RÜZGARLA GELEN BEREKET ...
KÜTÜPHANE
Teknoloji

YATAY EKSENLİ YELKAPAN TEKNOLOJİSİ

Modern yelkapanları oluşturan alt sistemleri yedi başlık altında incelemek mümkündür. Bunlar sırasıyla pervane, güç aktarma organları, alternatör, kafa, kule, temel, ve yer ekipmanlarıdır.

Yatay eksenli yelkapanlar

PERVANE
Başa Dön

Yelkapan pervanelerini “ rüzgar pervanesi ” olarak adlandırmak da mümkündür. Yelkapan pervanesi, pervane palaları ile palaları dönme ekseninde birleştiren ve güç aktarma sistemine bağlayan göbekten müteşekkildir. Yelkapan pervaneleri genellikle iki ya da üç palaya sahiptir. Nadir de olsa tek palaya sahip, karşı ağırlıkla dengelenmiş pervaneler bulunmaktadır.

Rüzgar pervaneleri aerodinamik açıdan uçak pervaneleri ile ortak özellikler taşımaktadırlar. Uçak pervanelerinin davranışını açıklamak için kullanılan aerodinamik ilkeler rüzgar pervanelerine de uyarlanabilir. Bununla beraber her iki pervane arasında farklılıklar mevcuttur. Uçak pervanelerinin aksine rüzgar pervaneleri akımdan enerji çekerler ve bu yüzden rüzgarın yavaşlamasına neden olurlar. Ayrıca rüzgar pervaneleri dönerken palaların uç hızı uçak pervanelerinin uç hızından oldukça düşüktür ve 0.4 Mach değerini pek geçmez.

ÖNDEN RÜZGARLI VE ARKADAN RÜZGARLI TERTİP

Rüzgar yönü dikkate alınarak, pervane ve kulenin birbirine göre konumu iki ayrı sistem tertibini mümkün hale getirir. Eğer pervanenin bulunduğu taraf yelkapanın ön kısmı olarak tanımlanırsa, rüzgarı önden alan “ önden rüzgarlı ” ve rüzgarı arkadan alan “ arkadan rüzgarlı ” olmak üzere iki ayrı teptip söz konusudur.

Arkadan rüzgarlı tertipte pervane palaları ile dönme düzlemi arasında bir “koniklik açısı” söz konusudur. Bu durumda pervane palaları daire şeklinde bir düzlemi taramak yerine tepe açısı oldukça büyük olan yayvan bir koninin yanal alanını tararlar. Yelkapan bu özellik sayesinde değişen rüzgar yönüyle birlikte kendiliğinden dönerek rüzgar yönünü takip edebilir. Bu durumda otomatik yön bulma mekanizmalarına gerek yoktur.

Arkadan rüzgarlı tertibin dezavantajı ise rüzgarın kule tarafından engellenmesiyle oluşan tekrarlı yüklerdir. Kulenin rüzgar üzerinde, pervaneye gelmeden önceki bu etkisi “gölge etkisi” olarak adlandırılır. Gölge etkisi aynı zamanda önemli bir gürültü kaynağıdır. Söz konusu gürültü nedeniyle önden rüzgarlı sistemler daha çok tercih edilmektedir.

Önden rüzgarlı tertibe sahip yelkapanlarda pervanenin rüzgar yönünü takip etmesi için otomatik yön bulma mekanizmaları kullanılır. Pervane çapı 6-7 m'nin üzerindeki yelkapanlarda kullanılan mekanizmalar elektronik kontrol sistemi tarafından kumanda edilirler. Söz konusu mekanizma, elektrik motoru ile tahrik edilen ve dönebilen kafadaki şasi üzerine tespit edilmiş bir pinyon dişlinin kule üzerine sabitlenmiş büyük dişli etrafında dönmesiyle çalışır. Küçük yelkapanlarda ise daha ucuz bir mekanizma olan kuyruk plakası kullanılır. Bu plaka sayesinde yelkapan, rüzgar yönünü kendiliğinden takip edebilir.

