Rüzgar Türbin Pervanesi

17 Ekim 2009

Pervane bir rüzgar türbinin en önemli ve en çok göze batan parçasıdır. Pervane rüzgardaki kinetik enerjiyi alır mekanik mil enerjisine dönüştürür. Bir rüzgar türbin pervanesinin bileşenleri kanatlar, pervane göbeği, mil, mil yatağı ve diğer içsel parçalardır.

Rüzgar türbin kanatları profil bölümlerine sahiptir. Tek kanatlı pervaneleri tasarlamak mümkün olsa da bu tür pervanelerde dengeleme problemi gerçek bir mühendislik meydan okumasıdır. Tek kanatlı pervaneler daha hızlı dönerek aşırı titreşime ve sese sebep olurlar. Bu tip pervaneler görsel olarak da uygun değildir. Çift kanatlı pervanelerde de aynı dengeleme ve görsel uygunsuzluk sorunları mevcuttur. Bu yüzden hemen hemen bütün ticari tasarımlar üç kanatlıdır. Batarya şarjı için kullanılan bazı küçük rüzgar türbinleri düşük rüzgar hızlarında kendi kendine başlayacak şekilde tasarlandıkları için dört, beş hatta altı gibi daha çok sayıda kanada sahip olabilirler.

Pervanenin büyüklüğü türbinin nominal gücüne bağlıdır. Dolar / kW cinsinden belirtilen türbin maliyeti türbin boyutlarındaki artışla beraber düşer. Bu yüzden pazarda MW çapındaki tasarımlara rağbet artmaktadır. Örneğin NEG Micon yakın bir geçmişte Danimarka’da 4.5 MW gücünde bir prototipin kurulumunu gerçekleştirmiştir. Bu türbinin kanatları yekpare 54 m.lik kanatlardan inşa edilmiştir. Bazı üreticiler gelecekteki projeleri için daha uzun kanatlar tasarlamaktadır. Örneğin LM fiberglastan 61.5 m.lik bir kanat 125 m.lik bir pervaneye sahip 5 MW’lık bir türbine Alman REpower Systems tarafından monte edilmektedir.

Kanatlar ağaçtan karbon kompozitlerine kadar çok çeşitli malzemeden üretilmektedir. Ağaç ve metal kullanımı küçük ölçekli birimlerle sınırlıdır. Büyük ölçekli ticari sistemlerin bir çoğu çok katmanlı fiberglas kanatlara sahiptir. Kanat yapısını geliştirmek için malzeme matrisini, destek yapılarını, katman sonlandırmalarını ve üretim metotlarını iyileştirme çalışmaları yapılmaktadır. Geleneksel kanat üretim metodu açık kalıplı ıslak dökümdür. Bazı üreticiler kanatları vakum destekli reçine kalıplara aktararak üretmektedirler.

Şekil 1  Kanatların öne doğru bükülmesi

Boyuttaki artışla beraber karbon – glas hibrid kanatlar bazı üreticiler tarafında denenmeye başlamıştır. Aşırı ve defalarca tekrarlanan yüklenmelerde bu kanatların daha dayanıklı bir karakteristik sergilemeleri beklenmektedir. Karbonun sertlik derecesinin yüksek olması aşırı rüzgarlarda kanatların bükülme ihtimalini zayıflatmaktadır ve böylece kanatların kuleye daha yakın monte edilmesi mümkün olmaktadır. Karbon ayrıca kanatların yanlamasına kırılganlık direncini de arttırmakta, bu da daha büyük pervaneler için avantaj sağlamaktadır. Karbon kompozit tasarımlar sayesinde kanatların ağırlığı % 20 oranında azalmaktadır. Genellikle ağırlık kanat uzunluğunun küpüyle doğru orantılı olarak artar. Karbondan yapılan kanatlarda ağırlık kanat uzunluğunun 2.35 üssüyle doğru orantılıdır. Pervanenin hafif olması kulenin, göbeğin ve diğer destek yapılarının da hafif olması demektir. Bu durumda sistem maliyeti düşer. Dahası; tasarımda karbonun kullanılması ile kanatları bükümlü kuplajlayabiliriz. Bükümlü kuplaj gücün daha iyi şartlandırılmasını ve rüzgar hamlelerine ani tepki verilmesini sağlayarak performansı arttırır. Fakat karbon – elyaf hibrid kanatlar yüksek maliyetlidir.

