Structural analysis of wind turbine blades due to thrust force and the use of blade element-momentum method
Rüzgâr türbin kanatlarının itme kuvveti etkisi altında yapısal analizi ve kanat elemanı-momentum yönteminin kullanımı
- Tez No: 609145
- Danışmanlar: Prof. Dr. SERDAR BEJİ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Gemi Mühendisliği, Marine Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Gemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Gemi ve Deniz Teknolojisi Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 134
Özet
Sürekli bir enerji ihtiyacı olan dünyamızda bu ihtiyaç, gelişmiş makina ve robotların tasarlanmasıyla daha da artacaktır. Termodinamiğin ilk yasasına uygun olarak enerjinin tipinin değişebileceği fakat yok olmayacağını ifade eden termodinamiğin ilk yasasına uygun olarak mühendisler değişik kaynaklardan mümkün olduğunca çok elektrik enerjisi elde etmeye çalışmaktadırlar. Pek çok enerji çeşidini temelde iki başlık altında toplayabiliriz: yenilenebilir ve yenilenemez enerjiler. Rüzgâr enerjisi yenilenebilir enerji olarak sınıflandırılır ve temelde rüzgârın kinetik enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürülmesidir. Rüzgâr enerjisinin kullanımı zaman içinde sürekli artış göstermekte olup, bazı ülkeler bu enerjiden mümkün olduğunca çok yararlanmayı için planlamaktadırlar. Rüzgâr türbinleri, rüzgârın kinetik enerjisinin bir şaftı döndürmek için kullanılarak bu dönme hareketinden elektrik enerjisi elde edilmesi yoluyla çalışırlar. Kanatların ve merkezdeki hub'a rotor ve rotora da şaft bağlıdır. Hava zerrelerinin kanatlara belli açılarla çarpması sonucunda rotor dönme hareketi kazanır ve rotora bağlı şaftın bir jeneratörü döndürmesiyle de elektrik üretilir. Tasarımcılar, rüzgâr türbininin bütünü ve parçaları için mümkün olan en iyi tasarımı gerçekleştirebilmek amacıyla tasarım aşamasında rüzgâr türbinini etkileyebilecek her türlü yükü göz önüne almak zorundadırlar. Açık deniz rüzgâr türbinlerinde dalgalara ilişkin kuvvetlerin de göz önüne alınması gerekir. İtme kuvveti, türbin kanatlarının eğilmesine neden olan kuvvettir o nedenle tasarım aşamasında göz önüne alınması gereken kritik bir kuvvettir. Yüksek itme kuvveti nedeni ile kanat uçlarında oluşacak büyük eğilmeler, kanat uçlarını kuleye doğru itecek ve kanat uçlarının kuleye çarpması sonucunda da türbin tamamen parçalanacaktır. İtme kuvvetinin kanatlar üzerindeki etkisini incelemek üzere bu tezin ilk bölümünde yatay eksenli bir rüzgâr türbini olan NREL-5MW rüzgâr türbini göz önüne alınacaktır. Rüzgâr türbinini oluşturan elemanların incelenmesinden sonra kanatların kule yönünde eğilmesini sağlamak amacıyla bu rüzgâr türbini için en büyük itme kuvveti olarak belirlenen 800 kN kullanılmaktadır. Ayrıca, titreşim analizi, doğal salınım frekansları, merkezkaç kuvvetler ve Coriolis etkileri gibi dikkate alınması gereken noktalar da vardır. Bu çalışma, tüm bu sıralanan etkiler göz önüne alınmaksızın yalnızca basit ankastre kiriş için gerçekleştirilmiştir. Bu tür problemlerin modellenmesi ve benzeşiminde kullanılan farklı paket programlar mevcuttur. Güvenilir bir analiz yapılabilmesi için elde edilen sonuçların doğruluğunun öncelikle test edilmesi gerekir. Genel olarak rüzgâr türbin kanatlarının eğilme problemini kullanarak doğrulama yapmak mümkün olmadığı gibi neredeyse imkânsızdır. Kanatların bir ucu hub'a sabitlenmiş ve diğer ucu serbest olduğundan, bunları konsol veya ankastre kiriş olarak modellemek kabul edilebilir bir yaklaşımdır. Bu nedenle, gerçek kanat profilleri için yapılan hesaplamaların güvenilirliğini tesis etmek amacıyla öncelikle basitleştirilmiş bir durum olarak ankastre kiriş hesaplamaları göz önüne alınmaktadır. Gerçek kanat profillerine ait uygulamalar bu testlerden sonra verilmektedir. Rüzgâr türbini tasarımcıları, tasarımlarında mümkün olan en iyi verimliliği elde etmeye çabalar. Bu doğrultuda, kanat elemanı-momentum yöntemi ardışık iterasyonlarla belirli parametrelerin ayarlanması yoluyla en iyi performansı sağlayacak rüzgâr türbin kanadının belirlenmesinde kullanılabilir. Kanat elemanı yöntemi aerodinamiğin pek çok alanında yaygın olarak kullanılmaktadır. Rüzgâr türbini tasarımında, türbin kanadını kanat boyunca elemanlara ayırarak uygulanmaktadır. Bu tezin ikinci