Arkadan rüzgarlı yelkapanda gölge etkisinin görüldüğü
eş-normal kuvvet katsayısı eğrileri (F.N.Coton 2001)

GÖBEK TERTİBİ
Başa Dön

Önden rüzgarlı yelkapanlarda genel olarak iki farklı göbek tertibi söz konusudur: Rijit tertip ve tahteravalli tertibi . Rijit göbek tertibinde her bir pervane palası göbeğe rijit olarak civata ile bağlanır ve göbek de pervane miline rijit olarak birleştirilir. Böylece her bir pala pervane miline ankastre olarak bağlanmış olur. Bu durumda pervanedeki tüm dinamik yükler olduğu gibi pervane miline aktarılır.

İki palalı pervanelerde kullanılan tahteravalli tipi göbek tertibi

İki palalı yelkapan pervanelerinde pervane mili üzerine gelen bu yükleri azaltabilmek için göbek genellikle tahteravalli tertibi şeklinde düzenlenir. Tahteravalli özelliği, aynı doğrultuda yer alan ve birbirine rijit olarak birleştirilmiş iki palanın göbeğe bağlanırken bir pim ile hareketine izin verilmesiyle sağlanır. Söz konusu pimin ekseni pervanenin dönme düzlemine paralel fakat palaların doğrultusuna diktir. Bu durumda palaların ileri-geri ± 10 ° den az olan periyodik hareketi pervanenin dönme frekansıyla eşit bir hızda gerçekleşir. Bu tahteravalli hareketinin sebebi rüzgar hızındaki ani değişimler ve rüzgar yönünü takip etmek için dönerken oluşan dengesizliklerin yanı sıra yükseklikle değişen rüzgar hızının her iki pala üzerinde farklı şiddette aerodinamik yükler oluşturmasıdır. Aşağıda olan pala düşük rüzgar hızlarına maruzken aynı anda yukarıda olan diğer pala daha yüksek rüzgar hızlarıyla karşılaşır. Tahteravalli hareketiyle, palalardaki bu dengesiz yüklemeden kaynaklanan momentin oluşturduğu yüklerin pervane miline aktarılması büyük ölçüde engellenebilmektedir. İki palalı yelkapanlardaki gibi tek palalı yelkapan göbekleri de, aerodinamik açıdan daha büyük dengesizlikler söz konusu olduğundan, tahteravalli tertibinde tasarlanırlar. Buna karşın üç palalı pervaneler genellikle rijit göbek tertibinde imal edilirler. Bunun sebebi, dengesiz yüklemeden kaynaklanan tekrarlı yüklerin üç palalı pervanede iki palalıya göre çok daha az olmasıdır. Çünkü üç palalı pervane dinamik olarak simetriktir ; yani pervane merkezinden geçen ve dönme düzleminde yer alan her eksene göre aynı kütlesel atalet momentine sahiptir.

Arkadan rüzgarlı pervanelerin göbek tertibi olarak rijit tertip kullanılmaz. Daha önce de belirtildiği gibi arkadan rüzgarlı tertipte pervane palaları ile dönme düzlemi arasında bir “koniklik açısı” söz konusudur. Bu tip pervanelerde koniklik, göbek bağlantısındaki pimlerle sağlandığından rüzgar şiddetine bağlı olarak değişir. Ayrıca her bir pala için ayrı bir pim kullanıldığından palalar aynı anda farklı açılara sahip olabilirler.

Arkadan rüzgarlı yelkapanlarda kullanılan göbek tertibi

Palaların göbeğe bağlantısını sağlayan söz konusu pimlerin eksenleri dönme düzlemine paralel fakat dönme eksenine diktir. Bu sistemin bir diğer avantajı ise rüzgarın pervaneye uyguladığı eksenel itme kuvvetinin dengelenerek hem palalara hem de pervane miline gelen yüklerin önemli ölçüde azaltılabilmesidir. Burada, aerodinamik itmeden kaynaklanan palalardaki eğilme momentinin, merkezkaç kuvvetin(F m ) oluşturduğu momentle dengelenmesi söz konusudur. Söz konusu moment şekil daki gösterime dayanılarak,

olarak ifade edilebilir.

Aerodinamik itmeden kaynaklanan eğilme momentinin merkezkaç kuvvetiyle dengelenmesi

PALA SAYISI
Başa Dön

Pala sayısının seçilmesinde aerodinamik ve yapısal etkenler başta olmak üzere değişik etkenler belirleyicidir.

