüntüsü
3.2. ROTOR KANATLARI
Pervane; gelen rüzgar hareketini, şaft vasıtasıyla dişli kutusuna, oradan da jeneratöre gönderen en dış
birimdir. Rotor kanadından etkiyen rüzgar, kanadın gövdesine ve rotorun merkezine doğru
hareketlendikçe, daha dik bir açıdan gelir. Eğer rotor kanadı çok dik bir rüzgar geliş açısı etkisinde
kalırsa, rüzgarın kanadı kaldırma kuvveti azalır ve sıfırlanır. Bu nedenle, rotor kanadı burulmak
zorundadır ve kanadın arka ucu esen rüzgarla aynı yöne doğru itilir.
Çoğu modern rüzgar türbin rotor kanatları, GRP (glass fibre reinforced plastics) yani cam
elyaf plastikten yapılır. Diğer kullanılan malzeme ise karbon fiber veya aramid’dir. Ancak bunlar,
büyük türbinler için ekonomik değildir. Çelik veya alüminyum karışımlarının ağırlık ve malzeme
yorulmasından kaynaklanan problemleri olmakla beraber küçük türbinler için günümüzde
kullanılmaktadır. Elektrik enerjisi elde etmek için kullanılan rüzgar türbinleri, bir, iki veya üç kanatlı
olan yüksek hızda çalışan makinelerdir. Türbin kanatları sabit veya değişken açılı olabilir. Bazı
tasarımlarda rotor frenlediğinde açıyı arttıran özel bir regülatör kullanılarak başlatma kolaylaştırılır.
Sabit kanat açılı yüksek hızı rüzgar türbinlerinde, jeneratör başlama esnasında motor gibi davranır ve
dönme hızı nominal hıza ulaştığında jeneratöre dönüşür. Rotor kanatları veya pervane, helikopterlerde
olduğu gibi en önemli bileşenlerin başında yer almaktadır. Helikopterlerden farklı olarak, kanatçık
aerofoillerinin çoğu zaman az bir zorlanma ile çalışması istenir.
30
Şekil 3.6 Rotor kanadı
3.3. RÜZGAR TÜRBİNİ FREN SİSTEMİ
Modern rüzgar türbinlerinin fren tertibatı iki şekildedir. Bunlardan birincisi aerodinamik
fren sistemi, ikincisi ise mekanik fren sistemidir. Aerodinamik fren sistemi, rotor kanatlarının
boyuna eksen etrafında yaklaşık 90o’lik döndürülmesini (derece veya aktif kontrollü türbinler
için geçerli) veya rotor kanat uçlarının 90o döndürülmesini esas alır. Elektrik enerjisi elde etmek
için kullanılan rüzgar türbinleri, bir, iki veya üç kanatlı olan yüksek hızda çalışan makinelerdir.
Türbin kanatları sabit veya değişken açılı olabilir. Bazı tasarımlarda rotor frenlediğinde açıyı
arttıran özel bir regülatör kullanılarak başlatma kolaylaştırılır. Sabit kanat açılı yüksek hızı
rüzgar türbinlerinde, jeneratör başlama esnasında motor gibi davranır ve dönme hızı nominal
hıza ulaştığında jeneratöre dönüşür.
Bu sistemler elektriksel güç hatalarının oluşmasında çalışmaya devam etmesi için ve
türbinlerdeki basınç kayıplarında hidrolik sistemi otomatik olarak aktif hale getirmesi için
kullanılır. Genellikle rotasyon sorunlarında sistem türbini durduracaktır.
Mekanik frenleme sistemi ise türbinin yavaşlatıcı kontrolde durdurulması için aerodinamik
frenleme sistemlerine destek vermek amacıyla kullanılmaktadır. Devir sayısının belirli bir
değerden sonra sabit tutulması, belirli bir sınırı aşmasına engel olunması, çarkın korunması
yönünden çok önemlidir. Özellikle fırtınalı havalarda rüzgara karşı küçük bir yüzey çıkarmak,
hatta tesisten yararlanılmayacaksa tamamen durdurmak gerekir. Mekanik fren sistemi, dişli
kutusuna yerleştirilen bir diskten oluşmaktadır.