kısmında kanat elemanı yöntemi, değişik parametrelerin etkisini incelemek için her defasında bir parametreyi değiştirmek suretiyle kullanılmıştır. Kord uzunluğu, kaldırma kuvveti katsayısı, kanat ucu hız oranı, kanat uzunluğu ve kanat sayısı. BEM yönteminin bu uygulaması, daha önceki kısımda olduğu gibi NREL-5 MW rüzgâr türbini için yapılmıştır. Burada uygulanan BEM yöntemi kanat elemanı yöntemi ile momentum yöntemini birleştirerek bu yöntemlere ait birer denklemi kullanmaktadır. Bu iki denklem, iki bilinmeyenin çözümü için kullanılmaktadır. Bilinmeyenlerden ilki yarıçap başına gelen itme kuvveti diğeri ise eksenel indüksiyon değeridir ki mümkün olan en büyük verimi elde etmek için değerinin 0.333 olması gerekir. Beş parametrenin değiştirilerek incelendiği bölümde ilk olarak kord uzunluğu 1.5 m, 1 m ve 0.5 m olarak değiştirilmekte diğer parametreler sabit tutulmaktadır. Kaldırma kuvveti katsayısı ilk parametre olarak değerlendirilmiş ve sabit 0.8 olarak alınmıştır. Bu katsayının değeri normalde tablolardan, formüllerden veya deneylerden belirlenir. Göz önüne alınan ikinci parametre, kanat elemanının bulunduğu yarıçapın değişmesiyle değişen yerel kanat ucu hız oranıdır. Kord uzunluğu değiştirilirken, kanat ucu hız oranı sabit ve 5 olarak alınmıştır. Kanat uzunluğu 15 m ve son parametre kanat sayısı 3 olarak alınmıştır. Böylece bu sıralanan değerler sabit tutulurken kaldırma kuvveti katsayısı 0.8, 0.6 ve 0.4 olarak değiştirilmiştir. İncelenecek üçüncü parametre olan yerel kanat ucu hız oranı, 6, 5 ve 4 olarak üç farklı değerde alınmıştır. Öte yandan, kord uzunluğu 1 m, kanat uzunluğu 15 m ve kanat sayısı 3 alınmaktadır. Bir öncekine benzer olarak yerel kanat ucu hız oranları değiştirilirken diğer parametreler sabit tutularak hesaplamalar yapılmıştır. Göz önüne alınan dördüncü parametre, bütün rüzgâr türbini verimini etkileyen ana parametrelerden biri olan kanat uzunluğudur. Kanat uzunluğu, 58 m, 29 m ve 15 m olacak şekilde üç farklı değerde alınmıştır. Kord uzunluğu 1 m, kaldırma kuvveti katsayısı 0.8, yerel kanat ucu hız oranı 5 ve kanat sayısı 3 alınarak hesaplamalar yapılmıştır. Göz önüne alınacak son parametre olan kanat sayısı için hesaplamalar 3 kanat, 2 kanat ve 1 kanat durumlarında yapılmaktadır. Çalışma, her bir parametre ayrı ayrı alınarak yapılmasına karşın her bir parametrenin etkisi diğer parametrelere de bağlıdır. Temelde, rüzgâr türbininin verimliliği beş parametrenin tümüne bağlıdır. Kanat elemanı-Momentum yöntemi, çalışmanın ilk kısmında mukavemet açısından incelenen rüzgâr türbininden en iyi verimi elde etmek için de kullanılmıştır. Bu uygulamada kanat uzunluğu 61.5 m, kanat sayısı 3, kaldırma kuvveti katsayısının varsayılan değeri 0.9 alınmakta ve yerel kanat ucu hızı değeri, yerel yarıçapın değişimi, rüzgâr hızı ile devir sayısındaki değişimler nedeniyle değişmektedir. Çalışmada, istenen eksenel indüksiyon faktörünü elde etmek için her bir kesitte kord uzunluğunu belirleyecek şekilde çalışma yapılmıştır. Toplamda 10 kesit için yapılan çalışmada, rüzgâr türbinleri için kabul edilebilir belirli bir aralıkta değişen kord uzunlukları için eksenel indüksiyon faktörü değerleri hesaplanmıştır. Excel kullanmak yerine ardışık yaklaşımlar şeklinde bir programlama yoluna gidilebilir. Böyle bir programlama için MATLAB iyi bir seçimdir. Program, kullanıcıdan ana özellikleri içeren beş temel parametreyi (kord uzunluğunu, kaldırma kuvveti katsayısını, yerel kanat ucu hız oranını, kanat uzunluğunu ve kanat sayısını) girdi olarak alacak ve eksenel indüksiyon faktörü değerlerini hesaplayacaktır. Temelde, tasarımcılar kord uzunluğunu değiştirerek bu değişikliğin eksenel indüksiyon faktörü üzerindeki etkisini görebilir ve böylece her bir kesit için en uygun eksenel indüksiyon faktörünü elde edene kadar denemeye devam edebilirler.
Özet (Çeviri)
