Geri Dön

Thermo-elastic analysis and multi objective optimal design of functionally graded flywheel for energy storage systems

Enerji depolama sistemleri için fonksiyonel derecelendirilmiş volan termoelastik analizi ve çok parametreli optimizasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 507459
  2. Yazar: ALPER UYAR
  3. Danışmanlar: PROF. DR. İBRAHİM OZKOL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Uçak Mühendisliği, Aircraft Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 129

Özet

Bu çalışmada enerji depolama sistemlerinde kullanılabilecek, fonksiyonel derecelendirilmiş bir volanın termoelastik analizi ve çok parametreli optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Sanayi devriminden bu yana gerçekleşen teknik ilerlemeler hızlı bir makineleşme sürecini beraberinde getirmiştir. Bu sayede, insanoğlu geçmişte el yordamıyla yaptığı pek çok işi günümüzde makinelere yaptırır hale gelmiştir. Gelinen noktada insanoğlunun hayat standartlarını yükselten teknolojik gelişmeler modern hayatımızın vazgeçilmez bir parçası haline gelmiştir. Bu durum ise, bir makine veya makine sistemin temel girdisi olan elektrik enerjisini günümüzde en çok ihtiyaç duyulan değerlerden biri haline getirmiştir. Ekonomik ve teknik gelişmelere paralel olarak gittikçe daha fazla sayıda insanın endüstriyelleşme ve teknolojik nimetlerden faydalanmaya başlayacağı gözönüne alındıgında, gelecekte enerjiye olan ihtiyacımızın bugünki ihtiyaçtan çok daha fazla olacağı açıktır. Öte yandan, kullanılabilir enerji kaynaklarının mevcut tüketim hızıyla bile ancak birkaç yüzyıl yeteceği öngörüsü göz önüne alındığında, enerji üretiminde alternatif kaynaklara yönelim ve daha önemlisi üretilen enerjinin daha verimli kullanılmasını sağlayan çözümler bulmak bir zorunluluk olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu yönelimin bir sonucu olarak, elektrik üretimi havuzunda fosil yakıtların yanında rüzgar ve güneş enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen enerjinin payı gün geçtikçe artmaktadır. Ancak yine de, yenilebilir enerji sistemlerinin enerji üretiminin birincil elemanı haline gelebilmesi için çözülmesi gereken bazı zayıflıkları bulunmaktadir. Bu zayıflıkların en başta gelenlerinden bir tanesi sözkonusu sistemlerin çıktılarının hava koşullarına ve mevsimsel değişimlere bağımlı oluşu ve dolayısıyla enerji üretiminin kesintili yada dalgalı bir profile çizmesidir. Bu karakteristik nedeniyle arz ve talebi eşleştirmek çoğu durumda mümkün olmamaktadır. Talebin yüksek olduğu zamanlarda üretim düşük kalabilmekte veya üretim yüksek olduğunda talep yetersiz gelebilmektedir. Bu durum sözkonusu sistemlerin tek başına kullanılması halinde verimlerinin düşük kalmasında veya verimi yüksek tutabilmek için mutlaka gas türbini gibi yan sistemlerle desteklenmesini gerekli kılmaktadır. Bu noktada, ihtiyaçtan fazla üretilen enerjinin gelecekteki kullanımlar için depolanmasi fikri enerji verimliliğini artıracak çözümlerden biri olarak ortaya çıkmaktadır. Bu bağlamda, elektrik enerjisini depolamak için kullanılan Volan Enerji Depolama Sistemi (VEDS) uygulamaları son yıllarda büyük ilgi uyandırmaktadır. Volan enerji depolama sistemleri yüksek depolama kapasitesi, hızlı cevap verebilme, uzun ömür, düşük bakım gereksinimi ve çevresel etkisinin sıfıra yakın olması gibi avantajları