Yatay eksenli rüzgar türbin kanatlarının akışkan-yapı etkileşimi yönünden incelenmesi
Fluid-structure-interaction investigation of horizontal axis wind turbine blades
Yazar: KAMER DOĞAN
Danışman: PROF. DR. EMİN GÜLLÜ
Uludağ Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada yatay eksenli rüzgar türbin kanatları akışkan-yapı etkileşimi yönünden incelenmiştir. Çalışma iki ana tema üzerinden yürümüştür: ilki kanat geometrisinin rüzgar ile teması sonucu oluşan kuvvetleri anlamak, ikincisi ise bu kuvvetlerin kanat üzerinde yarattığı deformasyon ve gerilmeleri incelemek. Bu iki olgu akılda tutularak interaktif bir tasarım sürecine gidilmiş ve sonuçta bir rüzgar türbin kanadı hem aerodinamik hem de yapısal yönden incelenmiştir. Çalışma aerodinamik tasarımla başlamış akabinde bu tasarım ile elde edilen sonuçlar ışığında bir kanat yapısı oluşturulmuştur. Elde edilen kanat yapısının aerodinamik, yerçekimi ve merkezkaç kuvvetleri etkisi altında uğradığı deformasyon ve gerilme bilgileri ışığında hem aerodinamik hem de yapısal tasarım revize edilmiştir. Bu yolla kanadın mümkün olan en yüksek verimde olması hedeflenirken yapısal olarak da güvenli bir alanda kalınmıştır. 
Kanat ortalama rüzgar hızının yerden 30 m yükseklikte 7,25 m/s olduğu ortamlar için optimize edilmiştir. Bu durumun temel sebebi ülkemizin sahip olduğu rüzgar enerjisi potansiyelinin % 60 civarında bir bölümünün ortalama rüzgar hızı 7 ile 7,5 m/s olan bölgelerde toplanmış olmasıdır. Ancak kanat dönme hızı ile oynanarak farklı rüzgar hızlarında da yüksek verim elde etmek mümkündür.Kanat 2,05 m olarak tasarlanmıştır. Her ne kadar bu çalışmada temel hedef daha büyük kanat tasarlamak olsa da bu amaca sayısal çözümleyici programlarının ihtiyaç duyduğu bilgisayar donanımının eksikliği nedeniyle ulaşılamamıştır.Kanadın aerodinamik tasarımında yoğun olarak Qblade ve ANSYS CFX yazılımlarından yararlanılmış, ön tasarım Pala Elemanı Momentum Teorisine göre elde edilmiştir. Akabinde daha gelişkin bir yazılım olan Navier-Stokes çözücüsü CFX ile aerodinamik tasarım sonlandırılmıştır. CFX'den elde edilen kanat üzerindeki basınç dağılımı bilgisi bir sonlu elemanlar çözücüsü olan ANSYS Mechanical yazılımına aktarılmış ve buradan da deformasyon ve gerilme sonuçları elde edilmiştir. Yapısal tasarım aşamasında temel kiriş teorisi ile laminasyon teorisinden yararlanılmıştır. Ayrıca yine Co-Blade isimli yazılım da tasarımının ilk aşamalarında faydalı olmuştur. Elde edilen sonuçlara göre aerodinamik verimi % 40 civarında olan kanat yanlızca 8 cm uç sehim yapmaktadır.

Abstract:
In this study, a Fluid-Structure-Interaction investigation of  horizontal axis wind turbine blades is conducted. The study is carried on two majar fields: first, understanding the generated forces as a result of interaction between the blade outer geometry and wind. Second, investigation of the deformation and stress occurring on the blade by those forces. Keeping in mind both those two aspects, a wind turbine blade is both aerodynamically and structually designed by means of an iterative process. Process has started with aerodynamic design and the results of this step with gravity and inertial forces is fed to the second step which is the structural design. Afterwards, the results of second step are taken into account to revise the whole design. By choosing that path, while keeping the aerodynamic efficiency at maximum possible, the design was kept structurally safe also.
The blade is optimized for the fields where the average wind speed at a height of 30 m is 7,25 m/s.  This stems from the fact that in our country % 60 of the usable wind energy potaential is available at locations where wind blows at speeds between 7 and 7,5 m/s. But it is possible to obtain high aerodynamic efficiency at different wind speeds by changing the blade rotational speed. The blade is 2,05 m long. Although this study aimed to design larger turbines, due to the lack of sufficient computer hardware which is needed by numerical solvers, a small-scale one is achieved.
In the design of the aerodynamic design step, Qblade and ANSYS CFX was used. Primary design was achieved by means of the Blade Element Momentum theory. Afterwards, a higher fidelity Navier-Stokes solver CFX was used to finalize the aerodynamic design. The pressure distribution on the blade is transferred from CFX to a finite element solver ANSYS Mechanical and stress plus deformation date was achieved. In the structural design process, basic beam theory with the classical lamination theory was helpful with the use of Co-Blade program. The final design has approximately % 40 aerodynamic efficiency with a tip deflection of 8 cm.