Tez Arşivi

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özetlere göre tezleri arayabilirsiniz.


İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü

2018

1d to 3d mapping of wind turbine blade structural behavior using a coupling method

Eşleşme yöntemi kullanarak rüzgar türbin kanatlarının yapısal davranışlarının 1bde 3b ye haritalanmasi

Bu tez, YÖK tez merkezinde bulunmaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi'ndeki tarama bölümünde tez numarasını arayabilirsiniz. Tez numarası: 518016

Tezi Bul
Özet:

˙Insanlık fosil yakıtlarına bag˘ımlı bir durumda. Bu yakıtların tükenmesi kaçınılamaz bir gerçeklik. Farklı ülkeler bu yaklas¸an problemler kars¸ısında deg˘is¸ik yenilebilir enerji kaynakları kullanmayı deniyorlar. Dünya çapında artan elektrik ihtiyacını kars¸ılamak için rüzgâr gücü yenilebilir kaynaklar arasında seçeneklerden biri. Rüzgâr türbinleri rüzgârın kinetik enerjisini önce mekanik enerji sonra elektrig˘e çevirirler. Rüzgâr türbinleri özelliklerine kategorilere ayrılabilir; türbin jeneratör tipi, hava akım yolu, türbin kapasitesi, güç dag˘ıtım yöntemi, kurulum bölgesi. Rüzgâr türbinlerinin tasarımı birçok mühendislik zorluklarının üstesinden gelmeyi gerektirir; yapısal dinamikler, aerodinamik, kontrol ve elektrik sistemleri ve deniz üzerindeki projelerde hidrodinamik. Bu mühendislik zorluklarının üstesinden gelmek için rüzgâr endüstrisi bilgisayar destekli mühendislik (BDM) araçları kullanır örnek olarak FAST. FAST; gelis¸tirilmis¸ BDM kodlarının modüler olarak toplanması ile olus¸turul- mus¸ bir simülasyon programıdır. Modüller bag˘lama yöntemi kullanılarak aero-hidro-servo-elastik etkiles¸imlerinin belirli zaman aralıklarında dog˘rusal olmayan analizi için kullanılır. FAST programı birçok türbin konfigirasyonunu çözümleme kapasitesine sahiptir; yerde, denizde, sabit tabanlı ya da yüzer platformlarda. NuMAD, BeamDyn ve dig˘er önemli simülatörler ile mekanik APDL ve MPC teknig˘i bu tezin deneysel bölümünde bulundug˘u için açıklanmıs¸tır. Bu tez içerisinde FAST V8 kullanılmıs¸tır. FAST V8 dizayn endüstrisine birçok seçenek sunmaktadır, buna ragmen henüz tamamlanmamıs¸, hala gelis¸tirilmekte olan ve yenilenen, her versiyonunda daha iyi seçenekler sunan bir programdır. Dog˘ru ve güvenilir, optimize edilmis¸ ve makul ekipmanların rüzgar teknolojisinde kullanılması için üst seviyede isabetli tahmin yapan araçlar gelis¸tirilmis¸ olmalıdır. Bununla birlikte sonuç çıktıları üreten FAST ve dig˘er simülatörler benzer sonuçları farklı yaklas¸ımlar kullanarak vermektedirler. Bu yaklas¸ımlar gelis¸ime ihtiyaç duyan alanların ortaya çıkmasına ve bu alanlarda çalıs¸ma yaparak yardımcı olmaya imkan sag˘layabilir. FAST simülatörünün güncel versiyonu yapıların gerilme ve burulma çıktılarını sunmaz. Bu tezin üç ana hedefi bulunmaktadır. ˙Ilk hedef, rüzgar türbinleri hakkında genel olarak bir bilgiye sahip olmaktır.Ikinci hedef, NREL'nin FAST simülatörü ve bu simülatörü gözden geçirerek bu simulator ile yapılabilecek s¸eyleri açıklamaktır. Üçüncü amaç ise pervane bıçaklarının basınç altında yapısal davranıs¸larını hesaplay- acak isabetli bir teknik gelis¸tirmek, pervane bıçaklarında olus¸an gerilmeyi FAST simülatöründe veri ve analiz sonuçlarını alarak, 3 boyutlu bir model ortaya koymaktır. Bu tezin ana amacı FAST programından elde edilen 1 boyutlu kanat hesaplamalarının 3 boyutlu bir modele çevrilerek, kanat üzerindeki stressin hesaplanmasıdır. Bu tez için NREL'in 5MW-baseline modeli incelendi. 