sebebiyle diğer alternatif çözümlere kıyasla daha iyi bir konumda bulunmaktadır. Son yıllarda yüksek mukavemetli hafif malzemelerin üretim ve kullanımının yaygınlaşmasının yanı sıra, güç elektroniği ve manyetik rulman teknolojisi alanlarındaki gelişmeler de yüksek hızlı VEDS uygulamalarına imkan vermiştir. Günümüzde VEDS uygulamaları büyük ölçekteki enerji üretim hatlarından bireysel kulllanıcı seviyesindeki kesintisiz güç kaynağı uygulamalarına, hatta otomotiv, uzay araçları ve askeri uygulamalara kadar pek çok yerde karşımıza çıkmaktadır. Buna benzer uygulamaların daha da yaygınlaşması için sözkonusu enerji depolama sistemlerinin daha detaylı incelenmesi ve sınırlarının anlaşılması gerekmektedir. Bu nedenle, VEDS sistemlerinin geliştirilmesi günümüzde bilim adamları ve mühendisler için popüler bir araştırma konusu haline gelmiştir. Volanlı enerji sistemleri, elektrik enerjisinin dönen bir kütle bünyesinde dönme kinetik enerjisi şeklinde depolanması prensibine dayanmaktadır. Bir VES'de, elektrik enerjisi kinetik enerjiye dönüştürülürek Volan rotorunda depolanır. Enerji dönüşümü, bir elektrik motoru/jeneratörü ve çift yönlü bir güç dönüştürücü aracılığıyla sağlanır. Enerji depolama sırasında elektrik motoru Volan rotorun hızını artırırken; depolanan enerjinin harcanması sırasında Volan rotoru jeneratörü besler ve hızını kaybeder. Volan rotoru, sistemin genel performansını ve kapasitesini belirleyen temel elemandır. Sistemin enerji depolama kapasitesini arttırmak için Volan rotorunun yüksek hızlara çıkabilmesi gerekmektedir. Bunun içinse, Volan rotorunun, yüksek dönme hızlarında ortaya çıkan yüklere direnç gösterebilen malzemelerden üretilmesi gerekmektedir. Özel bir tür kompozit malzeme olan fonksiyonel dereceli malzemeler böyle bir amaç için kullanılabilir. Fonksiyonel dereceli malzemeler, birden fazla ana malzemenin mekanik özelliklerinin bir doğrultu boyunca sürekli bir fonksiyon şeklinde değişmesiyle elde edilen bir tür komposit malzemedir. Bu sayede farklı malzemelerin üstün özelliklerini bünyesinde barındıran heterojen yapılı malzemeler elde edilebilmek amaçlanmaktadır. Fonksiyonel dereceli malzemeler, mühendislik uygulamalarında sıklıkla karşılaşılan yüksek mukavemetli, yüksek ısıl dayanıma sahip aynı zamanda da son derece hafif yapılı malzeme ihtiyacına güçlü bir çözüm sunmaktadır. Bu nedenle bu çalışma sırasında fonksiyonel derecelendirilmiş malzeme yapısına sahip bir Volan diski ele alınmıştır. Ana malzeme tipleri, özellikle turbomakinelerde yaygın kullanılan, Ti-6Al4V, Inconel 718 ve AISI 4340 olarak belirlenmiş ve herbir tasarımda bu malzemelerin rastgele seçilmiş ikili kombinasyonları değerlendirilmiştir. Fonksiyonel dereceleme için malzeme kompozisyonun Volan diskinin iç çapından dış çapına doğru radyal yönde bir üstel fonksiyona uygun şekilde değiştiği varsayılmıştır. Termoelastik analiz çalışması için, öncelikle değişkn kalınlıklı dönen bir disk için denge denklemi genel halde elde edilmiş, ardından sözkonusu denklem, foksiyonel dereceli malzeme yapısı ve sıcaklığa bağlı değişkenleri gösterecek şekilde düzenlenmiştir. Benzer şekilde sınır koşulları için de denge denklemleri bulunmuştur. Ortaya çıkan lineer olmayan diferansiyel denklemler elle çözülemeyecek kadar karmaşık yapıda olduğundan denklem çözümü için sayısal bir metod olan diferansiyel