rüzgar türbini kanat tasarımı ve analizi

66 Pages·2015·4.03 MB·Turkish

T.C.
DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
RÜZGAR TÜRBİNİ KANAT TASARIMI VE ANALİZİ
BİTİRME PROJESİ
Kemal Bahadır POTUK
Projeyi Yöneten
PROF.Dr.Cesim ATAŞ
Ocak 2015
İZMİR
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
I
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

2
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.

3
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

4
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

5
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
6
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
7
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

8
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.
9