31
3.4. DİŞLİ KUTUSU
Pervaneden gelen düşük devirli torku, jeneratöre uygun yüksek devirli torka yükselten bir
kuvvet aktarma mekanizmasıdır. Jeneratörlerin elektrik üretebilmeleri için dakikada 1200-1550
devirlik bir döndürme yükü almaları gerekmektedir. Genellikle rüzgar, rotoru bir dişli kutusu
üzerinden elektrik jeneratörünü sürer. Rotorun göbeği rüzgar türbinin düşük hız şaftına bağlıdır.
Modern 600 kW’lık rüzgar türbinlerinde rotor düşük hızla yaklaşık olarak dakikada 19 ile 30
devir arasında döner. Şaft hidrolik sistemin borularını içerir. Bunlar aerodinamik frenlerin
çalışmasını sağlar. Dişli kutusu, düşük hız şaftı vasıtasıyla aldığı torku, yüksek hız şaftına
ileterek, düşük hız şaftından 50 kat daha hızlı olarak sağa doğru döndürür. Yüksek hız şaftı
dakikada yaklaşık 1500 devirle döner. Elektrik jeneratörünü yüksek hız şaftı çalıştırır. Dişli
kutuları acil mekanik disk frenleri ile donatılmışlardır. Mekanik fren, aerodinamik frenin
arızalanması durumunda veya türbin tamiri yapılırken kullanılır.
Şekil 3.7 Rüzgar türbini dişlileri
32
Şekil 3.8 Rüzgar türbini dişli kutusu
3.5. YAW SİSTEMİ
Üç kanatlı türbinlerin rotorları, rüzgara doğru konumlanır. Rüzgarın hız değişimine göre,
rotor kafasını, rüzgara dik tutacak tarzda ayarlayan mekanizmalardır, iki kanatlı rotorlar,
kafalarını rüzgar doğrultusuna ters konumlandırdıklarından, kuyruk kontrol mekanizmasına
ihtiyaç duymazlar.
Rotorun rüzgara dik olmadığı durumlarda rüzgar türbinin bir yaw (rotadan çıkma) hatasına
sahip olduğu söylenir. Bir yaw hatası, rüzgardaki enerjinin düşük bir parçasının rotor alanına
doğru akmasını ifade eder. Yaw kontrolü, rüzgar türbin rotorunun güç giriş kontrolünün en iyi
yoludur. Yatay eksenli rüzgar türbinlerinin hemen hemen tümünde yaw döndürme kuvveti
kullanılır. Bu türbinlerde, rüzgara karşı elektrik motoru ve dişli kutuları kullanarak, döndürülen
türbini tutan bir mekanizma vardır. 750 kW’lık tipik bir türbinin yaw mekanizması ve yaw
motoru aşağıda gösterilmiştir. Türbin çalıştırıldığında, pervane kanadı, konumunu belirli zaman
aralıklarında elektronik kontrollerle yaw mekanizması vasıtasıyla hareket ettirir.
