| dc.description.abstract | I denne oppgaven er to forskjellige modeller for fundamentet til en offshore vindturbin (10MW DTU monopæl referanseturbin) studert nærmere for både deterministiske og stokastiske lasttilfeller, og SIMA er brukt som simuleringsverktøy. Model 1 (M1) er regnet som industristandard, basert på p-y kurver hvor interaksjonen mellom monopælen og jordsmonnet rundt er modellert som diskrete, ukoblede, ikke-lineære fjærer langs monopælen. Model 2 (M2) er en nyere modell som baserer seg på makro-elementer. Denne metoden reduserer den delen av monopælen som er under havbunnen til et punkt, med et kraft-forskyvningsforhold basert på elementmetoden. Makro-element metoden reduserer antall frihetsgrader sammenlignet med M1, og kan dermed redusere beregningstiden. I tillegg har denne metoden muligheten til å etterligne realistisk jorddemping med ikke-lineær hysteretisk oppførsel, noe M1 og p-y kurver ikke kan. Andre strukturelle egenskaper som egenfrekvens, demping og ytelseskurver er også etablert for begge modellene.
De deterministiske lasttilfellene studert i denne oppgaven er DLC 2.3 og DLC 6.3 fra IEC61400-3. DLC 2.3 omhandler brudd i tilkoblingen til strømnettet ved forskjellige tidspunkt i et vindkast. Dette innebærer at turbinen opprinnelig er i drift, men skrus av så fort bruddet skjer. I løpet av denne operasjonen fra operasjonell til parkert turbin kan det oppstå større momenter som er viktig å kartlegge for å unngå ødeleggelser på turbin eller andre vitale deler. DLC 6.3 omhandler en parkert turbin med gir-feil, utsatt for irregulære bølger og turbulent vind med 1-års returperiode fra forskjellige vinkler. Med gir-feil menes det at systemet som vanligvis roterer turbinen etter vinden er ute av drift, slik at vinden vil treffe turbinen fra siden. DLC 6.3 krever også at det implementeres en strømfunksjon-bølge (en ikke-lineær design bølge) i den lineære irregulære bølge tidsserien. For et slikt tilfelle med parkert turbin vil den aerodynamiske dempingen være minimal, og jorddempingen vil spille en større og viktigere rolle.
For det stokastiske lasttilfelle er det sett nærmere på 50-års bøyemomenter, estimert ved hjelp av omgivelseskonturer som gir kombinasjoner av 50-års signifikante bølgehøyder (Hs) og topperioder (Tp) for spesifikke vind hastigheter. Forskjellige variasjoner av Hs og Tp ble simulert for å identifisere kombinasjonene som gir de største responsene for fire vindhastighetsklasser. Videre ble kombinasjonene som ga størst respons simulert på ny med 20 forskjellige frøtall (realisasjoner) for å etablere en Gumbel fordeling. Videre er 50-års respons beregnet med en persentil på 0.9.
Resultatene viser at de deterministiske lasttilfellen gir større respons enn det stokastiske tilfellet med 50-års respons. Dette indikerer at nevnte DLCer er en viktig del av design prosessen for offshore vindturbiner. Resultatene viser også varierende forskjeller mellom de to modellene, hvor de største forskjellene skjer når turbinen er parkert. For operasjonelle tilstander er forskjellen på modellene små, men for tilfelle med parkert turbin hvor aerodynamisk demping er minimal, og responsen er dominert av jorddemping viser det seg at M1 overestimerer resultatene med opp til 52.70% sammenlignet med M2 for 50-års respons. DLC 6.3 resulterer i de høyeste responsene av alle lasttilfellene. | |
| dc.description.abstract | In this thesis, two different foundation models for a 10MW DTU reference turbine are studied for deterministic and stochastic load cases, using SIMA as a simulation tool. Model 1 (M1) is seen as the industry standard based on the p-y curve approach, where the interaction between the monopile and the soil is modeled as a set of discrete, uncoupled, non-linear springs along the monopile. Model 2 (M2) is a newer model based on macro-elements. The macro-element method replaces the monopile below the soil to a single point only, with a force-displacement relationship based on finite element analysis (FEA). The macro-element method reduces the number of degrees of freedom (DOFs) compared to the p-y curve approach, making it more computationally efficient. Also, because of the macro-elements, M2 can replicate observed foundation behavior, such as non-linear damping and hysteretic behavior, which M1 is not able to. Other structural characteristics, such as the eigenfrequency, damping, and performance curves, are also established for both models.
The deterministic load cases studied in this thesis are DLC 2.3 and DLC 6.3 from IEC61400-3. DLC 2.3 considers a potentially significant wind speed event (extreme operating gust) combined with grid-loss occurring at different time instances in the gust. In DLC 2.3, the turbine is initially in operational condition (turbine rotating) but initiates a shut-down immediately after grid-loss occurs. During this sudden transition from operational to parked condition, large responses may occur. DLC 6.3 considers a parked turbine with large yaw error in 1-year turbulent wind and irregular waves, coming from different directions. A stream function wave is also embedded into the irregular wave series. For a case with a parked turbine, the aerodynamic damping is minimal, and the contribution from soil damping is important.
For the stochastic load case, a 50-year bending moment is estimated using joint environmental contours. These contours provide combinations of significant wave height Hs and peak period Tp with a return period of 50-years, corresponding to a certain wind speed class. Different variations of Hs and Tp are simulated to identify the combinations resulting in the largest response for 4 wind speed classes. The combinations resulting in the largest response are simulated with 20 wave and wind seeds to establish a Gumbel distribution. Further, the 50-year bending moment is estimated using a percentile of 0.9.
The results show that the deterministic load cases result in higher responses than the stochastic load case with 50-year bending moment. This indicates that both DLCs studied in this thesis are an important part of the design process for an offshore wind turbine. The results also show the differences between the two models. For operational conditions, the differences between the models are rather small. However, for the parked conditions where the aerodynamic damping is minimal, and the response is dominated by soil-damping, M1 overestimates the responses by up to 52.70% compared to M2 for the 50-year extreme bending moments. DLC 6.3 results in the highest responses of all the load cases. | |