İkili kanat profiline sahip su türbininin üç boyutlu sayısal ve deneysel performans analizleri
Analysis of three-dimensional numerical and experimental performance of water turbine with double blade hydrofoil
Yazar: EMRE KOÇ
Danışman: PROF. DR. TAHİR YAVUZ
Başkent Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Su türbinleri = Water turbines ; Sürdürülebilir enerji = Sustainable energy ; Türbin = Turbine

Özet:
Hidrokinetik enerjiyi kullanarak gerek büyük akıntılardan kentlerin, gerekse küçük akıntılardan bireylerin elektrik güç gereksinimlerini karşılamak üzere alçak akıntı hızlarında verimli çalışabilecek palalı su türbini tasarım modeli geliştirilmiş ve prototip imalatı için hazır hale getirilmiştir. Hidrokinetik enerjiden elektrik üretebilecek ikili ve ayrıca standart kanat profilli türbin kanat tasarımı için iki ve üç boyutlu sayısal ve deneysel analizler yapılmıştır. İki boyutlu sayısal analizlerde GAMBIT-FLUENT programı, üç boyutlu sayısal analizlerde ANSYS 13.0 programı kullanılmıştır. Rüzgâr ve hidrokinetik türbinlerde tasarım şartı olarak CL/CD değerini maksimum yapan geometrik ve akım parametreleri optimum değerler olarak belirlenmiştir. CL/CD'nin maksimum değerleri, ikili kanat için 12,053, standart kanat(NACA4412) için ise 21,517 olarak elde edilmiştir. Optimum hücum açıları ikili kanat için 3o, standart kanat için ise 6o olarak elde edilmiştir. Kanatlar stall konumuna ikili kanatta 30o'den sonra, standart kanatta 16o'den sonraki hücum açılarında ulaşmıştır. Dizaynda önemli parametre olan uç hız oranına göre, ikili kanat lamda=3,5 değeri civarında 0,457 maksimum güç katsayısı değerine, standart kanat lamda=5,0 değeri civarında 0,494 maksimum güç katsayısı değerine ulaşmıştır. Su kanalında yapılan deneysel çalışmalarda, ikili kanat için maksimum güç katsayısı 0,424 olarak lamda = 3,48 değerinde, standart kanat için maksimum güç katsayısı 0,463 olarak lamda = 4,92 değerinde elde edilmiştir. Değerlerin sayısal değerlerle uyumlu olduğu görülmüştür. Analizlerde hidrodinamik performans açısından ikili kanadın stall konumuna gelmeden daha geniş bir uç hız oranı çalışma şartlarında çalışabileceği görülmüştür. İkili kanadın maksimum güçte çalıştığı uç hız oranının standart türbinlere göre düşük olması, türbinin düşük devirde çalışmasından dolayı daha emniyetli olması sonucuna varılmıştır. Böylece, hidrokinetik enerjiyi kullanarak gerek büyük akıntılardan kentlerin ihtiyaçlarını, gerekse küçük akıntılardan bireysel ihtiyaçları karşılayabilecek elektrik gücü elde etmek üzere küçük akıntı hızlarında verimli çalışabilecek hidrokinetik türbin modeli geliştirilmiş ve prototip imalatı için hazır hale getirilmiştir.

Abstract:
A computer-aided optimum design-analysis tool and a model was developed that can carry out all the calculations for the design of adaptable, winged water turbines and to support design decision-making processes for both high-capacity hydro-kinetic energy conversion systems for cities and smaller-scale systems for individual power demands that may efficiently operate at low current speeds. Two and three dimensional numerical and experimental analyses were conducted on double blade and also standard hydrofoil which can be used in producing electrical power from hydrokinetic energy. FLUENT and ANSYS numerical analysis programs were used in the two and three dimensional analysis respectively. The maximum values of the CL/CD and the optimum design geometric and flow parameters of models were numerically obtained. The maximum values of CL/CD is about 12,053, for double blade hydrofoil while the NACA4412 gives the CL/CD values about 21,517. Optimum angles of attacks were obtained to be 3o for doubleblade hydrofoil and 6o for the standard hydrofoil. The standard hydrofoil becomes to the stall condition after the angle of attack of 16o, while double blade becomes to the stall condition after the angle of attack about 30o respectively. The maximum power coefficient of double blade hydrofoil is about 0,457 obtained at lamda = 3,5 while the standard hydrofoil gives the maximum power coefficient of 0,494 at lamda = 5,0. Experimental studies carried out in the towing tank give the maximum power coefficient of 0,424 at lamda = 3,48 for double blade hydrofoil 0,463 at lamda = 4,92 for standard hydrofoil. There are reasonable agreements between numerical and experimental values. Comparing stall conditions, the double blade hydrofoils can operate in the range of the larger tip velocity ratio. Because of the double blade hydrofoil give maximum power lower rpm, it has more safety operation condition comparing with standart hydrofoil. Hence, the hydrokinetic turbine model for both high-capacity hydrokinetic energy conversion system for cities and smaller-scale systems for individual power demands were developed, and it is ready for prototype production and testing.