5MW-baseline kanadının yapısal ve aerodinamik özellikleri FAST dosyalarından alınmıstır. Son birkaç on yıllık süreçte, rüzgar türbinleri için üretilen modern pervane bıçakları dizaynlarında fevkalade deg˘is¸imler gösterdi, özellikle boyut ve maliyet s¸as¸ırtıcı derece arttı. Ortaya çıkan bu durum, sonuç olarak bıçak dizaynı ve analizine daha fazla yog˘unlas¸ılmasına sebep oldu. NuMAD adı verilen bir program, rüzgar türbini bıçaklarının sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak sade ve hızlı bir s¸ekilde analizini yapmak amacıyla ortaya çıkarılmıs¸tır. NuMAD programı Matlab içerisinde rüzgar türbini bıçaklarının 3 boyutlu modelini yapabilmek amacıyla yapılmıs¸tır. Malzeme, malzeme yerles¸imi, kanat profili gibi bilgiler NuMAD ile s¸ekillendirilebilir. Buna ragmen, NuMAD ile kiris¸ modelleri çog˘unlukla ön dizayn için yeterli olmasına ragmen, daha detaylı yapısal sonlu eleman modellerinde final dizaynı için dog˘ruluk elzemdir. ANSYS ve FAST için giris¸ verileri NuMAD ile üretilebiliir. NuMAD dan alınan çıktı verileri ise mekanik APDL serisi kullanılarak ANSYS içerisinde sonlu eleman yöntemi modeli olus¸turulabilir. Bu model bir kere olus¸turuldug˘unda, APDL çes¸itleri kullanılarak farklı analizlerim kullanımı olasılık dahilindedir. Buradaki temel amaç bıçakların gücünü ve bıçaklara etkiyen yüklere kars¸ı verilen kars¸ılıg˘ı anlayabilmektir. Aerodynamik yükler, giris¸ rüzgar akıs¸larının verilerini kullanan aerodinamik modelleri aracılıg˘ıyla hesaplandı (AeroDyn). Açık deniz altyapısına etki eden hidrostatik, kırınım ve radyasyon dalgaları ve akıntıları simüle edebilen hidrodinamik modellerle hesaplanır (HydroDyn). Kontrolör, sensörler ve dig˘er kontrol makineleri ve elektrik sürücünün jeneratörü, kontrol ve elektrik sistemi modelleri ile simüle edilir (SevroDyn). Tüm yapının esneklig˘i, yapısal, aerodinamik ve hidrodinamik yükler kullanılarak simüle edilmis¸tir (ElastoDyn). Tüm modellerin bir araya getirilmesi için FAST'ın modüler arayüzü ve bag˘lantı elemanı kullanılmıs¸tır. ElastoDyn, FAST ile birles¸tirilen bir zaman alan modülüdür. Aerodinamik ve hidrodinamik yükler, kontrolör ve alt yapı tepkime yüklerinin komutları olarak girdi alır, sönümleme ve sertlik katsayıları, geometri ve yer çekimi ekler, sonra yapının esneklig˘ini simüle eder ve çıkıs¸ olarak yer deg˘is¸tirmeler, hızlar, ivme ve reaksiyon yükleri üretir. ElastoDyn sadece bükülmeye egemen olan düz izotropik bıçaklar olan bıçak tasarımları için kabul edilebilir. Fiber takviyeli polimerler (FRP'ler) ve karbon nanotüpler (CNT'ler) gibi kompozit malzemelerle yapılan kavisli ve bükülmüs¸ kanacatlara sahip daha gelis¸mis¸ bir bıçak tasarımı için BeamDyn, ElastoDyn'in yerini alır. BeamDyn NREL tarafından yapılan ince yapılar için bir zaman-alan yapısal-dinamik modülü olup kanat yapısal dinamiklerini modellemek için kullanılır. BeamDyn, aerodinamik yükleri ve kök hareketlerini girdi olarak alır, ardından yer deg˘is¸tirmeleri ve hızları ekler, daha sonra kanat rotor esneklig˘ini simüle eder ve kanat hareketini ve kök reaksiyon yüklerini çıkıs¸ olarak hesaplar. DOF (serbestlik derecesi) kısıtlamalarının, kullanıcının modeldeki belirli düg˘ümleri kısıtlamasına izin verdig˘i gibi, bag˘lantı ve kısıtlama denklemleri, kullanıcının bir düg˘ümün dig˘erine olan hareketini ilis¸kilendirmesini sag˘lar. Es¸les¸me, aynı veya ilgili DOF deg˘erini almak için bir düg˘üm kümesini zorlamak için bir yoldur. Bag˘lanmıs¸ bir set, bir yönde bag˘lanmıs¸ bir grup düg˘ümdür. Es¸les¸tirme, aynı