Dynamic Modelling of Ice Rubble and Extrusion Loads on Offshore Wind Turbines in Crushing Interaction
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3056825Utgivelsesdato
2022Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
For å imøtekomme den økende etterspørselen etter fornybar energi, installasjon av ny havvindenergikapasiteten øker i mange land. Nye prosjekter vil bli foreslått for vann ihvilken flytende (hav)is er en vanlig forekomst om vinteren. Foreløpig er prosjektene begrensettil regioner med milde isforhold, som den sørlige Østersjøen, men projiserer lenger norder forventet. I forberedende arbeid til denne oppgaven, utført ved Siemens Gamesa RenewableEnergies, ble det vist at (kantmessig) bladbelastninger øker betydelig for nordlige Østersjøensteder sammenlignet med steder i sørlige Baltikum på grunn av isinduserte vibrasjoner.
Fenomenene med isekstrudering og steinsprut er forventet å gi ekstra demping tilet is-struktur interaksjonssystem. Denne ekstra dempingen kan føre til mindre alvorlig strukturellvibrasjoner, og dermed bladbelastninger for en offshore vindturbin, enn for et system med kun intaktisknusing. VANILLA er den ledende isknusingsmodellen i bransjen for å evaluere effekteneav isinduserte vibrasjoner for vertikale offshorekonstruksjoner som vindturbiner, men modellenvurderer for tiden ikke (eksplisitt) isekstrudering og steinsprut. Derfor er målet meddette arbeidet er å undersøke fenomenene med steinsprut og isekstrudering ved knusing og foreslåen modelleringstilnærming.
Etter en litteraturstudie foreslås en steinsprutmodell og en ekstruderingsmodell som utvidelses-sjoner av VANILLA ismodellen. Ruinmodellen viser seg å være konsistent og beregneplausible steinmasser for modell og fullskala, mens ekstruderingsmodellen kun forutsier rea-sonable ekstruderingsbelastninger i full skala. Forsering og dynamikk funnet ved bruk av standardenog justert VANILLA-modell med forenklede globale bøyemodusformer av SG 14-222DD offshore vindturbin ble sammenlignet.
Steinsprutbelastninger ble funnet å være små i størrelse og med ubetydelig innvirkning på dynamikken.Belastningene som stammer fra ekstrudering introduserer ytterligere demping til systemet nårrelativ hastighet mellom strukturen og isen øker, slik at (i) den umiddelbarelastfall til null etter at en feilhendelse observert i Standard VANILLA er utelatt, (ii) initieringisdriftshastighetene for IIV-regimer blir lavere, (iii) dynamiske amplituder reduseres, og (iv) enpositiv kraft-hastighetsgradient oppstår i CBR-regimet. To accommodate the growing demand for renewable energy, installation of new offshore windenergy capacity is increasing in many countries. New projects will be proposed for waters inwhich floating (sea) ice is a common occurrence in winter. Currently, projects remain limitedto regions with mild ice conditions, such as the Southern Baltic Sea, but projects further northare expected. In preparatory work for this thesis, performed at Siemens Gamesa RenewableEnergies, it was shown that (edgewise) blade loads increase significantly for Northern Balticsites when compared to Southern Baltic sites due to ice induced vibrations.
The phenomena of ice extrusion and rubble loads are expected to provide added damping toan ice-structure interaction system. This added damping may lead to less severe structuralvibrations, and thus blade loads for an offshore wind turbine, than for a system with only intactice crushing. VANILLA is the leading ice crushing model in the industry to evaluate the effectsof ice induced vibrations for vertical offshore structures such as wind turbines, but the modelcurrently does not (explicitly) consider ice extrusion and rubble loads. Therefore, the aim ofthis work is to investigate the phenomena of rubble and ice extrusion in crushing and proposea modelling approach.
Following a literature study, a rubble model and an extrusion model are proposed as exten-sions of the VANILLA ice model. The rubble model shows to be consistent and computeplausible rubble loads for model and full scale, while the extrusion model only predicts rea-sonable extrusion loads at full scale. Forcing and dynamics found from using the Standardand Adjusted VANILLA model with simplified global bending mode shapes of the SG 14-222DD offshore wind turbine were compared.
Rubble loads were found to be small in magnitude and of negligible influence on the dynamics.The loads stemming from extrusion introduce additional damping to the system when therelative velocity between the structure and the ice increases, such that (i) the immediateload drop to zero after a failure event observed in Standard VANILLA is omitted, (ii) initiationice drift velocities for IIV regimes become lower, (iii) dynamic amplitudes reduce, and (iv) apositive force-velocity gradient arises in the CBR regime.