Kanat yapısal deformasyonunun rüzgar türbini rotor performansı üzerine etkisi

Bu çalışma kapsamında çeşitli yükler (aerodinamik, merkezkaç, yerçekimi, vb.) altında çalışan rüzgar türbini kanadının davranışı incelenmiştir. Aerodinamik ve yapısal disiplinlerin etkileşimi göz önüne alınarak, kanat tasarımı sırasında ön tasarımdan performans hesabına kadar olan aşamalarda kullanılabilecek metodoloji geliştirilmiştir ve örnek bir kanat üzerinde parametrik çalışmalar yapılmıştır. Pala Eleman Teorisi ve Klasik Laminasyon Teorisi tez çalışması sırasında faydalanılan temel teorilerdir. Her iki yöntemin ve aralarındaki etkileşimin gerçekleştirilmesi için MATLAB ortamında yazılımlar geliştirilmiştir. Geliştirilen yazılımların çıktıları NREL tarafından gerçekleştirilen çalışmalarla karşılaştırılmış ve sonuçların birbirine yakın olduğu görülmüştür. Bu tez çalışması sonucunda istenilen özelliklerde bir kanat tasarımının gerçekleştirilmesi için kanadın yapısal ve aerodinamik davranışının ve aralarındaki ilişkinin anlaşılması için gerekli disiplinler arası çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Tezin yukarıda bahsedilen söz konusu farklı disiplinleri kullanarak ve aralarındaki ilişkiyi inceleyerek yüksek performanslı kanat tasarımı için tasarımcılara ve araştırmacılara bir yol gösterici olması hedeflenmiştir. Ön tasarım aşamasında malzeme seçimi, serim açısı, profil seçimi ve boyutlandırma gibi parametrik çalışmaları, bu parametrelerin performans üzerine etkilerinin hesabını hızlıca gerçekleştirebilecek bir altyapı sunulmaktadır. Aerodinamik ve yapısal etkileşimin hesaplanması tezin kritik noktalarından birine işaret etmektedir. Rüzgar türbininin enerji üretimi rotor ve rüzgar arasındaki etkileşime bağlıdır. Rüzgar hızı, bir ortalama hız ve bunun etrafında salınım yapan, türbülans içeren hız değişikliklerinin bir kombinasyonu olarak kabul edilebilir. Görülmüştür ki rüzgar türbini performansının ana parametreleri (ortalama güç üretimi ve ortalama yükler) ortalama hız nedeniyle oluşan aerodinamik kuvvetler tarafından belirlenmektedir. Rüzgar kayması, yan rüzgarlar, rotor dönüşü nedeniyle oluşan periyodik aerodinamik kuvvetler, türbülans ve dinamik etkiler yüzünden ortaya çıkan rastgele salınım gösteren kuvvetler yorulma yüklerinin kaynağını oluşturmaktadır ve rüzgar türbinin maruz kalabileceği en yüksek yüksek yük değerinin belirlenmesi için kullanılır. Önem taşıyan bu faktörlerin anlaşılması için kararlı durumdaki rüzgar türbini aerodinamiğinin anlaşılması gereklidir. Aerodinamik ile ilgili çalışmaların yer aldığı bölümde öncelikle ideal bir rüzgar türbininin analizine yer verilmiştir. Rotorun genel davranışı, etrafındaki akış ve önemli kavramlar hakkında bilgi verilmiştir. Analizler rüzgar türbinleri için teorik performans limitlerinin hesaplanması için de kullanılmıştır. Genel aerodinamik kavramlar ve kesitlerin (airfoil) çalışma ilkeleri anlatılmıştır. Rüzgar türbinin klasik aerodinamik analizi ilk olarak Betz ve Glauert tarafından 1930'lu yıllarda gerçekleştirilmiştir. Daha sonra teori bilgisayarlarda uygulanabilecek şekilde genişletilmiştir. Tüm bu metotlarda, momentum teorisi ve pala eleman teorisi birleştirilerek rotorun dairesel bir bölümünün performans karakteristiklerinin hesaplanmasını sağlayan bir bant teorisine dönüştürülmüştür. Rotorun tamamının performansı ise tüm dairesel bölümler için elde edilen değerler toplanarak (entegre edilerek) bulunur. Öncelikle momentum teorisi ve pala eleman teorisi açıklanmış ve ideal çalışma şartlarında optimum bir kanat tasarımı için kullanılmıştır. Günümüzde kullanılan rüzgar türbini kanatlarının ana hatlarını belirleyen kavramlar gösterilmiştir. Daha sonra iki yaklaşımın bir kombinasyonu olan bant teorisi veya diğer bir adıyla pala elemanı momentum (PEM) teorisi, bir rüzgar türbini rotorunun aerodinamik tasarımı ve performans analizine yönelik bir prosedür yaratmak için kullanılmıştır. Ayrıca, aerodinamik kayıplar ve gerçekci bir akış alanı göz önüne alınarak optimum kanat tasarımı için bir başlangıç noktasına varılmıştır. Tasarımcı, operasyon sırasında meydana çıkan aerodinamik, yerçekimi, atalet ve kontrol kaynaklı kuvvetler nedeniyle oluşan yapısal deformasyon