deg˘ere sahip olmak için iki veya daha fazla DOF gerektig˘inde yapılır. Bir birles¸ik DOF'ler kümesi bir veya daha fazla DOF ve bir asal DOF'tan olus¸ur. Bir birles¸ik DOF'ler kümesi bir veya daha fazla DOF ve bir asal DOF'tan olus¸ur. Temel DOF için hesaplanan deg˘er, birles¸tirilmis¸ kümedeki dig˘er tüm DOF'lere uygulanır. Bag˘lama ve kısıtlama denklemleri arasında benzerlikler vardır, DOF'in bag˘lantı deg˘eri kullanıcı tarafından girilmek yerine çözücü tarafından hesaplanır. Kısıtlama denklemi ile kısıtlama parçalarının hareketi birbiriyle orantılıdır. Bu tezde mekanik APDL, birles¸ik elemanlar ve analizler olus¸turmak için kullanılır, APDL, lineer, dog˘rusal olmayan ve dinamik çalıs¸malar dahil, yapısal analiz için güçlü bir sonlu elemanlar analiz aracı olan ANSYS Parametrik Tasarım Dili anlamına gelir. ANSYS, yapının yapısal gerilimi de dahil olmak üzere çes¸itli analizler yapabilir. bag˘lanmıs¸ elemanların olus¸turulması MPC184 kullanılarak APDL tarafından yapılır. MPC184, düg˘ümler arasındaki kinematik kısıtlamaları uygulayan genel bir çok noktalı kısıtlama elemanlarından olus¸ur. Ög˘eler kısıtlama elemanları ve eklem ög˘eleri olarak sınıflandırılır. MPC184 kısıtlama elemanları, bir yapının katı kısımlarını modellemek için uygundur, hareketli parçalar ise MPC184 bag˘lantı elemanlarından herhangi biri ile modellenebilir. Bu tez çalıs¸masında, MPC184 sabit Kiris¸ elemanı dog˘rudan eleme yöntemi ile kullanılmıs¸ ve uygulanmıs¸tır. Bu tezde analiz için kullanılan rüzgar türbini NREL açık deniz 5MW-temel rüzgar türbini, bu rüzgar türbini ile ilgili tüm veriler NREL sitesinde halka açıktır. 5MW taban çizgisi rüzgar türbini, geleneksel üç kanatlı yukarı yönlü bir türdür. Modelle ilgili tüm veriler FAST dosyaları içinde mevcuttur. FAST tarafından sag˘lanan verileri kullanarak, mekanik APDL ve FAST için çıktılar üretmek amacıyla, NuMAD'de 5MW-taban çizgisinin kanat modeli olus¸turuldu. kanat, 5, 7, 25, 50, 75 ve 100 % r / R (spanwise blade station) 'da bulunan altı kritik istasyonla tanımlanır. kanat ucuna ve dairesel kanat köküne maksimum kord konumu (% 25 / r / R),% 5 / r'de bulunur. kanat s¸eklinin% 25 % kord uzunluk / Rotor yarıçapında yer alan saf bir hava geçis¸ine geçmeden önce% 7 % r / R'ye dairesel oldug˘u varsayılmaktadır. NREL'in 5MW-baseline kanadı NuMAD kullanılarak olus¸turulmus¸tur. Kanat modeli NuMAD ile olus¸turulup, FAST ve Mechanical APDL için input dosyaları NuMAD'den çıkartılmıs¸tır. Mekanik APDL de anamodüller kanat yapısındaki kritik mevkilere eklendi. Daha sonra bu anamodüller MPC üretici kulanılarak bas¸landı. Kanat modeli hesaplandı ve MPC modelinin basınç altında yapısal davranıs¸ı APDL kullanılarak hesaplandı. Hesaplanan yerdeg˘is¸imleri kanat modeline göre her bir anamodüle uygulanarak yeniden çözüldü. APDL deki modeller üzerine deneyler, bu 2 bag˘lı model üzerindeki yerdeg˘is¸tirme ve stres sonuçlarının arasındaki fark kabul edilebilir olana kadar devam etti. Sonuç olarak, FAST'in genel input dosyası ve BeamDyn input dosyası düzenlendi ve 5MW-baseline rüzgar türbine modeli FAST kullanılarak hesaplandı. BeamDyn den kanatların yer deg˘is¸im bilgisi alındı. Bu yer deg˘is¸imleri modelin bag˘lanmıs¸ ana modüllerine uygulandı ve stres sonuçları APDL kullanılarak hesaplarak tez sonuçlandırıldı. Bu çalıs¸ma birkaç s¸ekilde ilerletilebilir. FAST için bir stres hesaplayıcısı gelis¸tirilebilir. Bag˘lama metodu gelis¸tirilebilir. Ek olarak ana modüllerin yerles¸tirilmesi daha efektif yapılabilir.