33
Şekil 3.9 Yaw sistemi
34
BÖLÜM DÖRT
4. RÜZGAR TÜRBİNİ AERODİNAMİĞİ
4.1 FAYDALANILABİLİR GÜÇ BAĞINTISI
Rüzgarın hızına bağlı olarak taşıdığı enerji miktarı da değişmektedir. Rüzgar türbinleri
eksenlerinin konumlarına göre yatay eksenli rüzgar türbinleri ve düşey eksenli rüzgar türbinleri
diye ikiye ayrılır. Her iki türbin çeşidinden de elde edilebilecek maksimum güç bazı teoremler
yardımı ile hesaplanabilir. Yatay eksenli türbinlerden elde edilebilecek maksimum güç, Betz
teoremine göre hesaplanmaktadır. Bu teoreme göre yatay eksenli türbin en ideal güç dönüşüm
türbini olarak kabul edilmekte, kanat sayısı ve kaldırma kuvvetinin direnci bazı kabuller sonucu
hesaplanmaktadır. Türbinin rotoru tarafından süpürülen bütün alan ve aradaki rüzgar hızı üniform
kabul edilmekte ve rotor çıkışında yine eksen yönünde kabul edilmektedir. Rüzgar türbininde
girişteki kütle akışı ile kanatlar arasında ve çıkıştaki kütle akışı, akış hacminin her yerinde daima
sabittir. Buna göre enerji denklemleri yazılabilir:
Şekil 4.1 Rüzgar pervanesi ve rüzgar hızının değişimi
Rüzgarın rotora girmeden önceki hızı V1 olsun. Rotorun kanatları tarafından süpürülen bütün S
alanı boyunca üniform kabul edilecek ve rotorun arasında geçen rüzgarın hızı V olsun. Rotor
çıkışındaki rüzgarın hızı da V2 olsun. Rotor arasında geçmeden önceki havanın kesit alanı S1 ve
rotor çıkışındaki iş gören havanın kesit alanı S2 olarak tanımlanır. Rotora girmeden ve rotor
arasındaki hava akış halinde olduğu için sıkıştırılamaz kabul edilir. Rotor tarafından üretilen
mekanik enerji, sadece rüzgarın kinetik enerjisinin düşmesiyle elde edilir. Buna göre V2’nin
V1’den daha büyük olması gerekmektedir. Rotor arasında geçen havanın akış alanı girişten çıkışa
doğru yükselmektedir. Bu iki alanın içindeki akış için süreklilik denklemi yazılırsa;
S1V1=S2V2=SV (1)
Euler teoremine göre rüzgar tarafından rotordan harcanan kuvvet,
35
F S V V1-V2) (2)
olur. Rotor tarafından absorbe edilen güç;
P = FV= S V2 V1-V2 ) (3)
olur. Bu güç rüzgarın kinetik enerjisinden alınmaktadır. Rotor girişinden rotor çıkışına kadar
kinetik enerji değişim miktarı ikisinin farkına eşit olur.
E =2
1 S V2 V1 -
2
1 S V2 V2 =
2
1 S V2 ( V1 - V2 ) (4)
burada S V = m (kg/s) rüzgarın akış kütlesidir. Rotordaki rüzgarın hızı veya ortalama hız,
V = 2
21 VV olur ve bu değer (4) ifadesinde yerine yazılırsa,
E = 4
1 S ( V1
2 - V2
2 ) ( V1- V2 ) (5)
elde edilir. Elde edilen bu bağıntı güç formülüdür ve buradaki V1 giriş hızıdır. Burada değişken
olan hız V2 hızıdır. V2’nin bir fonksiyonu olan P gücünün hesaplanması için eşitliğin iki tarafının
diferansiyeli alınır
2dV
dP=
4
1 S ( V1
2 - 2V1 V2 - 3V22 ) (6)
elde edilen bu ifade sıfıra eşitlendiği zaman denklemin iki çözümü mevcuttur.
2dV
dP=
4
1 S ( V1
2 - 2V1 V2 - 3V22 ) = 0 (7)
denklemin ilk çözümü için V2 = -V1 olur ve (-) olduğu için fiziksel bir anlamı yoktur. İkinci
çözüm V2 = 3
1V olur ve bu değer maksimum gücü elde etmek için kullanılır. Bu değer güç
formülünde yerine yazılırsa,
Pmax= 27
8 S V1
3 (8)
maksimum güç formülü elde edilir. Havanın yoğunluğu = 1.25 kg/m3 değeri denklemde yerine
yazılırsa rüzgar hızına bağlı olarak maksimum güç (9) formülü elde edilir.
36
Pmax = 0.37 S V13 (9)
Rotor arasındaki rüzgarın yönü eksen yönünde ve S alanı üzerinde üniform kabul edilir.
Rüzgar türbininin tipi ne olursa olsun ana elemanı kanattır. Onun daha iyi anlaşılabilmesi için ve
özellikle kanadın optimum boyut ve şeklinin seçimi için kanat aerodinamiğinin bazı temel
bilgilerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bulunan bu Betz formülü kanat yapısının metodu hakkında bilgi
vermez.