This World needs energy daily, the demand of the electrical energy increases since the world is developing and going to be cleverer with the machines and robots. Engineers are working to get as much as possible of electricity from several types because as the knowledge from the first law of Thermodynamics that energy can be transformed from one form to another form but cannot be destroyed. There are several types of energy, and these types will be under two categories; non-renewable and renewable energy. Wind energy classified as renewable energy, and the use of the wind is from the motion of it with a certain speed that will be used as kinetic energy. The use of wind energy is growing with the time, there are some countries planned to get the maximum possible of the electric power from the wind energy that they need. Wind turbines are used to get the energy from the wind to be converted into electrical energy by the rotation of the shaft. This shaft is connected into the rotor that consists of number of blades and hub. Air particles will hit the blades with an angle, and that rotates the rotor and the shaft connected to it, thus generating electricity using generators. Designers try to have the best design of the whole wind turbine with the components, so during design stage they must include all types of loads that will affect the wind turbine. In offshore wind turbines they care about the wave loads too. Thrust force is the force that is responsible of the bending of the blades; therefore, it is a critical force to be considered in design stage. In case of large blade deflections due to high thrust force, tips of the blades bend towards the tower and if these blades hit the tower, the wind turbine is catastrophically lost. The first part of this thesis considers an NREL-5MW Wind Turbine which is a Horizontal Axis Wind Turbine Type (HAWT) for the analysis of the effect of thrust force on the blades. The parts of the wind turbine are examined and the maximum thrust which is 800 kN for this wind turbine is used for forcing the blades to deflect in the direction of the tower. There are some several points to care about too, such as vibration analysis, natural frequencies, centrifugal forces and Coriolis effects. This study has been done just for a simple cantilever beam without including the points just indicated. There are several programs that can be used to simulate and model such problems. In order to make a reliable analysis the accuracy of the results must first be tested. Deflections of wind turbine blades in general seem hard to verify, if not impossible. Since the blades are fixed to the hub with free tips, their modeling as a cantilever beam is quite acceptable. Therefore, first a simplified case of a cantilever beam with concentrated load is considered to establish the reliability of results obtained for actual blade profiles. Applications to actual blade profiles then follow. Wind force will be applied on two-third length of the blade, and that is due to the wind is increasing with increasing elevation. Designers must consider the best efficiency for the wind turbines. Blade Element-Momentum method (BEM) is an iterative method that can be used to get the best performance from the wind turbines by adjusting definite parameters. BEM method is widely used in many branches of aerodynamics. For wind turbine design it is applied by dividing the blade into several elements along the span. In the second part of this thesis, BEM method is used to study the separate effects of each parameter in three cases by changing only one parameter at a time. Five parameters are studied; namely, chord length, lift coefficient, tip-speed ratio, blade length, and number of blades. The study is done for the same NREL-5 MW wind turbine using the BEM method. BEM method combining between element blade method with momentum method and has an equation from each method with the same two unknowns in the two equations. The first unknown is the thrust per annulus and the second one is the axial induction factor, which has to be 0.333 to get the maximum possible efficiency. Starting with the five parameters section, chord length is the first parameter that will be changing as 1.5 m, 1 m, 0.5 m while the other four parameters are constant. Lift coefficient is the first parameter and assumed to be 0.8, but the value of it can be determined from tables, formulas or experiments. The second parameter is local tip-speed ratio which is changing with the change of the local radius (blade element), but in this study of the parameters is taken constant as 5 while changing the chord length. Third parameter which is the blade length, is taken 15 m, and the last one is the number