Summary:

Humankind depend heavily on fossil fuels. It is only a matter of time before these fuels run out. Due to this growing concern, different renewable sources of energy have been tried and used by different nations. Wind power is a great example as a renewable source of energy which might be able to meet the worldwide rising demand of electricity. Wind turbines offer a means to convert kinetic energy of wind into mechanical energy and eventually into electricity. Designing a wind turbine involves overcoming many engineering challenges such as structural dynamics, aerodynamics, control and electrical system, also, hydrodynamics in offshore projects. In order to overcome these engineering challenges wind industry relies on computer-aided-engineering (CAE) tools such as FAST. FAST is a simulator tool, which is a modular assembly of advanced CAE codes. NuMAD, BeamDyn and other key simulators were also investigated along with MPC in mechanical APDL because they were all part of experimental chapter of this thesis. Main aim of this thesis was to turn FAST's 1-Dimensional blade outputs to a 3-Dimensional model and calculate the stress experienced by the blade structure. NREL's 5MW-baseline wind turbine was chosen as the model for this thesis. Structural and aerodynamic properties of the 5MW-baseline blade were obtained from FAST files. NREL's 5MW-baseline blade was created by using NuMAD. After creating the blade model in NuMAD, input files for FAST and Mechanical APDL were extracted from NuMAD. In mechanical APDL, masternodes were added to the model at crucial stations of the blade structure. Then, masternodes were coupled by using MPC generator. Blade model was solved and structural behavior of the MPC model under pressure were calculated in APDL. Obtained displacements were applied to each masternode accordingly and blade model was solved again. Experimenting on different models in APDL was continued until differences between displacement and stress results of these 2 coupled models were reasonably small. Finally, General input file of FAST and BeamDyn input file were adjusted and 5MW-baseline wind turbine model was solved through FAST. From outputs created by BeamDyn, displacement data of blades were obtained. These displacements were implemented to coupled model's masternodes and stress results were calculated by APDL which brought an end to this thesis. This study can be extended in several ways. First a stress calculating simulator for FAST can be developed. Second, coupling method can be improved. Additionally, placing masternodes could be done in a more effective way.