4.2 KANAT ELEMANI TEORİSİ
Momentum teorisinden farklı olarak; kanat elemanı üzerine gelen kuvvetlerin analizi
yapılarak, kaldırma kuvveti ve sürükleme kuvveti katsayılarının, teğetsel ve normal kuvvetlerin
ve ayrıca kanat elemanının hücum açısı, bağıl rüzgar açısı ve kanat elemanı burulma açıları
hakkında bilgilerin elde edildiği teoridir.
Kabuller
• Bu analiz için, kanat Şekil 4.2’deki gibi N elemana veya bölüme ayrılmıştır varsayımı
yapılmıştır.
• Elemanlar arasında aerodinamik etkileşim söz konusu değildir.
Şekil 4.2 N adet bölüme ayrılmış kanat yarıçapı
37
Kanat elemanı teorisi pervane palasının kanat kökünden ucuna kadar sonsuz sayıda ince
genişliklere sahip profillere (kanat kesit biçimlerine) bölünebileceğini kabul eder. Örneğin; 3 m.
çapındaki bir pervanede göbek çapı 30 cm. ise palanın boyu 135 cm. olacaktır ve bu pala 1
cm. genişliğindeki 135 pala elemanına (profile) bölünebilecektir. Şekil 4.3’de pervanenin
dönme merkezinden “r” uzaklıktaki böyle bir kanat elemanını göstermektedir.
Şekil 4.3 Bir pervanenin kanat kesiti
Pervanenin aerodinamik kuvvet üreten elemanı olan kanat aslında burulmuş bir yapıdadır.
Burulmuş olmasının ve uca doğru incelerek gitmesinin sebebi; kanat boyunca düzgün dağılmış
bir itme kuvveti oluşturmak ve güç eldesinde herhangi bir düşüşe neden olmamaktır. Çünkü
pervane kanadı üzerinden akan hava akımı uç kısımda en yüksek hızına ulaşır. Şekil 4.4’de
burulmuş ve burulmamış kanatta itme kuvvetinin yarıçap boyunca dağılımının karşılaştırması
görülmektedir. Kökten uca doğru burulmuş olan kanat üzerine etkiyen itki kuvveti düzgün
dağılmış iken burulmamış olan kanat üzerine etkiyen itki kuvveti düzgün dağılmamıştır.
Şekil 4.4 Burulmuş ve burulmamış kanatta itme kuvvetinin yarıçap boyunca dağılımının
karşılaştırılması
38
Rüzgarın bağıl hızı; Şekil 4.5’da görülen rotora dik gelen doğal rüzgar hızı ve kanadın
dönmesinden kaynaklanan rüzgar hızının vektörel toplamına eşittir ve dönen kanatlar üzerinde
aerodinamik kuvvetlerin oluşmasına da katkıda bulunur.
Şekil 4.5 Rüzgar türbininin çevresel dönüşü ve üzerine dik gelen rüzgar hızı
(10)
(11)
4.2.1 KANAT KESİT GEOMETRİSİ
Şekil 4.6’de bir pervanenin kanat kesitine (elemanına) etkiyen hızlar ve kuvvetler
gösterilmiştir. U(1-a) şiddeti uçağın ileri doğru uçuş hızına eşit olan bağıl uçuş hızı, rΩ(1+a’)
kanat elemanının dönme hızıdır.
Hücum açısı ve bağıl rüzgâr hızı kanat elemanına etkiyen taşıma ve sürükleme aerodinamik
kuvvetlerini doğurur. Taşıma kuvveti, bağıl rüzgâr hızı doğrultusuna dik yöndedir. Sürükleme
kuvveti ise bağıl rüzgâr hızına paralel ve aynı yöndedir. Taşıma ve sürükleme kuvvetlerinin
bileşkesi olan kuvvette bir aerodinamik kuvvettir. Bu bileşke aerodinamik kuvvet, biri dönme
düzlemine dik, diğeri dönme düzleminde kalacak iki bileşen halinde düşünebilir. Dönme
düzlemine dik olan bileşen (dFN) pervane çekmesi, dönme düzleminde kalan bileşen (dFT)
ise pervane torkuna neden olan direnç kuvvetidir. Direnç kuvveti torkun yarıçap
uzunluğuna oranıdır veya direnç kuvveti ile yarıçapın çarpımı torka eşittir.
