Su altı akıntı türbinlerinin hidrodinamik analizi
Hydrodynamic analysis of marine current turbines
Yazar: DENİZ UŞAR
Danışman: PROF. DR. ŞAKİR BAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Son yıllarda, rüzgar ve güneş enerjisi ile deniz ve gel-git akıntıları gibi yenilenebilir kaynaklardan elektrik enerjisi üretimi önceki yıllara oranla hızlı biçimde artmıştır. Bu tür enerji kaynaklarının potansiyelleri, dünyanın gelecekteki enerji talebini güvenli, temiz ve ekonomik biçimde karşılamaya yetecek kadar yüksektir. Sualtı akıntılarından istifade ederek enerji üreten sualtı akıntı türbinleri (MCT-Marine Current Turbine), okyanus ve denizlerde işletilebilecek yenilenebilir enerji kaynaklarından biridir. MCT'lerin teknik olarak uygulanabilir olduğu ve akıntı kaynaklarının, gelecekteki enerji talebinin karşılanmasına önemli katkı yapmaya yetecek ölçüde büyük olduğu bilinmektedir. MCT'ler düşük akım hızlarında dahi enerji üretebilme potansiyeline sahiptir. Ayrıca, dip akıntı hızları rüzgara göre daha kararlı ve düzenli bir yapıya sahip olduğundan, sualtı akıntı türbinleri devamlı ve öngörülebilir enerji sağlamaktadır. Bilindiği üzere MCT'ler, çalışma prensibi ve kullandıkları mekanizma ile temelde rüzgar türbinlerine çok benzerdir. MCT'ler ve rüzgar türbinleri arasındaki önemli farklardan bir tanesi oluşması engellenemeyen bir fiziksel olay olan kavitasyondur. Kavitasyon, MCT kanatlarının önemli bir kısmında meydana geldiğinden etkilerinin hesaplamalara dahil edilmesi gereklidir.
Sualtı akıntı türbini dizaynında, analizinde ve optimizasyonunda yaygın olarak kullanılan klasik momentum kanat elemanı teorisi ile, momentum teorisi ve kanat elemanı teorisine ait denklemler birlikte kullanılarak, istenilen bir türbin rotoru için optimal kanat formu belirlenebilir. MBEM teorisine ait bu denklemler temelde, kavitasyon karakteristikleri hariç sualtı akıntı türbinleri ile büyük benzerlik gösteren rüzgar türbinleri için geliştirilmiştir. Ek olarak, MCT'lerde uç hız oranları, mukavemet ve kavitasyon gereksinimleri nedeni ile rüzgar türbinlerindekilere oranla oldukça düşüktür. Momentum kanat elemanı metodu, uygulanan temel düzeltme faktörleri ile dizayn aşamasında yapılacak türbin analizleri için yeterli olmakla birlikte, analitik modeldeki eksiklikler ve sualtı akıntı türbini uygulamalarında kanatlar üzerinde meydana gelebilecek kavitasyon karakteristiklerinin hesaba katılamaması dolayısı ile önemli modifikasyonlara ihtiyaç duymaktadır. Diğer yandan, kesit kaldırma kuvveti ve kavitasyon direnci katsayılarının kanat yarıçapları boyunca hesaplanabilmesi gereklidir.
Türbin kanatları etrafındakı akımın analizi için panel metodu olarak da bilinen sınır eleman metodu da kullanılmıştır. Potansiyel akım teorisini temel alan bu yöntem, kesitler etrafındaki basınç dağılımları hakkında bilgi sağlayarak kanat kavitasyon performansının öngörülebilmesine imkan sağlamaktadır. Bu yöntemler, doktora tez çalışması çerçevesinde MCT'lere uygulanmış ve MCT'lerin hidrodinamik performansları incelenmiştir.