kuadratür metodu uygulanmıştır. Diferansiyel kuadratür metodu, verilen bir aralığın her noktasında sürekli ve türevli olan bir fonksiyonun bilinmeyen bir türev ifadesine, fonksiyonun bir grid hattı boyunca tüm fonksiyonel değerlerinin ağırlıklandırılmış bir toplamı şeklinde yaklaşım yapılabileceği temeline dayanan bir sayısal yöntemdir. Sonlu elemanlar, sonlu farklar yada sonlu hacimler gibi diğer sayısal metodlara göre çok daha az sayıda nokta kullanarak yeterince doğru sonuçlar vermesi nedeniyle DKM metodu son yıllarda parçalı diferansiyel denklem çözümü gerektiren problemler sözkonusu oldugunda gittikçe artan bir uygulama alanı bulmaktadır. Ele alınan termoelastik analiz problemi DKM metodu ile çözülerek, Volan diski boyunca sıcaklık dağılımı, radyal deplasmanlar, gerinme ve gerilme değerleri elde edilmiştir. Matematiksel model ve varsayımların doğruluğu, sayısal çözüm sonuçlarının iki boyutlu eksenel simetrik bir sonlu elemanlar modeli çözümleriyle kıyaslanarak yapılmıştır. Termal ve mekanik analiz sonuçları incelendiğinde, diferansiyel kuadratür ve sonlu elemanlar metodlarının birbiyle son derece uyumlu sonuçlar verdiği gösterilmiştir. Optimizasyon problemi, -20 ile +40 santigrad derece arasındaki bir ortam sıcaklığında dayanım şartlarını aşmaksızın ve rulmanların izin verdiği maksimum hız limitleri dahilinde ortalama kinetik enerjiyi maksimum yaparken kütleyi de mimimum yapacak bir Volan geometrisini elde etmek olarak belirlenmiştir. Optimizasyon çalışması içim özel bir tür evrimsel algoritma olan NSGA II metodu izlenmiştir. Tasarım adayları için karma kodlama yapılmış, eşleşme ve mutasyonlar yoluyla yeni nesiller türetilerek toplamda 18 farklı tasarım tipindeki Volan diskleri için en iyi geometriler aranmıştır. Tasarım tipleri kullanılan rulman çeşidine bağlı olarak yüksek hızlı ve düşük hızlı olmak üzere iki gruba ayrılmıştır. Düşük hızlı tasarımlar icin maksimum hız limiti 10000 rpm, yüksek hızlı tasarımlar içinse 100000 rpm olarak belirlenmiştir. Her bir tasarım tipi için, toplam 1000 iterasyon sonunda birer milyon aday çözüm oluşturulmuş ve değerlendirilmiştir. Optimizasyon çalışması aşağıdaki sonuçları ortaya koymuştur. - Hız sabit iken, enerji kapasitesini etkiyelen en önemli parametre disk çapıdır. Enerji kapasitesini arttırmak için büyük çaplı disk kullanmak gerekmektedir. Ancak disk çapı büyüdükçe merkez kaç kuvveti nedeniyle oluşan stress te disk yarıçapının karesiyle orantılı olarak artmaktadır. - Yüksek hızlarda stress etkileri tasarımı limitleyen bir hale gelmektedir, öyle ki izin verilen maksimum hızlara çıkmak mümkün olmamakta bu nedenle algoritma, stress koşullarını sağlayabilecek bir maksimum hız aramaya başlamaktadır. Yüksek hızlı çözümler için elde edilebilecek en yüksek hız 60000 rpm civarı olarak görülmektedir. - Optimum Volan geometrisi genel olarak iç ve dış kenarlarda malzeme miktarını arttırırken orta kesimlerde azaltacak şekilde oluşmaktadir. - Malzeme komposizyonu, Volan dış kenarına doğru daha hafif malzemeler kullanırken iç kenarlara doğru daha yoğun malzemelerin kullanılması gerektigini göstermektedir. - Elde edilen bazı geometriler son derece ince kesitli profiller vermiştir. Bu çözümler optimizasyon algoritmasının ince kesitlerdeki titreşim etkilerinin de gözönüne alınarak geliştirilmesi gerektiği konusunda fikir vermektedir.