39
Şekil 4.6 Kanat kesit geometrisi ve üzerine gelen kuvvetler
U(1-a): kanada dik gelen rüzgar hızı
URel: göreceli rüzgar hız
θp: kanat kesit burulma açısı (kanat genişlik çizgisi ve kanadın dönme düzlemi arasındaki açı)
α: hücum açısı(kanat genişliği çizgisiyle göreceli rüzgar hızı arasındaki açı)
φ=θp+α: bağıl rüzgar hızının geliş açısı
θp,o: uç kanat kesit açısı
θT= Θp-θp,o: kanat burulma açısı
dFL: çoğalan kaldırma kuvveti
dFD: çoğalan sürükleme kuvveti
dFN: dönme düzlemine etkiyen artan normal kuvvet (itkiye katkısı olur)
dFT: rotor tarafından süpürülen daireye etkiyen artan teğetsel kuvvet (tork üretir)
40
Çeşitli sayısal akışkan programlarıyla veya kanat profilinin CL-α grafiğinden de hücum açısı
(α) elde edildikten sonra φ=θp+α formülünden kanat kesit burulma açısı (θp) elde edilir ve
göbekten uca kadar elde edilen bu açılardan kanadın en uç kesitindeki burulma açısına uç kanat
kesiti burulma açısı (θp,o) denir. Daha sonra θT= Θp-θp,o formülü ile de kanat burulma açısı
(θT) elde edilir.
Şekil 4.6 dikkate alınarak (11) ve (12) nolu denklemler ile kanat kesit geometrisine gelen bağıl
rüzgar hızı ve bu bağıl rüzgar hızının geliş açısı elde edilmektedir.
(12)
(13)
dFL ve dFD kanat kesiti üzerine etkiyen kaldırma ve sürükleme kuvvetlerini
göstermektedir ve denklem (14) ve (15) ile bu kuvvetler elde edilir.
(14)
(15)
41
Şekil 4.6 dikkate alınarak, kanat kesiti üzerine etkiyen kaldırma ve sürükleme kuvvetlerinden,
(16) ve (17) nolu denklemler yardımıyla pervane itkisine neden olan direnç kuvveti (dFN) ve
pervane torkuna neden olan direnç kuvveti (dFT) bileşkeleri elde edilir.
(16)
(17)
Eğer rotor B adet kanada sahipse, merkezden r kadar uzaklıktaki kesite etkiyen toplam
normal kuvvet ve teğetsel kuvvet (18) ve (19) n o l u denklemlerdeki gibi elde edilir.
(18)
(19)
Merkezden r kadar uzaklıktaki teğetsel kuvvet ile tork arasındaki bağıntı (20) ve (21) nolu
denklemlerdeki gibi elde edilir.
(20)
(21)
Bu denklemleri dikkate alınarak sürükleme kuvvetinin, torkta düşüşe ve dolayısıyla da güçte
düşüşe neden olduğu fakat itkide artışa neden olduğu görülmektedir.
Böylece kanat elemanları teorisi iki denklem vermektedir. Bu denklemler itki kuvveti (Thrust)
ve teğetsel kuvvet (tork) denklemleridir. Bu kuvvetler açısal hareket ortamında kanat akış
açılarına ve kanat karakteristiklerine bağlıdır. Dönme olmadığı (ideal) durumda maksimum güç
için a= 1/3 değeri elde edilmişti. Aynı basitleştirici yaklaşım momentum ve kanat elemanları
31
teorisine uygulayarak verilen bir hız oranı ve maksimum performans için uygun kanat
geometrisi belirlenebilir.