Ayrıca, kavitasyonun türbin kanatları üzerindeki dağılımının simülasyonu için, pervane performansının analizinde yaygın olarak kullanılan bir sayısal yöntem olan girdap ağ metodu kullanılmıştır. Metot, düzensiz tabaka kavitasyonlu akımların incelenebilmesi için geliştirilmiş ve hassas sonuçlar elde edilebilmesi için, tekillik ve kontrol noktolarının aralıkları hata oluşumunu engelleyecek biçimde düzenlenmiştir
Newcastle Universitesi Emerson Kavitasyon Tüneli'nde, üç kanatlı yatay eksenli bir model türbin kullanılarak gerçekleştirilen deneylerde itme ve tork değerleri ölçülmüş; ayrıca türbinin iki farklı şaft derinliğinde kavitasyon davranışları incelenmiştir. Zira, sualtı akıntı türbini dizayn ve optimizasyonunda hidrodinamik performansın belirlenebilmesi için gerçekleştirilen sayısal öngörülerin deneysel olarak doğrulanması büyük önem teşkil etmektedir. Kavitasyon tünelinde yapılan deneyler ile kavitasyon formları ve türbin kanatları üzerindeki dağılımı incelenmiş, türbinin önemli ölçüde tabaka ve bulut kavitasyona ek olarak kanat uçlarında girdap kavitasyon maruz kaldığı gözlemlenmiştir. İki farklı deney koşulu için türbin kanatları üzerindeki kavitasyon dağılımı girdap ağ metodu kullanılarak modellenmiş, sonuçlar deneysel verilerle karşılaştırılmıştır.
Momentum kanat elemanı metodu öncelikle kavitasyonsuz çalışma koşullarının analizi için literatürde deneysel ölçümleri mevcut olan bir rüzgar türbinine ve kavitasyonsuz çalışma koşulu için sayısal olarak modellenmiş bir sualtı akıntı türbinine uygulanmış ve sonuçlar mukayese edilmiştir. Sayısal olarak modellenen türbinin kanatları üzerinde ideal teorik bir kavitasyon dağılımı için belirli bir uç hız oranı aralığında güç katsayıları hesaplanmış ve kavitasyonsuz durumdakilerle kıyaslanmıştır.
Kavitasyona maruz bir sualtı akıntı türbininin performans analizi için, literatürde bulunan diğer bir çalışmadan faydalanılmış, türbinin kavitasyon dağılımı girdap ağ metodu kullanılarak simüle edilmiştir. Kavitasyon yapan kanat kesitlerinin kaldırma ve sürüklenme kuvvetleri sınır eleman metodu ile hesaplanarak momentum kanat elemanı metodunda kullanılmış, böylelikle kavitasyonun türbin güç üretme performansına etkisi teorik olarak hesaplanmıştır.
Kavitasyon dağılımının matematiksel olarak belirlenebilmesi, kavitasyona maruz kanat kesitlerinin kaldırma ve direnç katsayılarının daha doğru öngörülebilmesini, böylelikle momentum kanat elemanı teorisinin kavitasyon yapan bir sualtı akıntı türbininin performansını hesaplama kapasitesinin artmasını sağlamıştır. Bu çalışmada sunulan yöntem kullanılarak üç kanatlı bir türbin modeli için yapılan analizde elde edilen güçte %30 teorik azalma öngörülmüştür.

Abstract:
In recent years, energy generation from renewable sources such as wind, sun, marine and tidal currents etc. has increased very rapidly than before. Their potential is very high to meet the world's future energy demand safely, cleanly and economically. The marine current turbines (MCTs) that exploit underwater currents for power generation are one of the renewable sources utilized in oceans and they provide regular and predictable energy. MCTs are technically feasible and current resource is large enough to have the potential to make a major contribution towards meeting the future energy demand.
It is very well-known that MCTs are in fact very similar to the wind turbines in terms of their working mechanism and basic principles. One of the main differences between MCTs and wind turbines is the cavitation, which is an avoidable physical phenomenon. Cavitation is defined as the formation of vapor regions inside of a flowing liquid due to a decrease in the local pressure. It appears in most of the blades of MCTs and should be included in the performance calculations.
The performance of a wind turbine or a marine current turbine without cavitation may well be assessed adequately by using blade element momentum model in design or analysis of such systems. Momentum Blade Element Theory (MBET) is a widely used analytical modelling tool that describes the hydrodynamic performance of MCTs by combining one-dimensional momentum theory with blade element theory. By discretizing each blade into sufficient number of sections along the span, the dynamic effect of angular and axial force on each element is determined individually. MBE theory can be used successfully to predict the span-wise loading on narrow blades of wind and marine current turbines, but does not provide information on cavitation.
The blade element analysis uses two dimensional hydrofoil (section) characteristics and the coupling between momentum analysis and blade element analysis allows the performance at a given tip speed ratio and a given radius to be calculated. In order to compute the cavitating characteristics of flow around two-dimensional sections, a potential based panel method is used. This panel method discretizes the exact surface of blade sections with panels.
