Yüksek kapasiteli rüzgâr türbinleri için farkli kanat profillerinin had yöntemi ile incelenmesi

Abstract

Günümüzde rüzgar türbinleri için HAD simülasyonları türbin ölçeğinde sayısal simülasyonlara ve model tabanlı optimizasyonlara odaklanmaktadır. Bu çalışmada farklı büyük türbin güçleri (10, 25 ve 50 MW) için iki farklı kanat profilleri ( NACA 2414, 4415) ile imal edilecek türbinlerin kanat ve bazı ana parçalarının boyutlarının tasarımı yapılmıştır. Her bir türbin 11-14 m/s nominal rüzgar hızları için tasarım hesapları ve HAD analizleri yapılmıştır. Hareket halindeki türbinin dinamik analizi ile rüzgar yükünü daha fazla taşıyan ve rüzgar enerjisi üretiminde daha verimli olan kanatlar HAD yöntemiyle incelenmiştir. Tezde, verimlilik, yıllık elektrik enerjisi üretim miktarı, kanat ve türbin üzerindeki rüzgar yükleri açısından büyük ve orta yüklere sahip rüzgar türbinleri için uygun kanatların ve diğer ana parçaların seçilmesi araştırma temeli olarak alınmıştır. Referans alınan büyük rüzgar türbini kanat profillerini seçmek için bir model olmaktadır. Büyük rüzgâr türbinleri tasarlanırken önce kanatların tasarımı yapılmış ve akış analizi ve en iyi seçimi detaylı bir şekilde incelenmiştir. 10 MW'lık rüzgâr türbininde, NACA 4415 profiline sahip olan türbin 11.5 m/s;lik bir rüzgar hızında en yüksek enerji üretimine ulaşmaktadır. Buna karşılık, NACA 2215 profili olan rüzgar türbini ise 14.5 m/s;lik bir rüzgar hızında en yüksek enerji üretimine ulaşmaktadır. 50 MW'lık rüzgar türbininde kanat uzunluğunun 250 m, ağırlığının 480-500 ton civarında olacağı ve yüksek merkezkaç kuvvetlerin oluşmaması için de rotor dönüş hızının da 0.2-0.8 d/d olması gerektiği bulunmuştur. Her iki NACA profilinden tasarlanmış kanatlar üzerinde oluşan kuvvetler analiz edildiğinde, göbekten kanadın %15 uzaklığında olan kısmın mukavemet açısından en hassas kısım olduğunu göstermiştir. Kanadın bu kısmını takviye etmek için karbon fiber gibi cam elyaftan daha hafif ve daha mukavemetli malzemelerle desteklenmelidir sonucuna ulaşılmıştır.

Nowadays, CFD simulations for wind turbines focus on numerical simulations and model-based optimizations at the turbine scale. In this study, the dimensions of the blades and some main parts of the turbines to be manufactured with two different airfoils (such as NACA 2414, 4415) for different large turbine powers (10, 25 and 50 MW) are designed. The design calculations and CFD analyses of each turbine were performed for nominal wind speeds of 11-14 m/s. By dynamic analysis of the turbine in motion, the blades that carry more wind load and are more efficient in wind energy production are analysed by CFD method. In the thesis, the selection of suitable blades and other main parts for wind turbines with large and medium loads in terms of efficiency, annual electrical energy production amount, wind loads on the blade and turbine is taken as the basis of research. The reference large wind turbine serves as a model for selecting the airfoils. When designing large wind turbines, the blades are first designed and the flow analysis and optimal selection are studied in detail. In the 10 MW wind turbine, the turbine with the NACA 4415 profile achieves the highest energy production at a wind speed of 11.5 m/s. In contrast, the wind turbine with the NACA 2215 profile achieves the highest energy production at a wind speed of 14.5 m/s. For a 50 MW wind turbine, it was found that the blade length would be 250 m, the weight would be around 480-500 tons and the rotor rotation speed should be 0.2-0.8 rpm to avoid high centrifugal forces. When the forces on the blades designed from both NACA profiles were analysed, it was found that the part of the blade 15% away from the hub was the most vulnerable in terms of strength. It was concluded that this part of the wing should be reinforced with lighter and stronger materials than glass fiber, such as carbon fiber.