Belli bir katılık oranı için, pala sayısı ne kadar az olursa bir palaya ait kesit alan değeri o kadar artacağından palanın dayanımı da artacaktır. Yapısal dayanım açısından pala sayısının mümkün olduğunca az seçilmesi iyidir. Belli bir katılık oranı için pervanedeki pala sayısının az olması oluşan gerilmeler açısından avantaj sağlamaktadır.

Dinamik eşlemeyi sağlayabilmek için pervanedeki pala sayısı azaldıkça daha yüksek uç hız oranlarında çalışmak gerekir. Dolayısıyla pervane milinde yüksek hızlar elde edebilmek için pervanede olabildiğince az sayıda pala kullanılır.

Yeterli bir kule-pervane boşluğunu sağlayabilmek için pala rijitliğinin belli bir düzeyde olması gerekir. Belli bir katılık oranına sahip pervanede pala sayısı arttıkça eğilme rijitliğinin azaldığı gözlenir. Üç palalı pervane ile sağlanan rijitlik miktarı palanın kuleye çarpmasını engellemeye yetecek düzeydedir.

Pala sayısı arttıkça aerodinamik verim de artar. Pala sayısının bir adetten ikiye çıkması aerodinamik verimin %6 artmasına neden olurken bu sayının ikiden üçe çıkması verimde %3'lük ek bir artış daha getirir. Pala sayısının daha fazla artırılması pala rijitliğinde önemli miktarda azalmaya neden olurken kazanılan verim artışı oldukça azdır.

Aerodinamik verimin pala sayısıyla değişimi (J.L. Tangler)

Pervaneden kaynaklanan ses yönünden de üç palalı pervane iki veya tek palalıya göre daha avantajlıdır. Belli bir pervane çapı ve katılık oranı için tek bir palaya etkileyen aerodinamik kuvvetler üç palalı pervanede iki palalı dakinin üçte ikisi ve tek palalı dakinin de üçte biri mertebesindedir. Neticede üç palalı pervane gerek önden rüzgarlı gerekse arkadan rüzgarlı tertipte gölge etkisinden kaynaklanan ve palaya etkiyen aerodinamik kuvvetlerle alakalı olan ani seslerin daha az olmasını sağlar. Ayrıca sabit bir devir sayısındaki belli bir ses şiddeti için her bir devirdeki üçlü ses ikili sesten daha az rahatsız edicidir. Bilindiği gibi, pala sayısı azaldıkça yüksek uç hızlarında çalışmak gerekir. Yüksek uç hızı ise pervanedeki sesin artmasına neden olur ki bu ses miktarı uç hızının beşinci kuvvetiyle doğru orantılıdır.

Dinamik olarak simetrik olması üç palalı pervaneyi iki ve tek palalı pervane karşısında daha tercih edilir kılmaktadır.

Estetik açıdan da pek çok insan üç palalı pervanenin göze daha hoş göründüğünü düşünmektedir.

Pala sayısını belirlerken yukarıda açıklanan tüm bu etkenler arasında uygun bir denge kurmak gerekir. Deneyimler sonucu bu dengenin üç palalı pervaneyle iyi bir biçimde sağlanabildiği görülmüştür. Bu yüzden önden rüzgarlı ve üç palalı pervane tipi büyük yelkapanlarda yaygın olarak kullanılan ve yelkapan endüstrisinde kabul görmüş bir konfigürasyondur.

PALA GEOMETRİSİ
Başa Dön

Yelkapan palasının kesiti damlaform biçimindedir. Damlaform kesitleri göbekten pala ucuna doğru küçülen veter uzunluklarına sahiptir. Bağıl hız doğrultusu göbekten uzaklaştıkça artar teğetsel hıza bağlı olarak değişir. Buna bağlı olarak damlaform kesitlerinin veter doğrultuları da hücum açısını ayarlayarak performansı optimize etmek için radyal doğrultu boyunca değiştirilir. Kısacası teğetsel hızın yarıçapa bağlı olarak değişmesi palaların radyal doğrultuda burulan bir yapıya sahip olmasını gerektirir.

