500 kw'lık bir rüzgar türbini ana şaftının tasarımı ve yorulma analizleri
The design and fatigue analysis of the main shaft of a 500 kw wind turbine
Yazar: İBRAHİM ENES ŞAHİN
Danışman: PROF. DR. ZAHİT MECİTOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Civatalı bağlantı = Bolted joint ; Mekanik güç iletim elemanları = Mechanical power transmission elements ; Mil yatak sistemleri = Shaft bearing systems ; Yapısal analiz = Structural analysis ; Yapısal sistem = Structural system ; Yenilenebilir enerji kaynakları = Renewable energy resources

Özet:
Rüzgâr enerjisi son yıllarda önemini artıran ve son derece ilgi gören bir sektör olmuştur. Çeşitli rüzgar türbini tasarımları uygulamada bulunmaktadır. Temiz enerji elde etmek için günümüz mühendislik çalışmaları içinde yer almaktadır.
Bu yüksek lisans tez çalışmasında, Türkiye'nin ilk yerli rüzgar türbini imalatı projesi olan Rüzgâr Enerjisi Santrali Teknolojilerinin Geliştirilmesi (MİLRES) projesi kapsamında 500 kW Rüzgar Türbinini ana şaftının ve bağlantısının tasarımı ve yapısal analizleri yapılmıştır. Rüzgarın kinetik enerjisi bir göbeğe bağlanmış palalardan oluşan rotor vasıtasıyla torka dönüştürülür. Tork, ana şaft üzerinden dişli kutusuna aktarılır. Bu çalışmada ana şaftın tasarımı, yapısal ve yorulma analizleri ile ana şaftın göbek ile olan bağlantı elemanları (cıvatalar) tasarımı ve yapısal analizleri yapılmıştır.
Ana şaftın, hem hafif olması hem de göbekteki kontrol elemanlarına ait kabloların kolaylıkla geçişi için içi boş olarak tasarlanmıştır. Sistem, ana şaft üzerinde bir adet yatak ve dişli kutusunun iki noktadan bağlı olduğu mandagözü ile mesnetlenmiştir ve bu mesnetlenmeye göre sınır koşulları belirlenmiştir. Yatak seçimi yatağa gelen statik ve salınımlı kuvvet ve momentler göz önünde bulundurularak yapılmıştır. Bu momentler bir palanın belirlenen referans noktasında 300 lik farklar ile 00den 3600 ye kadar döndürülmesiyle incelenmiş ve nominal torkun üstüne eklenerek değerler bulunmuştur. Yatak bölgesindeki kademe, literatürdeki rüzgar türbinleri için özel olarak belirtilen özel bir tasarım göz önüne alınmıştır. Sisteme gelebilecek ters eksenel kuvvetlere karşı kademe olması için yatak bölgesinde burç ve yatak sonrasında ise sıkma bileziği ile önlem alınmıştır. Ana şaftının göbeğe bağlandığı flanşın çapı rüzgar türbini montajının yapılışı da dikkate alınarak belirlenmiştir. 
Ana şaftın boyutlandırılmasında yorulma kriterinin esas alınması gerekmektedir. Yorulma analizi için rotor ağırlığından kaynaklanan eğilme momenti, nominal tork, eksenel yük ile rotorun bir devri boyunca eğilme momentindeki ve torktaki değişimler hesaplanmıştır. Rüzgar kesmesi (wind shear), kulenin blokaj etkisi vb. etkilerle bir çevrim boyunca torktaki ve eğilme momentindeki değişimler literatürde bulunan ampirik formüller kullanılarak hesaplanmıştır. Ana şaftın kritik kesitlerindeki çap hesabı, ASME Eliptik yorulma kriteri kullanılarak sonsuz ömre göre yapılmıştır. Ana şaftın tasarımındaki kritik bölgeler şaftın yataklandığı bölge ve şaftın dişli kutusuna bağlandığı bölgedir. 
Ayrıca, kontrol amaçlı olarak Uluslararası Elektroteknik Komisyonu'nun (International Electrotechnical Commision) yayınlamış olduğu IEC 64100-1 standardında belirtilen yükleme şartları için ana şaftın statik analizleri ANSYS 14.5 sonlu elemanlar yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Tasarımlar Catia V5 R19 programıyla yapılmıştır. Şaftın sonlu eleman modeli SOLID185 elemanlar kullanılarak oluşturulmuştur.  Ayrıca, ana şaft - göbek bağlantı elemanlarının analizi de bu çalışma kapsamında yapılmıştır. Sayısal ve analitik yöntemler kullanılarak elde edilen deformasyon ve gerilme sonuçları karşılaştırılmış ve iyi bir uyum olduğu görülmüştür. 
Anahtar kelimeler: Rüzgar türbini, ana şaft, cıvatayorulma analizi,  ana şaftın statik analizi

