Ανάλυση πτερυγίου ανεμογεννήτριας GE 1.5XLE με υπολογιστικές μεθόδους για διάφορα σύνθετα υλικά

Ξενάκης, Γεώργιος; Xenakis, Georgios

dc.contributor.author	Ξενάκης, Γεώργιος	el
dc.contributor.author	Xenakis, Georgios	en
dc.date.accessioned	2020-06-18T09:30:31Z
dc.date.available	2020-06-18T09:30:31Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/50799
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.18497
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Υπολογιστική Μηχανική”	el
dc.rights	Default License
dc.subject	Ρευστοδυναμική	el
dc.subject	Ανεμογεννήτριες	el
dc.subject	Σύνθετα υλικά	el
dc.subject	Υπολογιστική Μηχανική	el
dc.subject	Ανσυς	el
dc.subject	Computational Engineering	en
dc.subject	Ansys	el
dc.subject	Composite materials	el
dc.subject	Wind turbine	el
dc.subject	Static Structural	en
dc.subject	Fluid dynamics	en
dc.title	Ανάλυση πτερυγίου ανεμογεννήτριας GE 1.5XLE με υπολογιστικές μεθόδους για διάφορα σύνθετα υλικά	el
dc.title	GE 1.5XLE wind turbine blade analysis with computational methods for various composite materials	en
dc.title	Analisi delle pale di turbine eoliche GE 1.5XLE con metodi computazionali per vari materiali compositi	it
heal.type	masterThesis
heal.classification	Υπολογιστική Μηχανική	el
heal.classification	Computational Engineering	en
heal.classification	Ingegneria computazionale	it
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-02-18
heal.abstract	Ο απογαλακτισμός από τα ορυκτά καύσιμα και η στροφή προς τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας αποτελεί μονόδρομο για την κοινωνία μας. Η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει θέση ως στόχο το 20% της χρησιμοποιούμενης ενέργειας να προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές μέχρι το έτος 2020. Η εξέλιξη της τεχνολογίας και η συνεχής βελτιστοποίηση των μορφών αιολικής ενέργειας καθιστούν την αξιοποίηση της, αποδεκτή ως προς οικονομικά, κοινωνικά και περιβαλλοντικά κριτήρια. Για την ανεξαρτησία από τα ορυκτά καύσιμα και τη στροφή στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και κυρίως την αιολική ενέργεια, η παραγωγή της πρέπει να επεκταθεί εκτενώς τις επόμενες δεκαετίες. Ο στόχος μπορεί να επιτευχθεί με την κατασκευή μεγάλων και πολύ μεγάλων ανεμογεννητριών και την εισαγωγή τους σε αιολικά πάρκα στην ακτή και στη θάλασσα. Οι βασικές απαιτήσεις ανεμογεννητριών, αυτού του μεγέθους, με την επιθυμητή απόδοση ικανοποιούνται μέσω της χρήσης προηγμένων, ελαφριών, υψηλής αντοχής σε κόπωση και ανθεκτικών σύνθετων υλικών. Γενικά οι ανεμογεννήτριες κατασκευάζονται αποτελούμενες από μέταλλά και σύνθετα υλικά. Τα σύνθετα υλικά χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο στα πτερύγια και στην πλήμνη. Ο πύργος, η βάση και τα υπόλοιπα μέρη μιας ανεμογεννήτριας κατασκευάζονται από μέταλλα. Τα πτερύγια αποτελούν το πιο ζωτικό κομμάτι της ανεμογεννήτριας και ως συνέπεια έχουν και το μεγαλύτερο κόστος. Στα πολλά χρόνια λειτουργίας τους, οι πτέρυγες υπόκεινται σε πολύπλοκα, συνδυασμένα, στατικά και τυχαία κυκλικά φορτία. Προκειμένου να αντέξουν τα φορτία στα εκατομμύρια των κύκλων φόρτισης, οι εταιρίες έχουν καταλήξει να τις κατασκευάζουν από ίνες ενισχυμένες με πολυμερή σύνθετα. Οι τωρινές διαθέσιμες λύσεις για υλικά σε ανεμογεννήτριες (στην απλούστερη περίπτωση E-glass/εποξικές ρητίνες) ικανοποιούν τις περισσότερες περιπτώσεις. Ωστόσο υπάρχει απαίτηση για νέα υλικά, για καλύτερες λύσεις που οδηγούν στην αύξηση της αξιοπιστίας