Modern rüzgar türbinlerinin bir çoğu rüzgarı önden alan pervanelere sahiptir. Rüzgar yüklemesi sırasında bu pervanelerin kanatları kuleye doğru itilebilir. Bu durumda efektif kanat uzunluğu ve böylece pervane alanı azalır. Bu geri bükülme kanatların yorulmasına da sebep olur. Bu problemi önlemek için modern pervaneler ön – bükümlü geometrilerde üretilirler. Ön – bükümlü kanatlar tam uzunluklarına rüzgar yükleri altında ulaşırlar, böylece Şekil 1.de gösterildiği gibi potansiyelin tamamından faydalanırlar.

Rüzgar türbinlerinin temel aerodinamik özellikleri ile ilgili teoriler olan eksensel momentum teorisi, kanat element teorisi ve şerit teorisine göre rüzgar türbin kanatlarının tasarımı için bir prosedür de geliştirilmiştir.  Bir rüzgar türbinin işletmeye alınma koşulları ağır ve tahmin edilemezdir ve bu yüzden matematiksel formüllerle tam olarak açıklanamazlar. Üstelik, pervane etrafındaki akış kanat elementleri ile akışkan parçacıkları arasında dinamik etkileşimler barındıran oldukça karmaşık bir süreçtir. Rüzgar rejiminin kararsız ve dalgalı koşulları altındaki sistem davranışının anlaşılabilmesi için atmosferik akışkanlar dinamiği, aerodinamik ve yapısal dinamikler konularında uzmanlık gerekir. Bu yüzden rüzgar pervanesi performansının doğru ve güvenilir bir şekilde modellenmesi konusu bu alanda çalışan fen adamları ve mühendisler için hala bir meydan okumadır.

Pervane tasarımı ve performans tahmini için hem araştırmacılar hem de endüstrideki uzmanlar tarafından çeşitli nümerik metotlar kullanılmaktadır. Yaygın yaklaşımlardan bazıları; Kanat Element Momentum metodu, Burgaç Örgü metodu ve Reynolds – ortalanmış Navier – stokes metodudur. Tasarım için bu modelleri baz alan bilgisayar kodları da mevcuttur. Bu metotların hepsi doğasında üstün özellikler ve kusurlar barındırır. Örneğin Kanat Element Momentum ve Burgaç Örgü metotları pervanenin ön – kitleme davranışının modellenmesinde başarılıdırlar. Fakat bu modeller kitleme ve kitleme gecikme performansının açıklanmasında yetersiz kalırlar. Bu bakımdan bu modeller yüksek rüzgar hızlarında doğru sonuçlar vermez. Bu koşullar altında Reynolds – ortalanmış Navier – stokes metodu tercih edilir. Bu metot da pervane burgaç gerisi konveksiyonunun ve sınır katman türbülansının modellenmesinde yetersizdir. Ayrıca bu modellerin normal akış koşullarını baz alan farklı varyasyonları da kullanılmaktadır.

Tasarım sürecinde, değişken rüzgar koşulları altında pervane yüklenme modelleri ve malzemelerin yorulma özellikleri de göz önüne alınmalıdır. Rüzgar çiftliklerinde normal aerodinamik yüklerin yanı sıra türbinler arasındaki etkileşimler de kanatlarda öngörülemeyen aşırı gerginliklere yol açabilir. Tasarım süreci hem aşırı hem de yinelemeli yüklenme koşullarını dikkate almalıdır. Aşırı yüklenmede sistemin beklenen en yüksek yüke karşı yapısal kararlılığının hesabı yapılmalıdır. Genellikle sistemin sürdürülebilirliği 50 yılda bir rastlanan ve 10 dakika süren aşırı rüzgar yükü koşullarına göre değerlendirilir.

Yinelemeli yüklerin analizinde, işletme süresi boyunca tekrar eden bir dizi elverişsiz koşul altında sistemin çalışması incelenir. Bu koşulların yineleme frekansı değişebilir, bu yüzden ayrı ayrı meydana geliş sıklığı olasılıklarına göre ağırlıklandırılırlar. Her iki koşulda da sistem tepkisi rüzgar hızının bir fonksiyonu olarak değerlendirilir. Kanadın belirli bölümleri yorulmaya ve arızalara daha dayanıklıdır. Örneğin kök bölümü ve kökten kanat uzunluğunun 1/3 üne kadar olan bölümler olası arıza bölgeleridir. Diğer bir problem de kanadın maksimum veter bölümünde kıvrılmasıdır. Bu aksaklık ilerleyerek kanadın tamamen arızalanmasına yol açabilir.