Pala geometrisini oluşturan veter ve oturma açısı dalımını belirlemek için güç katsayısı , Cp, -ki pervane verimini ifade eder- optimizasyon kriteri olarak kullanılır. Cp'yi maksimum yapan geometriyi belirlemek için uygulanan optimizasyon yönteminde bazı parametreler tasarım başlangıcında seçilir ve hesaplamalar bu tasarım parametrelerine dayanılarak yapılır. İTÜ'de geliştirilen ve güç katsayısını optimizasyon kriteri olarak kullanan aerodinamik tasarım programı PALA, tasarım parametreleri olarak uç hız oranı, C L / C D oranı, pala sayısı, tasarım taşıma katsayısı, kullanılan damlaforma ait taşıma ve sürükleme katsayılarının denklemlerini kullanır.

PALA programıyla elde edilen geometri değerleri, belli bir rüzgar hız frekansı dağılımı için en yüksek yıllık enerji üretimini gerçekleştirecek güç eğrisini elde etmek üzere tersine tasarım yöntemiyle iyileştirilir. Uygulanan bu ikinci optimizasyon işleminde optimizasyon kriteri olarak yıllık enerji üretimi göz önüne alınır ve hesaplamalar rüzgar hızı-devir sayısı ilişkisi ile tanımlanan belli işletme şartlarına göre yapılır.

Yelkapan tasarımcıları tarafından kullanılmaya başlanan bir başka optimizasyon kriteri ise “ minimum enerji maliyeti ” dir. Bu kritere göre yapılacak olan optimizasyon işlemi disiplinler arası bir çalışmayı gerektirmektedir. Söz konusu çalışmada bir aerodinamik model, palalar için yapısal bir model, palaların maliyet modelleri, yelkapana ait ana komponentler göz önüne alınır ve her üç optimizasyon kriteri birlikte kullanılır. Minimum enerji maliyetine göre yapılan optimizasyon düşük pervane katılık oranı ile yüksek pervane hızlarına doğru bir eğilimi doğurmaktadır. Fakat bu büyüklükler maksimum yıllık enerji üretimi ve gürültü parametreleri tarafından sınırlandırılırlar.

Pala geometrisini belirleyen aerodinamik modeller ve uç geometrisi hakkında herhangi bir bilgi vermekten uzaktırlar. Deneyimler sonucu, hücum kenarı tarafındaki köşesi yuvarlatılan pala uçlarının (a) iyi bir aerodinamik performans sağladığı gözlenmiştir. Uç geometrisinden kaynaklanan ses seviyesini düşürmek için kullanılan kılıç biçimli bir diğer uç geometrisi (b) ise aerodinamik açıdan daha düşük bir performans sergiler. Uç geometrisini seçerken aynı zamanda performans ve gürültü arasında da bir seçim yapma gereği ortaya çıkmaktadır.

a)Aerodinamik performansı daha iyi b)Gürültü performansı daha iyi
Palanın uç geometrisi ( J.L.Tangler)

Konstrüksiyon gereklerini yerine getirmek için, palanın rüzgar enerjisini yakalayan aktif kısmı, dönme merkezinden belli bir r mesafesinden başlar ve pala ucuna kadar uzanır. Bu kullanılmayan r yarıçaplı alan pervanenin toplam alanı içinde oldukça küçük bir yüzdeye sahiptir. Bu oran,

şeklinde ifade edilebilir. Örneğin, 10 metre yarıçaplı bir pervanenin aktif kısmı 8 metre ise göbek yarıçapı pervane yarıçapının %20'si olur. Bu durumunda, atıl alan toplam alanın sadece %4'ünü teşkil eder ve pervane alanının %96'sından aktif olarak enerji çekilmesi geometrik açıdan mümkün olur.

PALA MALZEMELERİ
Başa Dön

Belli bir dayanım ve rijitliği sağlaması beklenen palanın aynı zamanda atalet ve jiroskopik yükleri en aza indirmek üzere olabildiğince hafif olması istenir. Bu kısıtları sağlayabilmek için 90'lı yıllardan itibaren hemen hemen tüm yelkapan üreticileri pala malzemesi olarak kompozit malzemeleri, genellikle de fiberglası kullanmaya başlamışladır. Bunun yanı sıra polyester, vinilester ve epoksi içeren kompozit malzemeler kullanılmıştır. Polyester ve vinilister ucuz olduklarından başlangıçta oldukça rağbet görmüş fakat daha sonraları bunların yerini daha iyi malzeme özelliklerine sahip olan epoksi almaya başlamıştır.

