Üç kanatlı helisel Savonius rüzgâr türbinlerinin aerodinamik performansına merkezden kaçıklığın ve faz açısının etkisi
The effect of off-center and phase angle on aerodynamic performance of three-bladed helical Savonius wind turbines
Yazar: MERNUŞ GÜL
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ERDEM ALIÇ
Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Darrieus = Darrieus ; Dikey eksenli rüzgar türbini = Vertical axis wind turbine

Özet:
Bu tezde düşey eksenli rüzgâr türbinlerinden üç kanatlı çift kademeli helisel Savonius rüzgâr türbinlerinin merkezden kaçıklığının ve kademeler arasındaki yarı dairesel kanatların birbirlerine olan faz açısının aerodinamik performansına olan etkisi, merkezden kaçıklığı L/H=1/2 olan üç kanatlı çift kademeli helisel Savonius rotorda deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Merkezden kaçıklığı L/H=1/4 ve 3/4 olan ve kademeler arasındaki yarı dairesel kanatların faz açıları Ɵ=0°, 45° ve 90° olan diğer üç kanatlı çift kademeli helisel Savonius rotorları ise sayısal olarak incelenmiştir. Rotor uzunluğu (H)=110 mm, rotor çapı (D)=46 mm, mil çapı (d)=5 mm olan 6 farklı rüzgâr türbini tasarlanmış ve bu rotorların kanatlarına her bir kademede 90° olacak şekilde toplamda 180° helis açısı verilmiştir. Kanat tipi olarak Savonius rotorlarda yaygın olarak kullanılan yarı dairesel kanat tipi seçilmiştir. Referans teşkil etmesi için tasarlanan kanat modelinin merkezden kaçıklığı L/H=1/2 olarak belirlenmiştir. Bu geometri 3D yazıcıda üretilmiştir ve 10 farklı hava hızında Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü laboratuvarındaki mevcut hava tünelinde deneysel çalışmaları yapılmıştır. Hava hızları V_s=3.83 m/s, 6.83 m/s, 8.47 m/s, 10.15 m/s, 11.67 m/s, 13.26 m/s, 15.28 m/s, 16.76 m/s, 18.76 m/s ve 20.35 m/s'dir. Sayısal çalışmalar referans teşkil eden merkezden kaçıklığı L/H=1/2 olan modelin deneysel sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Diğer geometriler içinde aynı sınır şartları girilerek ANSYS-Fluent programında girilerek analiz çalışmaları tamamlanmıştır. Merkezden kaçıklığa göre nihai sonucu veren üç kanatlı çift kademeli helisel Savonius rotora (L/H=3/4), kanat yapısı NACA0015 ve kanat eğrisi Troposkien olarak belirlenen Darrieus tipi kanatlar 2, 3 ve 4 adet olacak şekilde eklenmiştir. 3 farklı kanat sayısında birleşik tip (Savonius+Darrieus) rüzgâr türbini tasarlanarak, kanat sayısının aerodinamik performansına olan etkisi sayısal çalışmalar ile gözlemlenmiştir. Sonuç olarak Savonius rüzgâr türbinine Darrieus tipi kanatların eklenmesi ile rotorun performansında ciddi bir artış olmuştur ve kanat sayısının 4 adet olduğu modelde en nihai sonucun elde edildiği gözlemlenmiştir.

Abstract:
The effect of the eccentricity of three-bladed double-stage helical Savonius wind turbines, one of the vertical axis wind turbines, and the phase angle of the semi-circular blades between the stages on the aerodynamic performance has been experimentally and numerically investigated in a three-blade double-stage helical Savonius rotor with eccentricity L/H=1/2. has been examined. Other three-bladed double-stage helical Savonius rotors with eccentricities of L/H=1/4 and 3/4 and phase angles of the semicircular blades between the stages Ɵ=0°, 45° and 90° were numerically examined. 6 different wind turbines with rotor length (H)=110 mm, rotor diameter (D)=46 mm, shaft diameter (d)=5 mm were designed and the blades of these rotors were given a helix angle of 90° at each stage, a total of 180°. The semicircular wing type, which is commonly used in Savonius rotors, was chosen as the wing type. In numerical studies, the model taken as reference to boundary conditions was determined as a geometry with eccentricity L/H=1/2. This geometry was produced on a 3D printer and experimental studies were carried out in the existing air tunnel in the laboratory of Kahramanmaraş Sütçü İmam University Mechanical Engineering Department at 10 different air speeds. Air velocities are (V_s)=3.83 m/s, 6.83 m/s, 8.47 m/s, 10.15 m/s, 11.67 m/s, 13.26 m/s, 15.28 m/s, 16.76 m/s, 18.76 m/s and 20.35 m/s. Numerical studies were completed in the ANSYS-Fluent program by entering the same boundary conditions for other geometries. As a result of the findings, 2, 3 and 4 Darrieus type impellers, whose blade structure was determined as NACA0015 and whose blade curve was Troposkien, were added to the three-blade double-stage helical Savonius rotor (L/H=3/4), which gave the final result according to the eccentricity. A combined type (Savonius+Darrieus) wind turbine was designed with 3 different blade numbers and the effect of the blade number on the aerodynamic performance was observed through numerical studies. As a result of the study, it was observed that by adding Darrieus type impellers to the Savonius wind turbine, a significant increase in the performance of the rotor was achieved and the final result was obtained in the model with 4 blades.