Kompozit rüzgar türbin kanadı tasarımı ve analizi
Design and analysis of composite wind turbine blades
Yazar: FERHAT ÖZMEN
Danışman: PROF. DR. RAMAZAN KARAKUZU
Dokuz Eylül Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekanik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, rüzgar türbini kanatlarının spar kepleri üzerinde delaminasyona sebep olan durumların ne tür koşullar altında ve nasıl başladığı incelenmiştir. Çalışma iki bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde, farklı cam elyaf dizilimine sahip laminatlardan oluşturulmuş RÜZGEM 5-m rüzgar türbini kanadının spar keplerinde, yapışkan ayrılma hasarının ve hasar modlarının incelenmesi yapılmıştır. İkinci bölümde ise tamamen tek yönlü cam elyaftan oluşturulmuş DTU 10 MW rüzgar türbini kanadının spar kepi üzerinde, burkulma modlarının delaminasyona nasıl yol açtığı araştırılmıştır.

Her iki kanat türü de MSC Apex/Nastran ve MSC Marc/Mentat üzerinden analiz edilmiş ve daha önceden yapılmış olan makale çalışmalarından elde edilen verilerle doğrulanmıştır. MSC Cradle ile kanatlardaki basınç dağılımları akış analizleriyle simüle edilmiş ve elde edilen verilerle yapısal analiz sonuçları desteklenmiştir.

Hasar analizi incelemesinde, Puck kriteri ve CZM yöntemlerine ek olarak çatlak başlatıcı ve VCCT yöntemleri de eklenmiş ve karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Delaminasyon oluşması beklenen bölgelerde lokal burkulma modları incelenerek yapısal dayanıma etkileri araştırılmıştır. Bası gerilmelerinin ve toplam şekil değiştirme enerjisi yoğunluğunun çatlak oluşumuna etkisi ile asal gerilmelerin modelde oluşan deformasyona olan etkileri incelenmiştir. Çatlak varlığının, delaminasyona ve yapısal yıkıma etkileri hakkında önemli bulgular paylaşılmıştır. Kontak ilişkisinde yapışkan kırılma özelliğinin (Gluebreaking) varlığının simülasyon sonuçlarına olumlu etkisi tespit edilmiştir. CZM yöntemi yerine VCCT yönteminin tercih edilmesinin avantajları da açıklanmıştır.

Abstract:
In this study, the conditions that cause delamination on the spar caps of wind turbine blades and how they start were examined. The study consists of two parts. In the first part, adhesive debonding and failure modes were examined in the spar caps of the RÜZGEM 5-m wind turbine blade, which was constructed from laminates with different glass fiber orientation. In the second part, it was investigated how buckling modes cause delamination on the spar cap of the DTU 10 MW wind turbine blade, which is made entirely of uni-directional glass fiber.

Both wind turbine blade types were analyzed on MSC Apex/Nastran and MSC Marc/Mentat and validated with data from previous article studies. With MSC Cradle, pressure distributions on the blade were simulated with CFD analysis and structural analysis results were supported with the obtained data.

In the damage analysis examination, in addition to the Puck criterion and CZM methods, crack initiator and VCCT methods were added and examined comparatively. The effects on structural strength were investigated by examining local buckling modes in areas where delamination was expected to occur. The effects of compressive stresses and total strain energy density on crack formation and the effects of principal stresses on the deformation in the model were examined. Important findings have been shared about the effects of the presence of cracks on delamination and structural collapse. The positive impact of the presence of the adhesive breaking feature (Gluebreaking) in contact relationships on simulation results has been identified. Additionally, the advantages of preferring the VCCT method over the CZM method have been explained.