of blades which is taken as 3. Then the lift coefficient is varied as 0.8, 0.6, 0.4 with constant value for the other parameters. The chord length will be 1 m, local tip-speed ratio is 5, blade length is 15 m and number of blades is 3. Local tip-speed ratio will be the third parameter to study but will include for each case a constant local tip-speed ratio for all elements in the same case and the three cases are 6, 5, 4. Chord length is the same as the study for the previous parameters which is 1 m and for lift coefficient will have it as 0.8, the blade length will be 15 m as before and the number of blades too (3 m). The fourth parameter is blade length that is one of the main parameters that affect the efficiency of the whole wind turbine, the values of this parameter will be 58 m, 29 m, 15 m. Chord length is 1 m, lift coefficient is 0.8, local tip speed ratio is 5 and number of blades is 3. For the last parameter, which is number of blades, the cases will be as 3 blades, 2 blades and 1 blade. The study is done for each parameter separately, but the effect of each parameter depends on the other parameters too. Mainly, efficiency of wind turbine sections depends on the five parameters together. Blade Element-Momentum method also used to get the best performance from the same wind turbine that used for the thrust study case. The blade length is 61.5 m, number of blades is 3, lift coefficient assumed to be 0.9, local tip-speed ratio will be changing for each section and that due to the change of the local radius and it depends on the wind speed and rotational speed. The study has been done to get the value of chord length for each element that gives the required value of axial induction factor. The study has been done for 10 elements and showed the changing of axial induction factor for each section with changing chord length in a certain range between the maximum possible chord length and the minimum chord length can be used for any type or modal of wind turbines. Instead of using Excel, coding can be used to make this iterative process easily. MATLAB is a good choice to get this part done, can use a general code that asks the user about the main specifications, and they are the five parameters (chord length, lift coefficient, local tip-speed ratio, blade length and number of blades). This code will give the axial induction factor for the given specifications. Mainly, designers can change the chord length, so coding can be done to get for each element the value of chord length that gives the best axial induction factor.
Benzer Tezler
- Rüzgar enerjisi dönüşüm sistemlerinin aerodinamik kapsamı ve güç belirlenmesi analizlerinde potansiyel akım yöntemleri
Aerodynamic aspects of wind energy conversion systems and potential flow methods in performance prediction analysis
ALİ ALPER AKYÜZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. M. ADİL YÜKSELEN
- Analytical based modeling of damage induced by electromagnetic pressure impact of lightning on aerodynamic surfaces: Aircraft wing and wind turbine blade
Uçak kanadı ve rüzgar türbini pali aerodinamik yüzeylerinde yıldırımın elektromanyetik basınç etkisinden kaynaklanan hasarın analitik tabanlı modellemesi
AYSUN SOYSAL
Doktora
İngilizce
2024
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMatematik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM ÖZKOL
PROF. DR. EROL UZAL
- Rüzgâr türbini kanatlarındaki buzlanmanın türbin yüklerine etkisinin incelenmesi
Wind turbine load analysis of blade icing condition
CEM ŞAHİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ZEYNEP PARLAR
- Kanat yapısal deformasyonunun rüzgar türbini rotor performansı üzerine etkisi
Influence of blade structural deformation on wind turbine rotor performance
AKGÜN KALKAN
Doktora
Türkçe
2017
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZAHİT MECİTOĞLU
- Comparative study of transient and quasi-steady aeroelastic analysis of composite wind turbine blade in steady wind conditions
Kompozit rüzgâr türbin kanadının sabit rüzgâr koşullarında zamana bağlı ve neredeyse statik aeroelastik analizlerinin karşılaştırmalı çalışması
HAKAN SARGIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiUzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALTAN KAYRAN