500 KW enerji kapasiteli bir rüzgar türbininin çelik kule tasarımı
Steel tower design for a 500 KW wind turbine
Yazar: FAİK ALPER KANBUR
Danışman: YRD. DOÇ. CÜNEYT VATANSEVER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Çelik yapılar = Steel structures

Özet:
Günümüzde nüfusa bağlı olarak hızla artan enerji ihtiyacı, mevcut enerji kaynaklarının sınırlı ve çevreye zararlı olması, yenilenebilir enerjiye olan ilgiyi artırmıştır. Doğanın sunduğu sonsuz enerjiyi dönüştürerek çevreye zarar vermeden, insanların ihtiyaçlarında kullanacağı enerjiye çeviren yenilenebilir enerji sistemleri içinde, rüzgar enerji sistemleri önemli bir konumdadır. Rüzgarın kinetik enerjisini pervaneler ile jenaratörlere aktararak elektrik enerjisine çeviren rüzgar türbinleri, zaman içerisinde potansiyellerini artırmışlardır. Rüzgar türbin pervanesini daha yüksek rüzgar hızlarına ulaştıran rüzgar türbin kuleleri, bu potansiyelin artmasındaki önemli faktörlerdendir. Tarihsel süreçte farklı yapı sistemleri ve malzemelerinin tercih edildiği rüzgar türbin kulelerinde, tasarım özel bir mühendislik konusudur. Kule tasarımda farklı yapı sistemleri deneniyor olsa da günümüz enerji sektöründe en fazla tercih edilen sistem çelik silindirik kuleler olmuştur. 
Bu tez çalışması, ana hatlarıyla silindirik çelik gövdeli bir kulenin tasarımındaki dinamik özellikleri, yükleme senaryolarını ve çelik yapı tasarım kriterlerini kapsamaktadır. Tezin sayısal uygulamalar bölümünde; TÜBİTAK destekli, "Milli Rüzgar Enerji Sistemleri Geliştirilmesi ve Prototip Türbin Üretimi-MİLRES", projesi kapsamında tasarımı yapılan silindirik çelik rüzgar türbin kulesine ait sayısal incelemeler bulunmaktadır.    
Tez çalışmasının birinci bölümünde, tezin amacı ve kapsamı ile konu ile ilgili yapılan literatür araştırması yer almaktadır.
Çalışmanın ikinci bölümünde, ilk olarak rüzgar türbinlerinin geçmişten günümüze geçirdiği tarihsel süreç ve günümüzde rüzgar enerjisinin yeri açıklanmıştır. Sonrasında tez çalışmasında tasarım kuralları incelenecek olan yatay eksenli rüzgar türbinlerinin ana elemanları tanıtılmıştır. Bu bölümde son olarak rüzgar türbin kulelerinin tasarımında tercih edilen yapı türlerine değinilmiştir.
Rüzgar türbin kulesi ön tasarımında en önemli parametre olan dinamik özelliklerden tez çalışmasının üçüncü bölümünde bahsedilmiştir. Kuleye ait doğal frekansın belirlenmesinde kullanılabilen üç farklı yöntem ve türbin çalışma frekansları ile kule doğal frekansının rezonansa girme kriterleri açıklanmıştır. Son olarak bir rüzgar türbin kulesine etkiyecek yorulma yüklerini doğrudan etkileyen dinamik yük artırma katsayısı hesabı hakkında bilgi verilmiştir.
Tez çalışmasının dördüncü bölümünde rüzgar türbin kulelerine etkiyecek tasarım yüklerine dair hesap yöntemleri yer almaktadır. IEC 61400-1 Rüzgar Türbinleri Tasarım Kuralları standartında belirtilen yükleme senaryoları baz alınarak,  Eurocode 1991-1-4 ve ASCE 7-05 yük yönetmeliklerine göre kuleye etkieyecek rüzgar yükü hesaplamaları teorik olarak anlatılmıştır. Ayrıca bu bölümde kule tasarımında kullanılacak deprem yüklerinin DBYBHY 2007 yönetmeliğine göre hesap yöntemleri yer almaktadır. Son olarak tasarımda kullanılacak yük kombinasyonlarına değinilmiştir.