Örneğin, ideal türbin rotoru ele alınacak olursa;
a’=0 ( dönme yok)
CD=0 ( sürükleme yok) Kayıplar yok,
a = 1/3 ( Betz limiti geçerli) olmak üzere;
İlk önce, dizayn uç hız oranı (λ) ve bu uç hız oranına göre kanat sayısı (B) ve bu kanatların
yarıçapları (R) belirlenir. Seçilen kanat profilinin bilinen, hücum açısına (α) göre CL/CD
oranları vardır ve bu oranlardan CL/CD’nin maksimum olduğu durumdaki hücum açısı
seçilir. Böylece CD katsayısının sıfıra yakın bir değer olduğu kabulu ile CD = 0 alınır. Daha
sonra her r istasyonunda Betz limitini verecek şekilde kökten uca doğru burulma-kanat genişliği
dağılımı belirlenir. a=1/3 için momentum teorisi denklemi;
(22)
Bu denklemden de halka elemanında etki eden itki;
(23)
ve kanat elemanı teorisi denkleminden (CD=0) kanat elemanı üzerine etkiyen normal kuvvet;
(24)
olarak elde edilir.
32
Bağıl hız farklı şekilde de ifade edilebilir.
(25)
(24) denklemi, (25) denklemindeki yerine taşınıp (23) denklemi ile eşitlenirse;
(26)
elde edilir.
(12) denklemi kullanılarak ve a’=0 ve a=1/3 kabulleri yerlerine konularak;
(27)
eşitliği elde edilir ve bu (27) denklemi de (26) denklemine taşınırsa;
(28)
elde edilir.
Λr = λ (r/R) olduğunu dikkate alarak, her kanat kesitinde (r noktasında) bağıl rüzgar açısı φ ve
kanat genişiliği c
(29)
(30)
elde edilir. Bu denklemler, her kanat kesitinde Betz limit değerine uygun olarak kanat
genişiliği ve kanat burulma dağılımını veri
33
BÖLÜM BEŞ
5. KANADIN MODELLENMESİ
Bu projede kanat elemanının modellemesi için S 809 airfoil kullanılmıştır.
https://wind.nrel.gov/airfoils sitesinden S 809 profil yapısını Solidworks programında
çizebilmemiz için gereken x, y, z koordinatları alınmıştır. Alınan bu koordinatlar Solidworks
programının okuyabileceği formatta düzenlenerek ( .txt ) dosyası olarak kaydedilmelidir.
Ancak Solidworks programında kanat yapısını oluştururken kanat formunun değiştiği her
aralık için bir Plane ( düzlem ) atanmalı ve bu düzlemler üzerinde farklı chord uzunluklarına
ve dönme açılarına sahip S 809 profilleri oluşturulmalıdır.
Atanacak olan düzlemlerin aralıkları ve bu düzlemler üzerinde bulunması gereken kanat
profilinin ( airfoil ) sahip olması gereken chord uzunluğu ve dönme açısı yukarıdaki tabloda
belirtilmiştir.
Belirtilen bu aralıklara göre düzlemler atanır.
34
Şekil 5.1 Düzlemler
35
Daha önce koordinatlarını indirdiğimiz profil, her düzlemde olması gereken chord
uzunluğunu sağlayacak şekilde excel programında x, y, z koordinatlarının hepsinin
belirlenen sayı ile çarpılarak oluşturulur ve ayrı ayrı (.txt ) formatında kaydedilir. Aşağıda
chord uzunluğu 305 mm olan profilin koordinatlarından bir kısmı gösterilmektedir.
Şekil 5.2 Kanat profili koordinatları
36
Yukarıda gösterildiği şekilde hazırlanan koordinatları solidworks programına
okutularak profil plane üzerinde elde edilir.
Şekil 5.3 Ön düzlem görünüşü
37
Şekil 5.4 Kanat profilinin çıkartılması
Elde edilen bu şekil şuanda herhangi bir düzlem üzerinde değildir. Bu yüzden
bu profili “ convert entities “ komutu ile profli çizmek istediğimiz düzlem üzerine
aktarıyoruz. Aktardıktan sonra şeklin kendisini “ Hide “ komutu ile gizleyebiliriz.
Şekil 5.5 Kanat profili
38
Şekilde görülen profil üzerinde chord uzunluğu “ Line “ komutu ile çizilir.
