Investigation of the Tower Design for the Offshore Wind Turbine Concept OO-Star Wind Floater

Abstract

Målet med denne masteravhandlingen er å evaluere hvor følsomt tårndesignet til en havvindturbin er med hensyn til rotasjonsfrekvenser fra turbinen. Undersøkelsen er gjort for det flytende havvind konseptet OO-Star Wind Floater for å redusere kostnadene for tårnet. Det er gjort en sammenligning mellom et stivt og et fleksibel tårn for å se om det er mulig å innføre et fleksibelt tårn i konseptet. Det oppreinnelige konseptet er laget med et stivt tårn som motstår bevegleser fra vind og bølgelaster. Det stive tårnet har en høy første egenfrekvens for å unngå resonans fra frekvensene til den roterende vindturbinen.

Sensitiviteten til tårnet ble først studert gjennom et litteraturstudie. Da ble utfordringer til en flytende havturbin og til tårndesign identifsert. Regelverk fra DNV-GL ble brukt til å evaluere design og krav til tårnet. Videre ble analyser i tidsdomenet brukt til å analysere utmattelse av tårnet og oppførsel under ekstreme lasttilfeller fra vind og bølgekrefter.

Tårnet ble gjort fleksibelt ved å redusere elastisitetsmodulen til ønsket egenfrekvens. Denne metoden ble brukt for å ha et godt grunnlag for sammenligning mellom den fleksibe og stive modellen, men den fører til at tårndesignet ikke er realistisk og det begrenser bruken av resultatene. Metoden anses imidlertid som pålitelig for å fange effekten av et fleksibelt tårn. Det fleksible tårnet ble sammenlignet med det opprinnelige stive tårnet. Utmattelsesanalysen ble brukt til å kontrollere at tårnet ikke ble utmattet gjennom 25 års levertid og til å undersøke og sammenligne oppførselen til de to modellene. Analysen i ekstreme værtilstander ble gjort for å se om det fleksible tårnet er utsatt for svikt ved høye laster.

Målet var å se om et fleksibelt tårn med lavere egenfrekvens var mulig å bruke på OO-Star Wind Floater-konseptet, og dette viste seg å være gjennomførbart. Tårnet opplevde ikke utmattingssvikt gjennom 25 års livstid. Tårnet fikk noe utslag på eksitasjon fra rotasjonsfrekvensene, men det førte ikke til utmatting og blir derfor ansett trygt. De ekstreme belastningstilfellene førte ikke til knekking eller materialsvikt, men det anbefales at man kontrollerer dette i videre arbeid for å sikre et trygt design. Avstanden mellom turbinens blader og tårnet ble kontrolleret for å forsikre en trygg avstand under høy belastning. Analysen som ble gjort ga ikke et tifredstillende og sikkert resultat, og videre arbeid med dette anbefales.

Arbeidet i denne oppgaven gir en god indikasjon på at det er mulig med et fleksibelt tårn på OO-Star Wind Floater. Videre arbeid er først og fremst å lage et realistisk fleksibelt tårn med første egenfrekvens mellom turbinens rotasjonsfrekvens og blad-passeringsfrekvens. Dette bør gjøres ved å variere både tykkelsen og diameteren av tårnet.

The objective of this thesis is to evaluate the sensitivity of the tower design with respect to frequencies. The investigation is done for the floating wind turbine concept OO-Star Wind Floater to evaluate if it is possible to reduce the costs of the tower. A comparison of a stiff and flexible tower was done to examine the possibility of introducing a flexible tower to the wind turbine concept. The original concept is made with a stiff tower that resists movement due to loading and has a high first natural frequency to avoid resonance behaviour from the frequencies of the rotating wind turbine.

The sensitivity was first studied with a literature review. In this, challenges for a floating wind turbine and for the tower design was identified. Rules from DNV were evaluated to find tower design and analysis requirements. A model in SIMA was calibrated and a flexible tower and flexible blades were introduced. The investigation was based on time-domain analysis for fatigue and ultimate limit state design.

The tower was made flexible by reducing the elasticity modulus to obtain a desired first tower natural frequency. The method used to reduce the natural frequency is not possible in reality and this gives a limitation on the results. However, the method is considered as reliable for capturing the effects of a flexible tower. The flexible tower was compared to the original stiff tower. The fatigue analysis was used to check for fatigue damage and examine the behaviour of the two models. The ultimate limit state check was done to see if the flexible tower was exposed to material failure due to extreme environmental loads. A spectral analysis investigated resonance behaviour.

The goal was to see if a flexible tower with a lower natural frequency was possible to use on the OO-Star Wind Floater concept, and this proved to be feasible. The tower did not experience fatigue failure during the lifetime. Some excitation in the tower was induced by the rotational frequencies, but it did not lead to fatigue failure. The extreme load cases did not lead to yield or buckling failure, but it is advised to check the yield criteria in further work to ensure a safe design. The check of blade-tip to tower clearance in extreme conditions did not give a satisfactory result with the method used, and further work on this is highly recommended.

The work done in this thesis gives a good indication of a safe design with a flexible tower on the OO-Star Wind Floater. Further work is to make a realistic flexible tower model with first natural frequency in the soft-stiff range. This should be done by varying both the thickness and diameter of the tower.