Başarıyla uygulanan bir diğer malzeme ise ahşaptır. Uzunluğu 3 m'ye kadar olan palalar için dolu olarak ahşaptan imal edilebilmektedir. Bunun yanı sıra Amerika'daki yat imalatçısı Geugeon Brothers, Inc. (GBI)'nin laminasyon yöntemiyle ürettiği ve çapı 43 m'ye varan ahşap-epoksi pervaneler başarıyla kullanılmaktadır.

GÜÇ AKTARMA ORGANLARI
Başa Dön

Bir yelkapandaki güç aktarma organları pervanedeki mekanik enerjiyi alternatör miline iletmek için gereken parçalardan oluşur. Bu sistem, yatay eksenli yelkapanlarda kulenin üzeinde yer aldığından en az bakım gerektirecek şekilde tasarlanması gerekir. Tipik bir yatay eksenli yelkapandaki güç aktarma organları, pervane mili (düşük hız mili), hız yükseltici dişli kutusu, alternatör bağlantı mili (yüksek hız mili) ile kontrol ve yağlama ekipmanlarından meydana gelir.

Pervane mili yelkapandaki en kritik parçalardan birisidir. Bu mil, pervanenin ağırlığını, pervaneye etkiyen tüm aerodinamik itme kuvvetlerini, yanal kuvvetleri taşımak ve pervanede oluşan torku iletmek durumundadır. Tüm bu kuvvetler mil üzerinde yorulma yükleri olarak etkili olurlar. Söz konusu parça yorulmaya göre tasarlanırken yorulma ömrü en az sistemin kullanım ömrü kadar olacak şekilde boyutlandırılır.

Pervane çapı büyüdükçe gerekli uç hızlarına daha düşük devir sayılarıyla ulaşılabilir. Pervane milindeki bu düşük hız, az kutuplu alternatörler için yeterli olmadığından araya hız yükseltici bir dişli kutusu konur. Büyük yelkapanlarda kullanılan hız yükseltici dişli kutularının çevrim oranı 100/1'e ulaşabilir. Eğer alternatör yeteri kadar çok kutuplu ise düşük devir sayılarında çalışabileceğinden dişli kutusuna ve yüksek hız miline gerek kalmaz. Bu durumda pervane mili doğrudan alternatöre bağlanabilir. Bunun için kullanılan çok kutuplu alternatörler ebat ve ağırlık olarak daha büyüktürler. Bu tip doğrudan sürüm teknolojisini büyük yelkapanlarda kullanan uygulamalara Alman yelkapan üreticisi Enercon'un ürettiği sistemler örnek olarak gösterilebilir.

Küçük yelkapanlarda pervanenin yarıçapı küçük olduğundan dönme hızı yüksektir ve çoğu zaman arada bir dişli kutusu kullanmaya gerek kalmadan pervane mili alternatöre doğrudan bağlanabilir.

Kademeli dişli kutusu kullanıldığında pervane mili ve karşısındaki ilk kademe mili, ortası boş olarak imal edilirler. Böylece pervanede kullanılacak kablo, hidrolik tesisat vb. için bağlantılar buradan yapılır. Vestas'ın yelkapanlarında dişli kutusu arkasına yerleştirilen bir hidrolik silindir ile bunun kontrol ettiği dönerpalalı kontrol mekanizması arasındaki bağlantı da bu boşluktan yapılmaktadır. Orta ve büyük boyutlu yelkapanlarda daha hafif olan planet dişli sistemi kullanımı gittikçe yaygınlaşmaktadır.

Yüksek hız mili dişli kutusu çıkışı ile alternatör arasındadır. Mekanik pervane freni daha çok bu mil üzerinde yer alır. Bunun yanısıra bakım kilidi ve tork sınırlama sistemi de bu mil üzerine yerleştirilir.

KAFA
Başa Dön

Yelkapan kafası kulenin üzerinde yer alır. Ana elemanları taşıyıp muhafaza eden yelkapan kafası, sahip olduğu ve esasen bir dişli mekanizması olan yöneltme sistemi sayesinde gerektiğinde kendisi-nin pervane ile birlikte dönerek yelkapanın rüzgar yönünü takip etmesini sağlar. Ana elemanların üzerine yerleştirildiği ve yükleri taşıyan bir şasi, sistemi dış etkilerden koruyan bir muhafaza ve yöneltme sistemi olmak üzere üç ana bölümden oluşur.