Şekil 5.6 Chord line
Çizilen bu çizginin uzunluğu bu profilin chord uzunluğudur. Kanadın formunda eğer
kıvrılma olacak ise düzlemlere çizilecek olan her profil, kendileri için belirlenen bir nokta
etrafında belirlenen açı kadar döndürülürler. Ve bu nokta tüm düzlemler üzerinde doğru bir
eksen olarak kalır. Bu eksene “ twist axial “ denir. S 809 profili için yapılan literatür
araştırması sonucunda bu eksenin chord uzunluğunun % 30’ u kadar olduğu belirlenmiştir.
Şekildeki profil için bu değer 94.66 mm’ dir. Burada dikkat edilmesi gerek nokta chord
uzunluğunu belirten doğru ile twist axial noktasını belirlemek için çizilen diğer doğrunun
birbirlerine dik olduklarıdır. Bu diklik devamlı olarak sağlanmalıdır.
39
Şekil 5.7 Twist axial
Bir sonraki düzelem üzerine de hesaplanan boyutlardaki profil aktarılıp çizimi yapılır
ve profillerin belirlenen twist açısında döndürülmesine geçilir. “ Move Entities “ komutu
altındaki “ Rotate Entities “ komutu ile tüm profil üzerine çizdiğimiz diğer çizgiler
seçilerek döndürülür.
Şekil 5.8 Kanat profilinin döndürülmesi
40
Döndürma işlemi tamamlandıktan sonra, döndürme işleminde kullandığımız dönme
merkezi olan noktalar her profil için birbiri ile çakıştırılarak twist axial oluşturulur.
Şekil 5.9 Kanat profillerinin çakıştırılması
Tüm profiler bu şekilde çizilip dödürüldükten sonra twist axial üzerinde
konumlandırılıp kanat çizimi tamamlanır.
Şekil 5.10 Kanat profillerinin tamamlanmış hali
41
Daha sonra “ Lofted Boss / Base “ komutu ile profillere sırayla tıklanmak suretiyle
kanat yapısı oluşturulur.
Şekil 5.11 Profillerin loft komutu ile birleştirilmesi
Şekil 5.12 Profillerin loft komutu ile birleştirilmesi
42
Şekild 5.13 Kanadın loft edilmiş hali
Eğer sadece akış analizi yapılacaksa bu tasarım yeterli olacaktır. Ancak static analiz de
yapılacak ise gerçek bir rüzgar türbini kanadının sahip olduğu gibi kanat içerisinde
tasarımcının tercih edeceği yapıda bir kiriş konulması gerekmektedir.
Şekil 5.14 Kanat kirişi
43
Kanadımızın loft edilmiş hali resimdeki gibidir.
Şekil 5.15 Kanadın tamamlanmış hali
Şekil 5.16 Kanadın tamamlanmış hali
44
Şekil 5.17 Kanadın tamamlanmış hali
45
BÖLÜM ALTI
6. AKIŞ ANALİZİ
Ansys workbench programında cfx çalışırılır. Solidworks programında çizilen kanat “ .step “
dosyası olarak kaydedilir ve design modeller kısmında import edilir.
Şekil 6.1 Kanadın workbench’ e import edilmesi
46
Daha sonra kanadı içine alacak şekilde bir kontrol hacmi oluşturulur.
Şekil 6.2 Kontrol hacminin oluşturulması
Şekil 6.3 Kontrol hacminin oluşturulması
47
Şekil 6.4 Kontrol hacmi
Daha sonra meshleme işlemine geçilir.
Şekil 6.5 Kontrol hacminin meshlenmesi
48
Sonrasında ise kontrol hacminin sınır şartları uygulanır. Rüzgar hızı izmir civarında 1970’
lerde görülen maksimum rüzgar hızı olan 35.3 m/s ‘ den fazla olması amacıyla 40 m/s alınmıştır.
Çıkış kısmındaki hava basıncı “ 0 “ pa alınmıştır.
Şekil 6.6 Kontrol hacmi sınır şartları
Daha sonra program çalıştırılıp, çözüm yaptırılır. Elde edilen basınç dağılımı şu
şekildedir.
