Desing, analysis and development of a nacelle main load frame for a 500 kW wind turbine

Abstract

Rüzgâr enerjisi son dönemlerde önemini artıran ve kendini geliştiren son derece ilgi gören bir iş koludur. Çeşitli rüzgâr türbin tasarımları piyasada mevcuttur ve enerji sektöründe kullanılmaktadır. Kullanılabilir elektrik enerjisi üretebilmek için rüzgâr türbini tasarımı geliştirebilmek günümüz mühendislik dünyasındaki en ilgi çekici problemlerden biridir. Bu yüksek lisans tez çalışmasında, Türkiye?nin ilk yerli orta sınıf rüzgâr türbini tasarımı projesi (MILRES) içeriği olarak ana taşıyıcı iskelet tasarımına odaklanılmıştır. Tez çalışmasının gayret gerektiren ve yenilikçi bölümü, kavramsal tasarımlardan başlayarak taşıyıcı iskeletin statik ve dinamik analizlerinin orta sınıf rüzgâr türbinlerinde bulunmayan bütünleşmiş iç vinç yüklerinin de eklenerek tamamlanması olarak belirlenmiştir. Kavramsal ve detaylı tasarım çalışmaları ticari bilgisayar destekli tasarım programı olan SOLIDWORKS ortamında yürütülmüştür. Yapısal analizlerden gerilme ve esneme hesapları ve titreşim analizleri sonlu elemanlar modelleri ile kurgulanmıştır. Hibrit yapı (döküm parça ve profil uzantıları ile) sistemin dayanıklılığını ağırlığını kontrol ederek tasarlanmıştır. Döküm şase ve çelik uzantısı için cıvatalı bir eklem tasarlanmıştır. Analitik olarak yapılan eklem ve cıvata hesapları monte edilmiş ana taşıyıcı iskeletin sonlu elemanlar modelleri ile doğrulanmıştır. Tasarım ve analiz evreleri sistemin işlev, ağırlık ve gerilme seviyelerini geliştirebilmek için tamamlanmıştır. En iyileştirilmiş gerilme ve ağırlık tasarım problemi, sistemin güvenlik katsayılarını ve gerilme seviyelerini sabit tutarak, ağırlığının azaltılması için topoloji en iyileştirme yöntemi uygulanmıştır. Topoloji en iyileştirme evresi ticari olarak kullanılan OPTISTRUCT ve ANSYS yapı modülleri kullanılarak tamamlanmıştır. En iyileştirme metodu sayesinde sistemin ağırlığında yüzde otuz azalma sağlanmıştır. En iyileştirilmiş geometri için analiz sonuçlarının da gösterdiği gibi sistemin yeterince yüksek tasarım güvenlik marjini oluşabilecek tüm yükler karşısında mevcuttur. Sonuç olarak en iyileştirilmiş taşıyıcı iskelet tasarımı yüksek güvenlik katsayıları ve en hafif ağırlıkla elde edilerek tasarlanmıştır.

Wind energy is gaining increasing momentum over the last two decades. Wind energy business is one of the most attractive in renewable energy sectors. While several wind turbine designs are available in the industry, developing a wind turbine for continuous commercial electricity production is one of the challenging engineering problems in today?s world. This work involves design, analysis and development of a nacelle main load frame for a 500kw wind turbine as part of the national wind turbine development project (MILRES) of Turkey. Starting from conceptual design stage complete static and dynamic analyses were conducted including the crane loads on the nacelle bedplate. Conceptual and detail design work were conducted using commercially available 3D solid modeling code SOLIDWORKS. Structural analyses such as stress and strain calculations and modal analyses of the main load frame were performed using the finite element method. A hybrid (cast iron main base and weld formed steel extension) structure has been developed to improve stiffness while controlling overall weight. A bolted joint assembly was designed for cast base and steel extension interface. Analytical joint and bolting calculations were confirmed by finite element simulations of the assembled bedplate structure. An iterative design approach has been used. Design and analysis iterations were carried out to improve functionality, weight, and stress levels. For an optimum stress and weight design solution, topology optimization methods were applied to the structure in order to minimize weight while maintaining design safety limits and stiffness of the structure. Topology optimization stage was conducted by commercially available codes OPTISTRUCT and ANSYS shape optimization module. The optimization work resulted in 30% reduction of weight. The analysis results for optimized geometry indicated sufficiently high design safety margins for all design load combinations. Overall, an optimum Nacelle bedplate design has been developed achieving high safety factors with minimum weight.