Abstract:
A wind turbine is a device that converts kinetic energy from the wind into electrical power. A wind turbine used for charging batteries may be referred to as a wind charger.
The result of over a millennium of windmill development and modern engineering, today's wind turbines are manufactured in a wide range of vertical and horizontal axis types. The smallest turbines are used for applications such as battery charging for auxiliary power for boats orcaravans or to power traffic warning signs. Slightly larger turbines can be used for making small contributions to a domestic power supply whilst selling unused power back to the utility supplier via the electrical grid. Arrays of large turbines, known as wind farms, are becoming an increasingly important source of renewable energy and are used by many countries as part of a strategy to reduce their reliance on fossil fuels.
Wind energy has become one of the most developed, and an attractive sector in the last decades. There are some different wind turbine designs present in the industrial operations. Wind turbine technology has become one of the most significant engineering objects for the production of renewable energy. Turkey has launched out to design wind turbines, and their components and to produce wind energy for few years. 
In this study, the main shaft design, and statical and fatigue analysis, also the joints between hub and the main shaft as part of the first medium size wind turbine of Tukey Republic have been investigated.
The main shaft has been design as hollow for low weight and the cables of the control components. The system has been supported three points to nacelle. Boundary conditions have been decided in the case. Bearing chosen has been considered as oscillation and static forces and moments. The fillet area of bearing has been design as the special wind turbine's literature. For converse axial loads, a bushing has been positioned back of the bearing. The flange diameter has been computed and designed to assemble the wind turbine easily.
The fatigue criteria has been based on sizing the main shaft. The main shafts critic desing loads have been calculated by empirical formulas which are on the literatures as torque, weight, axial loads, and bending moments. Oscillation moments of the torque and the flexural moments which is created by wind share, and effect of tower, etc. have been envisaged for analytical and numerical studies. 
Oscillation moments have calculated to reference a blade and also the blade was rotated within increasing by 300 between 00 and 3600.  Also, these values were added to nominal torque. The bolts and joint design have been investigated by friction force between the main shaft' and the hub' flanges and to design the fatigue criteria. The fatigue analysis of the bolts has been calculated to be easy by hand written excel codes.  After that, the bolts have been chosen from standarts. The positions of the bolts have been attended to unpinning privately. 
The fastener has been preloaded by torque wrench. In this thesis, the main shaft has been designed for infinite life using with ASME Elliptic criteria. There are two critic areas which are supported and connected to the gear box. In addition International Electrotechnical Commision (IEC) 64100-1 standards have been based on the critic design load cases. This case is a force which effects once during 50 years. 
The main shaft and the fasteners are modeled using the finite element method. The finite element model of the shaft is designed using with SOLID185 elements. Its static analysis have been achieved with using ANSYS 14.5 software. The analysis of the main shaft's initial conditions are axial load, the weight of the hub and blades, the weight of the main shaft, bolts' preloads, friction coefficient between flanges of the main shaft and the hub, and the fastener between the gear box and the main shaft which named shrink disk's pressure. Also a comparison of two different approximations has been mentioned in this study. The values of analitic and numerical of deplacement and stress are compared each on the conclusion part.  

Keyword: Wind, turbine, turbines, main shaft, low speed, shaft, bolt, fatigue, analysis, AISI 4140, steel, S-N curve, statical