Şekil 6.7 Basınç dağılımı
49
BÖLÜM YEDİ
7. STATİK ANALİZ
Ansys Fluent programında yapılan akış analizinden elde edilen Cl ( Lift Coefficient ) ve Cd
( Drag Coefficient ) katsayıları yardımıyla gerekli formülasyonlar kullanılarak kanat üzerine
etki eden kaldırma ve sürükleme kuvvetleri hesaplanmıştır.
Şekil 7.1 Kanat profiline etki eden kaldırma ve sürükleme kuvveti
Hesaplanan bu kuvvetler kullanılarak Ansys Workbench programında statik analiz
yapılmıştır.
50
Şekil 7.2 Statik analiz
Şekil 7.3 Statik analiz için mesh işlemi
51
Şekil 7.4 Statik analiz için sınır şartları
Yapılan analiz sonucunda Von-mises eşdeğer gerilmesi aşağıdaki şekilde bulunmuştur.
Maksimum stres yaklaşık 254 Mpa değerinde ve kanadın alt yüzeyinde çıkmıştır.
Şekil 7.5 Von-mises gerilme değeri
52
Şekil 7.6 Bileşik Gerilme
53
KAYNAKLAR
[1] Freris, L. L., 1990, Wind Energy Conversion Systems, Prentice Hall International
(UK) Ltd, Cambridge.
[2] İlkılıç, C., 1990, Rüzgar Enerjisinin Mekanik Enerjiye Dönüştürülmesi, Yüksek Lisans
Tezi, Fırat Üniversitesi.
[3] Frandsen, S. And Christensen, C.J., 1992, Accuracy of Estimation of Energy Production
From Wind Power Plants, Wind Engineering, vol. 16, no 5, pp. 257-268.
[4] Chazly, N. M., 1993. Static and Dynamic Analysis of Wind Turbin Blades Using the
Finite Element Method, Renewable Energy, vol. 3, no. 6/7, pp. 705-724,
Great Britain.
[5] Gouriéres, D. L. 1982, Wind Power Plants Theory and Design, Pergamon Press,
Oxford.
[6] Richardson, R. D. And Mc Nerney, G. M. 1993, Wind Energy Systems, Proceedings
of the IEEE, vol. 81, no. 3, pp. 378 – 389.
[7] Egglesteon, D. M., and Stoddard, F. S., 1987, Wind Turbine Engineering Design,
Printed by Van Nostrand Reinhold, USA.
[8] Varol, A. İlkılıç, C. ve Varol Y., 2001, Increasing the Efficiency of Wind Turbines,
Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 89, pp. 809 –
815.
[9] Frandsen, S. And Christensen, C. J., 1992. Accuracy of Estimation of Energy
Production from Wind Power Plants, Wind Engineering, vol.16. no.5.
Denmark.
[10] El-Zeftany, A..A., 1989, A Wind Energy Systems Supplying a Water -Pump ASME
Press, vol. 27, no. 1, pp.11-22.
[11] Bryukhan, F. F., and Diab, R. D., 1993, A Wind Power Simulation Model for a System
of Compound Wind Farms, Wind Engineering, vol. 17, no.1, pp. 15-23.
54
[12] Walker, J., F., Jenkins, N., “Wind Energy Technology”, John Wiley & Sons, New
York, 17-74, 1997.
[13] Wilson, R., E., “Aerodynamic Behavior of Wind Turbines”, Wind turbine
technology fundamental concepts of wind turbine engineering, Spera, D.,
A., Asme Pres, New York, 215-282, 1998.
[14] Manwell, J.F., Mcgowan, J.G., Rogers, A.L., Wind Energy Explained: Theory, design
and application, Second Edition, Massachusetts University, USA.
[15] Hau, E., Wind turbines, fundamentals, technologies, application, economics, Springer-
Verlag, Berlin, 2000.
[16] R.S. Amano, R.J.Malloy, “CFD analysis on aerodynamic design optimization of wind
turbine rotor blade”.
[17] Thumthae C, Chitsomboon T. Numerical simulation of flow over twisted-blade,
horizontal axis wind turbine. The 20th conference ofmechanical engineering
network of Thailand.
[18] Ansys cfx tutorial 12.pdf