Pervane yüklenmesi ya parametrik metotlar ya da ampirik metotlar kullanılarak analiz edilebilir. Parametrik yaklaşımda, sistemin belirli bir yük koşuluna tepkisi istatistiksel modeller sayesinde tanımlanır. Bu metot sağlam istatistiksel teorilere dayandığı için sistem tepkisini daha düşük ya da yüksek frekans seviyelerine dış değerlemek mümkün olabilir. Yüklerin belirsizlik seviyeleri de analize dahil edilebilir. Parametrik yaklaşımda genellikle Wiebull dağılımı kullanılır.

Ampirik yaklaşımlarda benzetimi yapılmış bir koşullar grubu altında pervane yükleri incelenir. Sistem tepkisi önceden tanımlanmış çevre koşulları altında 10 dakika gibi kısa aralıklarla gözlemlenir. Bu daha sonra türbinin ömür zamanının tamamına ekstrapole edilir. Bu metottaki en büyük kısıtlama, sonuçların geçerliliğinin sadece denemelerin yürütüldüğü koşullarla sınırlı olmasıdır. Benzetim süreci altında çalışma koşullarının bütün olası kombinasyonlarını göz önüne almak mümkün olmamaktadır. Bu yüzden rüzgar pervanelerinin yorulma yüklerinin tahmininde parametrik analiz daha iyi bir araçtır.

Kanatların işletme boyunca sağlamlığını gözetlemek, kanat yorgunluğunu algılamak ve düzeltmek için kullanılan yollardan birisidir. Arıza ihtimali erken bir evrede belirlenebilirse hemen önlem alınabilir, böylece hatalı bölgelerin bütün kanadın çökmesine sebep olacak şekilde yayılması ve daha fazla ilerlemesi önlenebilir. Gerilim dalgalarının izlenmesi gibi arıza tespit metotları kanatların sağlamlık gözetiminde etkin bir şekilde kullanılmaktadır. 

Pervanenin kanatları göbek (hub) döner ünitesine monte edilir. Göbek (hub) döner ünitesi göbek, cıvata ve somunlar, kanat rulmanları, yiv sistemi ve diğer iç bileşenlerden oluşur. Göbek (hub) kanadın en önemli bileşenlerinden birisidir ve yüksek mukavemet özelliğine sahip olması gerekir. Kanat kökünün bükülme momentinden dolayı yinelemeli yüklemeye maruz kalır. Göbeğin kendine özgü yapısından ve beklenen yüklenmelerden dolayı küresel grafit dökme demir gibi özel demir alaşımlarından üretilirler. Göbeğe etki eden kuvvetler tasarımı karmaşık bir sürece dönüştürür. Göbek döner ünitesinin en uygun tasarımı için üç boyutlu Sonlu Element Analizi ve topolojik optimizasyon teknikleri etkin olarak kullanılmaktadır. Türbinin ana mili ana rulmanların arasından geçer. Rüzgar türbinlerinde genelde makaralı rulmanlar kullanılır. Bu rulmanlar ana milin düzkesimindeki ufak tefek hataları tolare ederek fazlalık kenar yüklerin ortaya çıkmasına engel olurlar. Bu rulmanlar sert ilkim koşullarına karşı yüksek kalitede gres yağı ile yağlanırlar. Su, kir ve toz sızmasını önlemek için rulmanlar mühürlenir. Bunun için bazen labirent paketleme sistemi kullanılır. Ana mil kuvvetlendirilmiş ve sertleştirilmiş çelikten yapılır.

Montajı yapılmış bir türbinin rulmanlarını değiştirmek oldukça masraflı bir işlemdir. Bunun için uzun bir işletme ömrünü ve güvenilir bir performansı garantiye almak için son zamanlarda yapılan bazı tasarımlarda hibrit seramik rulmanlar kullanılmaktadır. Seramik hibritlerin avantajları; yüksek sertlikleri, korozyon sorunlarının olmaması ve sert ve olumsuz işletme koşullarına karşı daha dayanıklı olmalarıdır. Bu rulmanlar hafiftirler daha yumuşak bir performans sergilerler. Seramik hibritlerin elektriksel dayanıklılığı elektrik arkı olasılığını engeller. Bu rulmanlar standart rulmanlardan daha yüksek maliyetlidir. Ama, daha iyi performans sergiledikleri için uzun vadede ekonomiktirler.