και στην μείωση του κόστους. Για τους ανωτέρω λόγους πραγματοποιείται μεγάλη προσπάθεια στην ανάπτυξη νέων, δυνατότερων, ανθεκτικότερων, παραγόμενων πιο γρήγορα, φιλικότερων προς το περιβάλλον και ανακυκλώσιμων σύνθετων υλικών. Κύριος σκοπός αποτελεί η παραγωγή χωρίς ελαττωματικά υλικά. Η ανάπτυξη νέων συστημάτων εποξικών ρητινών, οι οποίες έχουν χαμηλό ιξώδες, καλύτερη εμβάπτιση των ινών και δεν επιτρέπουν κενά ανάμεσα στις ίνες, υπόσχονται την επίτευξη του σκοπού. Ακόμα, ένας επιπλέον στόχος είναι η μείωση των χρόνων επισκευών. Η αύξηση του μεγέθους των πτερύγων είναι πιθανό να οδηγεί σε επιπλέον κατασκευαστικές ατέλειες. Συνεπώς η δημιουργία ινών που επισκευάζονται εύκολα σε συνθήκες περιβάλλοντος, μειώνει τους χρόνους επισκευής. Ίνες από άνθρακα αντιπροσωπεύουν μία πολλά υποσχόμενη εναλλακτική στις παραδοσιακές ίνες από E-glass. Άλλες εναλλακτικές αποτελούν τα υψηλής αντοχής υαλονήματα, το αραμίδιο και οι φυσικές ίνες. Οι ίνες από άνθρακα διασφαλίζουν υψηλότερη αντοχή αλλά μειονεκτούν ως προς το κόστος και στην ευαισθησία σε τοπικές αστοχίες (Κακή ευθυγράμμιση). Σε πολλές μελέτες, ο συνδυασμός ινών άνθρακα και E- glass συστήθηκε και αποτελεί υποσχόμενη λύση, καθώς επιτρέπει την επίτευξη του συνδυασμού υψηλότερης αντοχής με όχι τόσο υψηλό κόστος. Από τη σκοπιά της μήτρας, οι θερμοπλαστικές έχουν κάποια πλεονεκτήματα σε σχέση με τις παραδοσιακές θερμοστατικές, όπως ότι είναι ανακυκλώσιμες. Η έρευνα στη συμβατότητα των υλικών για τις πτέρυγες των ανεμογεννητριών διατελείτε εκτενώς τα τελευταία χρόνια και θα συνεχίσει και στα επόμενα. Η δύναμη και η αντοχή των πτερύγων μελετάται από τις αστοχίες στις ίνες αλλά και μεταξύ των στρωμάτων ίνας-μήτρας. Προτείνετε μία ιδέα ότι εάν οι ιδιότητες των υλικών βελτιωθούν σε μικροκλίμακα, βελτιώνεται και συνολικά το σύνθετο υλικό. Αυτό μπορεί να κατανοηθεί από μικρής κλίμακας τροποποιήσεις στη δομή του σύνθετου υλικού, για παράδειγμα με την εισαγωγή μικροσωματιδίων (της τάξεως του 1nm) στην κατασκευή της ίνας, της μήτρας ή της μεταξύ τους επιφάνειας. Τα υλικά με τροποποιημένη μήτρα ή ίνες μπορούν να επιδείξουν σε μερικές περιπτώσεις ακόμα και 80% υψηλότερη σκληρότητα και προσδόκιμο ζωής από ένα καθαρό σύνθετο. Στην παρούσα εργασία θα γίνει μια στατική μελέτη σε πτέρυγα ανεμογεννήτριας GE 1.5 XLE με διαφορετικά σύνθετα υλικά. Οι δυνάμεις που δέχονται τα πτερύγια θα υπολογιστούν σε μέσο άνεμο 15 m/s (συνήθεις μέσος άνεμος στην Ελλάδα) αλλά και ακραίο άνεμο 60 m/s. Μέσω της ανάλυσης θα υπολογίζονται οι τάσεις Von-Mises, οι διατμητικές τάσεις πάνω στα πτερύγια αλλά και οι μετατοπίσεις των πτερυγίων.	el
heal.abstract	Weaning from fossil fuels and turning to renewable energy is a significant goal for our society. The European Union aims to have 20% of the energy used in Europe from renewable sources by 2020. The development of technology and the continuous optimization of wind energy make it economically, socially and environmentally acceptable. An important step towards independence from fossil fuels and the shift to renewable energy, and especially wind energy, its production must expand extensively in the coming decades. The goal can be achieved by building large and very large wind turbines and introducing them into wind farms on the coast and at sea. The basic requirements of wind turbines of this size with the desired performance are met through the use of advanced, lightweight, high fatigue and durable composites. Generally, wind