Özet (Çeviri)

In this study, thermo-elastic analysis and a multi objective optimal design of a functionally graded Flywheel rotor that can be used in a Flywheel Energy Storage System (FESS) has been investigated. Due to the rapid mechanization and technological innovations that have taken place since the industrial revolution, our energy need has been increasing at an unprecedented rate. On the other hand, limited availability of known energy resources makes it necessary to find solutions that enables more efficient use of energy. One of the solutions to enhance energy efficiency is to store excess production for future usage. In this context, Flywheel energy storage applications for storing electrical energy have gained a great interest in recent years. Flywheel energy storage systems are in favorable position among others due to their strengths in high energy capacity, fast response, long life, low maintenance and environmentally friendly characteristics. Recent advancements in lightweight high strength materials, power electronics and magnetic bearings have made high speed FESS applications possible today. Obviously, those high speed applications such as turbo machinery components, high speed compressors, brake disks, gears, pumps, generators are of practical interest in engineering. Therefore, development of FESS systems has become a popular research topic for scientists and engineers nowadays. Flywheel energy systems are based on a rotating mass principle. In a FESS, electrical energy is converted into the mechanical energy and stored in the Flywheel rotor as rotational kinetic energy. Energy conversion is achieved by means of an electric motor and a bi-directional power converter. Flywheel rotor is the key element to determine the overall performance and capacity of the system. Energy capacity of a Flywheel rotor can be increased by using materials that is capable of resisting loads at high rotational speeds. Functionally graded materials which is a special kind of composites can be used for this purpose. For this reason, the subjected Flywheel rotor in this study has been assumed to be made of a functional graded material. For the thermo elastic analysis, a complex nonlinear differential equilibrium equation has been established. The complexity came from several factors such as non uniform thickness Flywheel geometry, non homogenous material content and by taking into account of the thermal effects on material properties. The governing equation of motion solved numerically by using generalized differential quadrature method (GDQM). Results of numerical solution has been validate by comparison with an axisymmetric two dimensional finite element model. A perfect correlation of both approaches has been demonstrated. Flywheel shape optimization task has been carried by using non dominated sorting genetic algorithm (NSGA II). Optimal designs have been searched for 18 design spaces having different speed, thickness and radius limits. Depending on the bearing type, maximum speed of the flywheel can be two types such as low speed and high speed. In 9 of the design spaces it has been assumed that conventional mechanical bearings were used. Hence, these designs had a maximum rotational speed limit of 10000 rpm. The other 9 design spaces assumed to have magnetic bearings. Therefore, those designs had a maximum rotational speed limit of 100000 rpm. The optimization problem is defined to maximize the average kinetic energy that the flywheel can store between an ambient temperature range without failure and without exceeding rotational speeds allowed by the bearings while minimizing the mass. The genotype of individuals have been constructed by a mixed type encoding such that thickness (h) and volume fraction coeffficient (m) has been encoded by 15 bit Gray coding and materials are encoded by value encoding. For generating child populations a multi point crossover has been used. Additionally, bit invertion and value changing mutations has been applied to the chromosomes. Genetic algorithm code have generated 1000 populations each of them having 1000 individuals. Therefore 1 million potential candidates have been evaluated for each design space. For the material content, random combinations of two materials out of three possibles (Ti-6Al-4V, Inconel 718, AISI 4340) have been selected for each designs. Optimization results have been achieved by using the Numerical solver and the Genetic algorithm code simultaneously and iteratively for each solution. Optimization study has presented following results, - At constant speed, size of the outer radius is the most effective design parameter in terms of the energy capacity. For reaching a higher energy capacity a bigger Flywheel size is reqiured. However, as the size gets bigger the stresses induced due to the centrifugal force increases proportional to the square of the radius of the Flywheel. - At high speeds the stress concerns becomes more evident such that, maximum design speed can not be achieved due to the violation of the stress limit. In such cases, algorithm starts another loop to determine the maximum allowable speed before continuing the other steps. In other words at high speed designs maximum rotational speed becomes another design variable. Therefore, computational efforts highly increases for high speed design searches. Consequently the convergence speed substantially decreases. - For low speed designs, maximum design speed (10000rpm) is achievable without violating any optimization criteria. Whereas, for the high speed applications, maximum achievable speed can not be attained due to stress constrains. For high speed designs maximum achievable speed depends on the Flywheel material and geometry considered. - For the optimal shape, the algorithm tries to increase the mass near the outer edge to increase the energy capacity. Whereas, near the inner edge mass has been increased in order to reduce stresses. In middle sections, algorithm has kept as minimum thickness as possible to reduce the weight of the design. - For material composition, algorithm allocates the lighter materials near outer radius. Whereas, the heavier materials are placed as possible as at the inner radius region in order to reduce stresses caused by the centrifugal loads. Additionally, algorithm tends to allocate AISI4340 to increase the stored energy due to its high density and strength. Whereas, for low energy capacity designs Ti-6Al-4V has been used to minimize the mass. Inco 718 has been used together with these materials to fine tune the designs with its medium properties. Some of the designs seem to have only one material content instead of a mixed FGM structure. Therefore, it can be said for some optimal designs homogenous material structure is the best choice to provide the optimal energy storage. - Some of the designs seem unrealistic due to very thin web sections. For such solutions the study may be developed further to take into account of resonance vibration effects.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    904448

