Yatay eksenli bir rüzgar türbini kanadının sayısal analizi ve optimizasyonu
Numerical analysis and optimization of a horizontal axis wind turbine blade
Yazar: HAKAN İNAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MAHMUT KAPLAN
Amasya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Kanat profili = Airfoil ; Rüzgar türbinleri = Wind turbines

Özet:
Küresel enerji ihtiyacı teknolojik gelişmeler ve nüfusun artışına bağlı olarak sürekli artmaktır. Fosil yakıt rezervlerinin azalması ve bu yakıtların çevreye olumsuz etkilerinden dolayı enerji ihtiyacının sürdürebilir enerji kaynaklarında karşılanması büyük önem taşımaktadır. Sürdürülebilir enerji kaynağı olarak rüzgâr türbinleri rüzgârın kinetik enerjisini elektrik enerjisi dönüştürür. Bu çalışmada kanat profili geometrisi, kanat sayısı, hücum açısı, kanat açısı, uç hız oranı (λ) ve kanat uzunluğu gibi rüzgâr türbin kanadı tasarım parametrelerin aerodinamik performansa etkisi önerilen yeni iki aşamalı kanat tasarımı optimizasyonu yöntemine bağlı olarak ANSYS Workbench platformu ve SOLIDWORKS programı kullanılarak araştırılmıştır. Birinci aşamada, HAD analizinin doğrulanması için standart NACA 63-415 kanat profilinin Spalarat Almaras ve SST k-ω türbülans modelleri kullanılarak hesaplanan kaldırma kuvveti katsayısı (CL) değerleriyle deneysel CL değerleri 1,6x106 Reynolds sayısında, 0˚-20˚ hücum açısı aralığında karşılaştırılmıştır. SST k-ω türbülans modeli deneysel verilere daha iyi uyum sağladığı için tezdeki tüm hesaplamalarda bu model kullanılmıştır. Sonra, standart NACA 63-415 kanat profilinin alt yüzeyi % 10, % 20 ve % 30 azaltılarak sırasıyla NCAY 10, NCAY 20 ve NCAY 30 kanat profilleri üretilmiştir. Sayısal sonuçlar yeni kanat profillerinin standart NACA 63-415 kanat profiline göre aerodinamik performansı iyileştirmiştir ve maksimum CL/CD (kaldırma kuvveti katsayısı / sürükleme kuvveti katsayısı) değerinin yaklaşık 7° hücum açısında NCAY 30 kanat profili ile elde edilmiştir. 
İkinci aşamada, kanat uzunluğu boyunca 1 m aralıklarla optimum veter uzunlukları ve bağlama açıları hesaplanmıştır ve standart NACA 63-415 kanat profili için SOLIDWORKS programı kullanarak katı kanat modeli oluşturulmuştur.  Üretilen kanat modelinin sonuçları, kanat uzunluğu ve λ artıkça ve kanat açısı azaldıkça tork ve güç değerlerinin iyileştiğini göstermiştir. Daha sonra kanat yüzey geometrisinin aerodinamik performansa etkisi 7° hücum açısı, λtasarım = 7 ve 20 m kanat uzunluğu için yeni üretilen standart NACA 63-415, NCAY 30 ve NCAYÜY 30 (standard NACA 63-415 kanat profilinin alt ve üst yüzeyini %30 azaltma) kanat modelleri kullanılarak 4-16 m/s rüzgâr hızlarında araştırılmıştır. Sonuçlar tüm kanat modellerinde rüzgâr hızı arttıkça güç katsayı (Cp) değerlerinin arttığını ve maksimum Cp değerinin 16 m/s rüzgâr hızında elde edildiğini göstermiştir. En yüksek Cp değeri 0,511 olarak NCAYÜY 30 kanat modelinde elde edilmiştir ve standart NACA 63-415 kanat modeline göre bu kanat modeli Cp değerini %10,62 artırmıştır. Ayrıca diğer kanat modelleri ile karşılaştırıldığında bu kanat modeli kanat arka yüzeyinde basıncı ve kanadın uç kısmının yakınında kanat hızını artırmıştır. NACA 63-415 kanat modeline göre NCAYÜY 30 kanat modeli maksimum kanat hızını %7,2 artmıştır. Bu çalışmada rüzgâr türbini kanadı tasarımında kullanılan yöntem bu konuyla ilgili ilerde yapılacak çalışmalara yardımcı olacağı düşünülmektedir.

Abstract:
The global energy demand has been continuously rising due to the technological developments and the population growth. Therefore it is of great importance to meet the energy need in sustainable energy sources due to the decrease in fossil fuel reserves and the negative effects of these fuels on the environment. As a promising source for sustainable energy, wind turbines turn the kinetic energy of wind into electrical energy. In this work, the effects of wind turbine blade design parameters such as airfoil geometry, angle of attack, blade angle, tip speed ratio (λ) and blade length on aerodynamic performance were investigated based on a new proposed two-stage blade design optimization method using ANSYS Workbench platform and SOLIDWORKS software. In the first stage, for validation of CFD analysis, the lift force coefficient (CL) values of standard NACA 63-415 airfoil were calculated using Spalarat Almaras and SST k-ω turbulence models were compared with the experimental CL values for various angles of attack (0˚-20˚) at 1.6x106 Reynolds number. Since the SST k-ω turbulence model fits the experimental data better, this model was used for all calculations in the thesis. Then, NCAY 10, NCAY 20 and NCAY 30 wing profiles were produced by reducing the lower surface of the standard NACA 63-415 airfoil by 10%, 20% and 30%, respectively. It was observed that the new airfoils improved the aerodynamic performance compared to the standard NACA 63-415 airfoil, and the maximum CL/CD (lift force coefficient / drag force coefficient) value was obtained with the NCAY 30 airfoil at approximately 7° angle of attack. 
In the second stage, optimum chords and twist angles were calculated at 1 m intervals along the blade length and a solid blade model was generated for the standard NACA 63-415 airfoil using SOLIDWORKS. The results of this blade model showed that torque and power values enhanced an increase in λ and blade length and a decrease in blade angle. Then, the influence of the blade surface geometry on the turbine performance were scrutinized by using new produced blade models such as NACA 63-415, NCAY 30 and NCAYÜY 30 (reducing the lower and upper surfaces of the standard NACA 63-415 by 30%) for angle attack of 7°, λdesign = 7 and blade length of 20 m at 4-16 m/s wind speeds. The results indicated that power coefficient (Cp) values increased with an increase in wind speed for all blade models. The highest Cp value of 0.511 was obtained in the NCAYÜY 30 blade model at a wind speed of 16 m/s and this blade model augmented Cp value by 10.62% compared to the standard NACA 63-415 blade model. Besides, NCAYÜY 30 blade model increased pressure at the lower surface of the blade and the blade velocity near the tip of the blade compared to other models. NCAYÜY 30 blade model increased the maximum blade velocity by 7.2% in comparison to NACA 63-415 blade model. It is thought that the blade geometry optimization method developed in this work will help future research related to wind turbine design.