Çelik silindirik rüzgar türbin kulesini oluşturan gövde ve bulonlu flanş birleşimlerinin tasarım kuralları beşinci bölümde yer almaktadır. Gövde tasarımında dört adet sınır durum incelenmiştir. Kule gövde dayanım kontrolü için AISC 360-05 yönetmeliğinde belirtilen LRFD yöntemine göre tahkikler belirtilmiştir. Stabilite sınır durumu için ECCS tarafından belirtilmiş hesap adımları anlatılmıştır. Kule yorulması sınır durumu için hesap kriterlerinde, EN 1993-1-9 yönetmeliğinde belirtilen dayanımlar esas alınmış ve hasar birikim metoduna ve hasar eşdeğer yükü yöntemine göre tasarım değerlendirilmiştir. Flanş tasarımında üst flanşlar ve taban flanşları için ayrı tasarım teorileri yer almaktadır. Üst flanşlar için statik dayanım kontrolünde, flanş davranışını temsil etmek üzere bölünen hücrelerde oluşacak göçme modlarına göre dayanımlar incelenmiştir. Taban flanşı tasarımında da hücre elemanlarla çalışma yapılmış ancak; taban flanşı plastik davranışı ile benzerlik gösteren T-stub bağlantı için oluşacak göçme modlarına göre dayanım hesapları belirtilmiştir.
Bölüm 6'da Tübitak destekli, "Milli Rüzgar Enerji Sistemleri Geliştirilmesi ve Prototip Türbin Üretimi-MİLRES" projesi kapsamında ön tasarımı yapılan kule gövdesi, bulon flanş birleşimlerine ait geometrik ve malzeme parametreleri belirtilmektedir. Kule ön tasarımına göre; dinamik özellikler, yükleme durumları ve çelik tasarım esasları ile ilgili sayısal incelemeler yer almaktadır. 
Silindirik çelik bir rüzgar türbin kulesinin tasarım aşamalarına ait, incelenen hesap yöntemleri ve sayısal uygulamaların değerlendirmesi yedinci bölümde yer almaktadır. Bu bölümde, tasarımda belirleyici olacak dinamik karakteristiklere ve yükleme durumlarına değinilmiştir. Rüzgar türbin kule gövdesinin tasarımında incelenmesi gereken dört sınır durum hakkında sonuçlar açıklanmış ve değerlendirmeler yapılmıştır. Plastik davranışı incelenen flanş birleşimlerinin statik dayanım tahkik sonuçları ve göçme modları hakkında bilgi verilmiştir. Türbinden etkiyen rüzgar yükleri ve yorulma yükleri hakkında yapılan kabullere değinilmiş ve son olarak gelecek çalışmalarda dikkat edilmesi gereken hususlar belirtilmiştir.

Abstract:
In today's world, interest and demand for renewable energy is constantly increasing due to limited and harmful fossil energy sources and imminent shortage of these sources due to increasing world population. With the current population growth rate, especially in developing countries, and increasing demand for energy sources for industry to keep up with the growing population, not only makes usage of existing fossil fuel sources not sustainable in the long run but also causes severe damage to the environment. As an alternative to the harmful fossil fuel sources, renewable and clean sources of energy start to get more attention as a viable option.
Among several renewable and clean energy alternatives, wind energy has a significant presence and potential for increased usage in the future. Wind energy systems transform kinetic energy of the wind, by turning wind turbine blades and generators, into electric energy for residential or industrial consumption, without any harm to the ecosystem.  Wind energy has gained more popularity in the recent years, with increasing capacity wind power plants all over the world. By manufacturing blades and structures that reach higher elevations to take advantage of the higher velocity wind profile, it can be said that wind turbine towers are one of the most significant source of energy today. Historically, variety of structural systems and materials has been used in the construction of wind turbine towers. Nowadays, it is realized that for an efficient and durable wind turbine tower design, collaboration between structural and mechanical engineering is very crucial. Although there are a number of different types of structural systems designed and erected among wind towers, tubular steel tower remains the most common type of tower in today's wind energy market.