Şasi üzerinde pervane mili, dişli kutusu ve alternatör gibi ana elemanların yanısıra kontrol ünitesi, hidrolik besleme ünitesi gibi yukarıda bulunması gereken yardımcı ekipmanlar da yer alır. Şasi konstrüksiyonu için çelik profiller kaynaklı ve civatalı bağlantılarla birleştirilir ve yapı sisteme gelen tüm yükleri taşıyabilecek biçimde rijit olarak tasarlanır. Şasiye gelen tüm yükler rulmanlı bir yatak üzerinden kuleye iletilir. Şasinin üzerine oturduğu ve kafayı kuleye bağlayan yatak hem eksenel hem de radyal yüklere maruz kalır. Yatağın sabit dış bileziğinin etrafında yöneltme mekanizmasının büyük dişlisi bulunur. Kuleye göre sabit olan bu dişli etrafında, bir veya iki tane pinyon dişli şasi üzerine mesnetlenmiş olarak çalışır. Pinyon dişlileri tahrik eden elektrik motorları, yelkapan kafası üzerindeki bir rüzgar yön sensöründen alınan bilgilere göre elektronik olarak kontrol edilirler. Pinyon dişlileri tahrik etmek için elektrik motoru yerine hidrolik motor da kullanılabilir. Kafayı rüzgar yönünde sabitlemek için bir tür fren veya kilit mekanizması kullanmak gerekir.

KULE
Başa Dön

Bir yatay eksenli yelkapan kulesi pervane ile birlikte güç aktarma organları ve alternatörün belli bir yükseklikte çalışmasını sağlar. Minimum kule yüksekliği pala ucunun dönerken geçtiği en alt nokta ile zemin arasında gereken mesafeye göre belirlenir. Rüzgar hızı yükseklikle birlikte arttığından daha fazla enerji yakalayabilmek için kule, gereken minimum yükseklikten daha uzun yapılabilir. Buna göre uygun kule yüksekliği, elde edilebilecek enerji artışı ile imalat ve montaj maliyetlerindeki artışın dengelenmesiyle belirlenir.

Bazı yelkapanların kuleleri betonarme olarak yapıldıysa da bu malzeme ticari uygulamalarda tercih edilmemiştir. Çelik kafes tipi kuleler bir çok ticari uygulamada kullanılmıştır. Bu kulelerde çekmeye çalışan bazı elemanlar için çelik halat kullanılarak kulenin olumsuz aerodinamik etkisi azaltılmaya çalışılmıştır. Günümüzde en yaygın biçimde kullanılan kule tipi ise silindirik çelik kulelerdir.

Kule tasarımında iki temel yaklaşım söz konusudur: esnek tasarım ve esnek olmayan –rijit- tasarım. Esneklik için belirleyici olan kriter ise frekans oranıdır. Esnek olmayan tasarımlarda kulenin doğal frekansının rotorun frekansına oranı pala sayısından büyüktür. Başka bir deyişle kulenin doğal frekansının palaların kule önünden geçerken oluşturdukları tekrarlı yüklerin frekansına oranı 1'den büyüktür. Dolayısıyla esnek olmayan tasarımlarda sistem hiçbir zaman rezonans noktasında çalışmaz. Daha hafif tasarımlar olan esnek kulelerin frekans oranı ise 1'den küçüktür. Esnek tasarım yaklaşımına göre imal edilen düşük doğal frekansa sahip silindirik çelik kuleler için daha az malzeme kullanılmaktadır. Esnek tasarımların bir diğer avantajı da daha uzun kulelerin güvenli ve ekonomik olarak kullanımını mümkün hale getirmesidir. Bununla beraber dikkat edilmesi gereken bir husus, kalkışlarda ve duruşlarda rotor hızının rezonans noktasından geçerken bekleme yapmadan çabucak artması veya azalmasının gerekliliğidir.

ENA Mühendislik Danışmanlık Enerji Makina ve Yelkapan Sanayi Ticaret Limited Şirketi
Telefon:(232) 765 90 97 Faks:(232) 765 90 97 e-posta: ena@ena.com.tr
© ena 2008