The method is inherently non-linear with either the thickness or the angle of attack that are very important to model the proper cavity surface on the surface of blade section, since it makes no assumption about the magnitude of these quantities. The panels are located on the exact cavity surface of which the shape is determined iteratively, until the kinematic and dynamic boundary conditions are both satisfied on that surface. Cavity shapes are predicted from applying the dynamic cavity condition as the last iteration of the panel method. A cavity closure condition is also applied to require the sum of the sources to be equal to zero. It should be mentioned that it is determined the corresponding cavitation number and cavity shape for a given cavity length which can be extended up to a given point. After computing the flow characteristics (including cavity) of foil sections of blades, a span-wise integration produces the total torque, thrust and power. The method is also very suitable for blade optimization. The results of momentum blade element method with the corresponding panel method to include the cavity characteristics are compared with those of experiments and other numerical methods given in literature. 
Considered basically as a propeller operating in a reverse rotational direction, most of the theories and methods originally developed for marine propellers can also be applied to marine current turbines. Introduced originally for the analysis of fully wetted marine propeller flows, vortex-lattice method is one of the most widely used numerical method to analyze the performance of cavitating marine current turbines by employing a robust arrangement of singularities and control point spacing to produce accurate results. In this study, VLM was used to simulate the distribution of cavitation along the turbine blades.
Hydrodynamic performance of a 400 mm diameter horizontal axis marine current turbine model was tested in a 1.26m x 0.8 m cavitation tunnel for over a range of tip speed ratios. Torque and thrust data, as well as cavitation visualizations for certain operating conditions were acquired. Experimental results indicated that the model turbine was exposed to significant amount of sheet and cloud cavitation over the blades along with vortex cavitation at the blade tips.
The present study also includes the details of a method in which a boundary element method is used in conjunction with blade element momentum theory to include the hydrodynamic effects of cavitation on blade sections, therefore the turbine performance. In order to assess the capability of the method, marine current turbines tested previously under certain conditions were analyzed and the results were compared with the experimental data available in literature.
In order to assess the accuracy of the numerical method for non-cavitating turbine case, a full-scale wind turbine rotor was modelled and calculation results were compared with measurements over a tip speed ratio (TSR) range. The method was then applied to a marine current turbine tested in a cavitation tunnel for cavitation-free conditions. The same turbine was further investigated to form an opinion about the effects of cavitation on turbine performance. An ideally constant distribution of cavitation over the blades was presumed in order to achieve a full set of CP vlues within the defined TSR range.
Another horizontal axis marine current turbine studied comprehensively in a previous work was first modelled using blade element momentum method to assess the turbine performance. Then, vortex lattice method was used to simulate the distribution of cavitation over the turbine blades for a specified test condition at which the turbine operates in a cavitating state. For the same particular test condition, the effect of cavitation on power extraction efficiency of the turbine was assessed theoretically using the method presented in this study.
An outline of a method for implicating the effects of cavitation on hydrodynamic performance of marine current turbines was presented. Distribution of cavitation along the blades of a model turbine as well as a marine current turbine model tested previously were modelled using vortex lattice method. Satisfactory agreement with the experimental data available validated that the distribution of sheet cavitation along the blade and the length of cavity at each blade section can be predicted accurately for a marine current turbine.
The ability to predict the distribution of cavitation through mathematical methods provide more accurate estimations of lift and drag coefficients of cavitating blade sections. Therefore, the ability of BEM Theory for performance assessment of a cavitating marine turbine is enhanced. The effect of cavitation on turbine energy extraction performance was taken into account in MBEM calculations by means of blade sections lift and drag coefficients. The results suggest that the occurance of cavitation causes a significant decrease in turbine performance by reducing sectional lift coefficient therefore decreasing section's capability of generating lift force.
For a typical three bladed horizontal axis marine current turbine prone to cavitation under the particular case of operation in 1.73 m/s free stream velocity and at 20 degree pitch angle setting, 30% theoretical loss in generated power was predicted. The methodology described in the paper can also be used to minimize cavitation by optimizing the blade pitch distribution. Due to the lack of experimental and full-scale data, the theoretical loss predicted in this study could not be validated. Detailed experimental studies is needed to define the levels of acceptance and the impact of cavitation on hydrodynamic performance of MCT's.