Floating wind turbine mooring chain stress and fatigue analysis- Comparison between different solutions

Abstract

I denne artikkelen har et nytt design for fortøyning av flytende vindturbiner blitt evaluert med hensyn til hvordan det påvirker topp kjettingen og sammenlignet med en lignende konstruksjon, et Fairlead som er en velprøvd teknologi. Kombinert utmatting (Combined fatigue) med elementer som Out-Of-Plane bending er i fokus gjennom hele rapporten. Et fortøyningssystem fra en annen masteroppgave ble brukt som referanse, for å finne formen på fortøyningslinene og spenninger ved forskjellige flytebevegelser. Oppgaven starter med litt bakgrunnsinformasjon om det flytende vind markedet, eksisterende fortøyningssystemer og generell informasjon om fortøyning. I tillegg til en kjepp introduksjon av konseptet som vil bli evaluert i denne artikkelen. Bøyningen og spenningene som oppstår på den horisontale kjetting løkka som hviler mot kjedehjulet, ble analysert med hjelp av Finite Element Analyse. Spenningene og bøyningen som er funnet er mindre eller lignende for Vessel Tensioneren (VT) sammenlignet med Fairlead. Den første frie kjetting løkka (som er den neste vertikale løkka etter den låste horisontale løkka) ble analysert ved å beregne vinkelen som trengs for å overvinne friksjonen i lagrene ved hjelp av Excel. Denne informasjonen gir en ide om hvor stor bøyningen av kjetting løkka kan bli. VT har mindre vinkel mellom løkkene enn Fairlead ved de vanligste offsetene og ved de større linestrekkene. Den kombinerte utmattingen i den første frie kjetting løkka ble sammenlignet med Fairlead og ser ut til å være lavere ved VT enn Fairlead ved alle posisjoner av flyteren. Noen endringer av designet har også blitt foreslått, evaluert og testet, i forhold til hvor mye de kan redusere kjetting utmattelsen og hvor mange (og hvor store) nye utfordringer de skaper. Totalt bør disse resultatene og arbeidet forhåpentligvis være nok til å bevise at Vessel Tensioneren vil være skånsom mot topp kjettingen og ikke senke levetiden mer enn nødvendig.

In this paper a new design for mooring of floating wind turbines have been evaluated, with regards to how it affects the top mooring chain and compared with a similar construction, a Fairlead which is proven technology. Combined fatigue with elements such as out-of-plane bending are at focus throughout the report. A mooring system from another master thesis is used as a reference, to find mooring line shape and tensions at different floater movements. The paper starts with some background information on the floating wind market, existing mooring systems and general information on mooring. As well as some information on the concept that will be evaluated in this paper. The bending and stresses that occurs on the horizontal link resting against the chain wheel, is analysed using Finite Element Analysis. The results show that stresses and bending are smaller or similar on the Vessel Tensioner (VT) compared with the Fairlead. The first free link (which is the first vertical link after the locked horizontal link) is analysed by calculating the angle needed to overcome the friction in the bearings using Excel. This information gives an idea of how large the bending of the chain can become. The VT has smaller interlink-angles than the Fairlead at the most common offsets and at the larger tensions. The combined fatigue in the first free link is compared to the Fairlead and seems to be lower at the VT than the Fairlead at all floater offsets. Some design changes have also been suggested, evaluated, and tested, in relation to how much they can lower the chain fatigue and how many new negative elements they create and how big these are. These results and work should hopefully be enough to prove that the Vessel Tensioner will be gentle on the chain and not lower the fatigue life more than necessary.