Rüzgar türbini göbeğinin yapısal tasarımı ve optimizasyonu
Structural design and optimization of wind turbine hub
Yazar: SERKAN DEMİRCİ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. MURAT MAKARACI
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Optimizasyon = Optimization ; Rüzgar enerjisi = Wind energy ; Rüzgar türbinleri = Wind turbines ; Tasarım = Design ; Tasarım değişkenleri = Design variables

Özet:
Bu çalışmada 500 kW nominal güç üretecek olan 3 kanatlı Yatay Eksenli Rüzgar Türbin (YERT) rotorunun göbek kısmının optimal yapısal tasarımı hedeflenmiştir. Göbek (hub); türbin kanatlarının bağlandığı parça olup, kanatlardan aldığı gücü transmisyon mili aracılığıyla jeneratöre iletir. 10 ? 500 kW güç aralığındaki YERT için göbek şekil, boyut, malzeme ve kuvvet araştırması yapılmış ve boyutlandırmalar türbin gücüne bağlı olarak parametrik oluşturulmuştur. Araştırmalar ışığında plaka ve küresel olmak üzere 2 farklı göbek geometrisi seçilmiştir. Göbeğe etkiyen kuvvetler hesaplanmış ve literatüre göre uygunluğu doğrulanmıştır. Türbin tekrarlı değişken yük altında çalıştığı için göbeğin yapısal tasarımı yorulma analizine göre yapılmıştır. ANSYS Workbench programı kullanılarak göbeğin plaka ve küresel katı modelleri oluşturularak, sonlu elemanlar yorulma analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu aşamadan sonra, ANSYS Workbench DesignXplorer yazılımında DOE (Deney Tasarımı) metoduyla göbek çapı ve kalınlığı bağımsız değişkenler olarak seçilmiş, bağımlı değişken olarak belirlenen göbek kütlesi, minimum eşdeğer gerilme, emniyet katsayısı ve parça ömrü ile bağımsız değişkenler arasındaki bağıntılar grafik olarak bulunmuştur. Bu sonuçlara dayanarak, DesignXplorer yazılımında Goal Driven Optimization (GDO) modülü kullanılarak her bir göbek geometrisine ait 3 farklı emniyet katsayısı için ömür şartını sağlama kıstasıyla minimum göbek kütlesi hesaplanmıştır. Bu çalışmalardan elde edilen verilere dayanarak 500 kW'lık YERT için minimum ağırlıktan dolayı küresel göbek geometrisi seçilmiş ve göbek çapı ve et kalınlığı için en uygun değerler belirlenmiştir. Son aşamada ise, kanat bağlantı halka kalınlık çarpanı, köşe yuvarlatma oran yüzdesi ve halka yükseklik oran yüzdesi bağımsız değişkenler olarak alınarak statik, yorulma analizleri, DOE ve GDO optimizasyonu yenilenmiştir. Böylelikle göbek kütlesinde ilk optimizasyon değerine göre önemli miktarda ağırlık azaltılması gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
In this study, optimum structural design of a 3 bladed Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT), rated 500 kW, has been aimed. For the HAWT, shape, dimension, material and force investigation has been made and dimensions have been designed as parametric functions of the turbine power. Then, two different hub geometries have been chosen named as plate and spherical hub. The forces acting on the hub have been calculated and verified with literature values. Since the loads are cyclic, the structural design has been made against fatigue failure. Finite element fatigue analysis has been realized with solid models of plate and spherical hubs by using ANSYS Workbench software. Later, hub diameter and thickness have been chosen as independent variables and the relations of hub mass, minimum equivalent stress, safety factor and life with the variables have been obtained by Design of Experiments (DOE) in Design Xplorer software. With realization of life condition, Goal Driven Optimization module in Design Xplorer software has been used to obtain the minimum hub mass for 3 different safety factor for each hub form. Based on these findings, the spherical hub has been chosen for the 500 kW HAWT because of its minimum weight and thus, optimal hub diameter and thickness values have been determined. Finally, by taking blade connection ring thickness factor, blend radius ratio and ring height ratio percentage as design variables, static and fatigue analyses, DOE and GDO optimizations have been renewed. As a result, an important amount of weight reduction has been achieved.