    Özel bir piston ve kilit mekanizmasına sahip yüksek başlangıç ivmeli göğüs kompresyon cihazının tasarımı, simülasyonu ve üretimi

    Design, simulation, and fabrication of a high initial acceleration automatic chest compression device with a special piston and locking mechanism

    AHMET KAĞIZMAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Biyomühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. VOLKAN SEZER

  2. Tez No

    302402

    Design of dimensionally-stable laminated composites subjected to hygro-thermo-mechanical loading by stochastic optimization methods

    Stokastik optimizasyon metotları ile higro-termo-mekanik yüklemeye maruz boyutsal kararlı tabakalı kompozitlerin tasarımı

    LEVENT AYDIN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2011

    Makine Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. H.SEÇİL ARTEM

  3. Tez No

    578751

    Haloysit nanotüp dolgu malzemesi ile termoplastik ve termoplastik elastomer polimer matris kompozit malzemelerin hazırlanması ve karakterizasyonu

    Preparation and characterization of halloysite filled thermoplastic and thermoplastic elastomer composite materials

    TUĞÇE ÖNER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BURAK ÖZKAL

  4. Tez No

    354502

    Thermoelastic analysis of heat generating multi-layered composite cylinders and tubes

    Isı üreten çok katmanlı kompozit silindir ve tüplerin termoelastik analizi

    MURAT YILDIRIM

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Mühendislik BilimleriAtılım Üniversitesi

    Üretim Mühendisliği Bölümü

    YRD. DOÇ. DR. A. HAKAN ARGEŞO

  5. Tez No

    503012

    The investigation of the irradiation effect on PMMA/MWCNTs polymer nanocomposites

    PMMA/MWCNT polimer nanokompozitler üzerine radyasyon etkisinin incelenmesi

    SONGÜL ULAĞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nükleer Araştırmalar Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NİLGÜN BAYDOĞAN

Geri Dön