Derecelendirilmiş kompozit malzemeden rüzgar türbin kanadı tasarımı ve teknik bilgi paketi hazırlanması
Design of wind turbine blade made of graded composite materials and preparation of technical data package
Yazar: YELDA ÖZDİL KAÇAN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. CENK BALÇIK ; PROF. DR. ÖMER FARUK ELALDI
Başkent Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Kompozit malzemeler = Composite materials ; Rotor kanadı = Rotor blade ; Sonlu elemanlar analizi = Finite element analysis ; Tasarım = Design

Özet:
Sınırsız ve temiz bir kaynak olan rüzgar enerjisi, son yıllarda alternatif enerji kaynakları arasında ilk sırayı almaktadır. Rüzgar türbinlerinin operasyonel performansı, seçilen kanat profillerine ve kullanılan malzemeye bağlıdır. Rüzgar türbinlerinde, kanadın hafif, ekonomik ve dayanıklı olması arzu edildiğinden kanat imalatında son yıllarda kompozit malzeme kullanımı tercih sebebi olmuştur. Bu nedenle 4 m çapında yüksek aerodinamik performanslı NACA 4412 kanat profiline sahip kompozit rüzgar türbin kanadının tasarımı hedeflenmiştir. Bu tasarım için gerekli olan 3 boyutlu rüzgar türbin kanadının akış ve mekanik analizi ANSYS 14.5.7 programı kullanılarak yapılmıştır. Rüzgar türbin kanadının tasarımı 25 m/s rüzgar hızında, 286 devirde ortaya çıkan gerilmenin maksimum olduğu bölgeler dikkate alınarak yapılmış, Epoksi-ECam kompozit tabakanın katman sayısı ve fiber oryantasyon açıları değişimi ile kanat tabakalarında optimum oryantasyon ve kabuk kalınlığı elde edilmiştir. Tasarım sonucunda en yüksek gerilmenin (172,57 MPa ) kanat ile kök arasında meydana geldiği görülmüştür. Kanat numunesi üzerinde yapılan deneysel çalışmalarda, çekme deneyinde maksimum gerilme 201,9 MPa, eğilme deneyinde ise 280,1 MPa olarak elde edilmiştir. Bu sonuçlarla kanadın kritik bölgede meydana gelen gerilmeye dayanımlı olduğu görülmüştür. Böylece, düşük hızlarda dönebilecek hafif rüzgar türbin kanadının kritik tasarım modeli geliştirilmiş ve imalata hazır hale getirilmiştir.

Abstract:
Wind energy, as sustainable and green resource, became an alternative energy source in the last decade. Operational effectiveness of the wind turbine depends on the performance of the airfoils chosen and the material used. At wind turbines, because the composite materials are used lately to make the blade light, economical and durable;  the composite material was preferred for the design of high-performance wind turbine blade (NACA 4412) with a diameter of 4 m. Three dimensional flow and mechanical analysis of the blade were carried out by using ANSYS 14.5.7 program. The design of wind turbine blade was done at the maximum stress regions which occurred at 25 m/s and 286 rpm, the optimum orientation and thickness of blade shells were obtained by changing the number of plies and fiber orientation angles of Epoxy-EGlass composite layers. In final design, the maximum stress was found as 172.57 MPa located between hub and blade. In experimental study of blade samples, the maximum stress was found 201.9 MPa in tension test, whereas the corresponding value was obtained as 280.1 MPa in bending test.  Based on these results, it was observed that the blade can withstand against the stress occured at the critical region. Hence, a critical design model of light wind turbine blade which could be used at low wind speed was developed and made ready for manufacturing.