kaynaklı indüklenmiş burulma açısını kanat tasarımı sırasında dikkate almalıdır. Bu nedenle, hedeflenmiş çalışma koşullarında en iyi performansı gösterecek şekilde kanatların tasarlanması için kompozit rüzgar türbini kanatlarının yapısal davranışının iyi anlaşılması gereklidir. Böyle bir analiz kompozit mekaniği ve aerodinamik arasında bir etkileşim kurulmasını gerektirmektedir. Bu konuda ilk akla gelen üç boyutlu çözümler olan sonlu elemanlar ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile etkileşimin sağlanması bir opsiyondur ancak zaman alıcıdır ve ön tasarım aşamasında hızlı çalışmaların yapılabilmesi için yeteri kadar esnek değildir. Alternatif yöntem hem aerodinamik hem de yapısal tarafta indirgenmiş modeller kullanarak tasarımcıya sistematik bir yaklaşım ve kanat davranışı hakkında bilgi sağlamaktır. Daha önce bahsedilen bölümde aerodinamik ile ilgili kısım Pala Eleman Momentum Teorisi'ne dayandırılarak gerçekleştirilmiştir. Sonraki bölümde ise yapısal kısma odaklanılmıştır, Klasik Laminasyon (KLT) ve İnce Cidarlı Yapılar teorisi kullanılarak uygulamaya yönelik ve hızlı yöntem bir geliştirilmiştir. Bu yöntem ön tasarım aşamasında parametrik çalışmalar yapmaya, malzeme ve laminasyon parametrelerini seçmeye yarayan bir aracın temelini oluşturmaktadır. Türbin kanatları kiriş gibi modellemeye uygun uzun ve narin yapılardır, bu nedenle kesit burulma ve eğilme katılığı gibi yapısal özelliklerini hesaplayacak şekilde bir modelleme gerçekleştirmek iyi bir yaklaşımdır. Bu yaklaşım için iki ana teori kullanılmaktadır. Birincisi kompozit yapının ana karateristiklerini hesaplamak için gerekli olan Klasik Laminasyon Teorisidir, ikincisi ise KLT ile profil geometrisi arasındaki ilişkiyi Kuran İnce Cidarlı Yapılar teorisidir. Tezin ilgili bölümünde yukarıda bahsedilen teorilerin detayları verilmiş ve NACA profili tabanlı kompozit kanat geometrilerinin mekanik özellikleri hesaplanmıştır. Tezin Aerodinamik ve Yapısal Etkileşimin Kurulması adlı bölümünde aerodinamik ve yapısal etkileşimin kurulması için gerekli teorik altyapı her iki disiplin için de oluşturulmuştur. Bu bölümde aerodinamik yüklerin kanattaki deformasyon sonucunda değişimi, yükler ve deformasyonun birbiri ile bağıntısı iteratif bir etkileşim kullanılarak ifade edilmiştir. Bunun için öncelikle aerodinamik yükler ve bu yükler kaynaklı deformasyon hesaplanmış, devamında ise bu deformasyon yeni aerodinamik yükler hesaplamak için kullanılmıştır. Bu yaklaşım biribirini takip eden iki iterasyonarasında kabul edilebilir bir hata seviyesine ulaşılana kadar devam etmiş ve final yük ve deformasyon durumuna ulaşılmıştır. Tez kapsamında yapılan çalışmaların uygulanması için farklı çalışma koşulları dikkate alınarak 12 m boyunda örnek bir kanat için parametrik hesaplamalar yapılmıştır. Bu hesaplamalar sonucunda kanadın rijit veya elastik kabul edilmesinin enerji üretim performansına etkileri ortaya konmuştur. Elastik kanat için önemli yapısal parametreler geliştirilen yazılım yardımıyla hesaplanmıştır. Örnek kanat üzerinde yapılan çalışmalar sonucunda temel olarak aşağıdaki farklar gözlenmiştir. • Kanat uç istasyonlarında oluşan yüklerdeki farklılık %2,5 seviyesindedir. • Türbin güç eğrisindeki farklılık rüzgar hızının artışı ile doğru orantılı olarak %0,1 - %12 arasında değişmektedir. Beklendiği üzere yüksek hızlar daha fazla deformasyona neden olmakta ve performans düşmektedir. • Türkiye'nin üç farklı ilindeki rüzgar ölçüm verileri kullanılarak yapılan çalışmada rijit ve elastik kanat kabulü arasında %1,3-%1,5 arasında değişen enerji üretim farklılıkları hesaplanmıştır. Geliştirilen yöntemler ile eğilme-burulma etkileşiminin performans üzerine olumlu yönde katkı sağlaması ihtimali de incelenmiştir. Amaç kanadın aerodinamik performansını en yüksek seviyeye çıkaracak optimum burulma açısının, etkileşim yardımıyla ortaya çıkarılması, serim açısı, veter uzunluğu ve et kalınlığı gibi parametrelerin optimum değerlerinin bu doğrultuda tespit edilmesidir. Tezin son bölümünde örnek kanat üzerinde bu doğrultuda bir çalışma yapılmıştır. Etkileri küçük olmakla beraber, eğilme-burulma etkileşimi sayesinde performansın artırılması potansiyel bir çalışma alanıdır.