In this thesis, dynamic characteristics, load cases and steel design criteria for a steel wind turbine tower is discussed substantially. Numerical examples section includes typical calculations for prileminary design of a steel tubular tower of a national project, namely MİLRES (Improving National Wind Energy Systems and Production of Prototype Wind Turbine), a project supported by TUBİTAK both technically and financially. 
In the first part of the thesis, scope and limitations of the thesis is discussed. In addition,  reputable and supporting literature research steps are illustrated. 
The second part of thesis has general background information about the history of windmills, and today's wind energy potential. Additionally, main components of a horizontal wind turbine system is introduced in this section. Finally, structural system choices for design of wind turbine towers are explained.
Wind turbine tower's dynamic characteristics, which is the most important phenomenon for preliminary design of the tower, has been discussed in the third part of the thesis. Three ways to calculate the natural frequency of the tower, specifically Modal analysis, rayleigh method, and Baumeister method, are also introduced. The resonance criteria of wind turbine tower's natural frequency and wind turbine operational frequencies is illustrated. Finally, calculation of dynamic magnification factor, which depends on the surroundings of tower natural frequency and turbine's operational frequencies, directly impacts fatigue loads.
In the forth section, calculations of loads which the wind tower gets exposed to during the entire life time is explained. According to the load cases which is illustrated in IEC 61400-1 (Design Requirements of Wind Turbines) regulation, the calculation methods of direct wind loads on tower by using EN 1991-1-4 and ASCE7-05 are provided this section. For the earthquake load calculations, the methods in Turkish Earthqake Standart (DBYBHY 2007) are listed. Lastly, load combinations for design are illustrated according to ASCE7-05.
Steel tubular tower and flange connection design is discussed in Section 5. For steel tubular tower four limit states is expressed in IEC 61400-1 regulation. To check strength criteria LRFD method (AISC 360-5 regulation) is illustrated. Design calculation methods for compression, bending, shear and compression and bending together are stated. For stability check of the tower, the method, expressed by ECCS, is stated. ECCS (European Convention for Constructional Steelwork)' emprical rules to design thin walled cylinders in compression and bending effect is discussed. For fatigue limit state, 1993-1-9 regulation is explained to choose the appropriate detail categories and fatigue strength. Cumulative damage method and Damage equivalent load method are given for the assestment of fatigue.
Additionally for flange strength limit states, upper flanges and base flange have different design theories. However little segments that are divided from them to represent their behaviour, are checked for plastic limit state in both theories. For upper flanges static strength check, failure modes of the segments are illustrated. The criteria to decide which failure mode occurs and the calculation methods of its strength are discussed. To design base flanges, T-stub connection behaviour on tensile loading is used. Shapes of the failure modes and strength for each failure mode are explained as well. Theoretical conditions for failure modes to be valid are expressed.
Section 6 includes the typical calculations for prileminary design of the steel tubular tower of national project, MİLRES (Improving National Wind Energy Systems and Production of Prototype Wind Turbine) which is supported by TUBİTAK financially and technically. Tower's dynamic behavior is investigated resonance check and fatigue loads' magnification. Steel tower, ring flanges are designed under the considiretation of loads that has been calculated according to regulations.
Lastly in seventh section, assesments and illations of calculation methods, theories and numerical examples of a steel tubular wind turbin tower are given. In this section, dynamic characteristics, load cases and combinations that are used in determination of wind turbine tower design are listed. Conclusions of four limit states that has been checked for the wind turbine tower segments are expressed. Investigation results of flange connections' strength and mechanism types are explained. Additionaly, assumptions for wind turbine loads and fatigue loads which has not been provided. Finally future development of wind turbine tower design recommendations and topics are provided.