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