turbines are made of metal and composite materials. The composites are mainly used in the wings and in the hub. The tower, the base and other parts of a wind turbine are made of metals. The blades are the most vital part of the wind turbine and therefore have the highest cost. For many years of operation, the wings are subjected to complex, combined, static and random circular loads. In order to withstand loads in the millions of charge cycles, companies have come to make them from polymer-reinforced composite fibers. Currently available solutions for materials in wind turbines (in the simplest case E-glass / epoxy resins) satisfy most cases. However, there is a demand for new materials, better solutions that lead to increased reliability and lower costs. For these reasons, great effort is being made to develop new, stronger, more durable, faster produced, more environmentally friendly, and recyclable composites. The main purpose is the production without defective materials. The development of new epoxy resin systems, which have a low viscosity, better fiber immersion and do not allow gaps between the fibers, promise to achieve this. Also, an additional goal is to reduce repair times. Increasing the size of the wings is likely to lead to additional manufacturing defects. Therefore, the creation of easily repairable fibers in ambient conditions reduces repair times. Carbon fibers represent a promising alternative to traditional E-glass fibers. Other alternatives include high strength fiberglass, aramid and natural fibers. Carbon fibers provide higher durability but are also disadvantaged in terms of cost and sensitivity to local failures (bad alignment). In many studies, the combination of carbon fiber and E-glass has been recommended and is a promising solution, as it allows the combination of higher strength to be achieved at not so high cost. From a matrix perspective, thermoplastics have some advantages over traditional thermostats, such as being recyclable. Research on the compatibility of materials for wind turbine blades has been extensive in recent years and will continue in the coming years. The strength and resilience of the wings are studied by the failure of the fibers but also between the fiber-matrix layers. An idea is studied, that if the properties of the materials are improved on a micro-scale, the composite will also improve overall. This can be understood by small-scale modifications to the structure of the composite material, for example by the introduction of microparticles (in the order of 1nm) into the fabric of the fiber, matrix or surface between them. Materials with modified matrix or fibers can in some cases display up to 80% higher hardness and life expectancy than a pure composite. In the present work a static study on a GE 1.5 XLE wind turbine wing with different composite materials will be performed. The forces that receive the blades will be calculated at an average wind of 15 m / s (usual average wind in Greece) and an extreme wind of 60 m / s. The analysis will calculate Von-Mises stresses, shear stresses and deformations of the wings.	en
heal.advisorName	Θεοτόκογλου, Ευστάθιος	el
heal.committeeMemberName	Θεοτόκογλου, Ευστάθιος	el
heal.committeeMemberName	Προβατίδης, Χριστόφορος	el
heal.committeeMemberName	Κοντού, Ευαγγελία	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	171 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false