Show simple item record

dc.contributor.advisorAmdahl, Jørgen
dc.contributor.advisorSørum, Stian Høegh
dc.contributor.authorFiskvik, Stian
dc.date.accessioned2021-09-21T16:35:35Z
dc.date.available2021-09-21T16:35:35Z
dc.date.issued2020
dc.identifierno.ntnu:inspera:54166542:20961738
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/11250/2780167
dc.descriptionFull text not available
dc.description.abstractVed bruk av datasimuleringer av en flytende vindturbin(FVT) undersøker denne masteravhandlingen om en reduksjon av tårnstivhet, med naturlig frekvens i den myk-stive regionen, er gjennomførbart med den hensikt å redusere kostnader. FVT-designet denne avhandlingen undersøker er den halvt nedsenkbare plattformen OO-Star Wind Floater, utviklet av Dr.techn.Olav Olsen, og DTU 10MW reference wind turbine, utviklet av Danmarks Tekniske Universitet(DTU). Rotasjonsfrekvensen til en vindturbin, P, genererer vibrasjoner i området 1P og 3P. Den naturlige frekvensen til tårnet kan enten plasseres mellom 1P og 3P, betegnet som den myk-stive regionen, eller over 3P, betegnet som den stive regionen. Det offentlig tilgjengelige designet for OO-Star, presentert i forskningsprosjektet Lifes50+, er opprinnelig designet for den stive regionen(stivt tårn). Et slikt stivt tårndesign krever vanligvis mer materiale å produsere, sammenliknet med et tårn med lavere naturlig frekvens. Denne avhandlingen har til hensikt å bestemme om det er mulig å designe et tårn i den myk-stive regionen(fleksibelt tårn) for den 10MW FVTen. Motivasjonen for denne avhandlingen kommer fra masteravhandlingen av Ege (2019). Ege undersøkte den samme problemstillingen, med noen forenklinger. Tårnets naturlige frekvens ble kunstig redusert ved å senke elastisitetsmodulen og skjærmodulen, isteden for å endre selve geometrien. Det ble identifisert en liten økning av de begrensende betingelser for et fleksibelt tårn. Det ble konkludert med at det var en god mulighet for et sikkert design med et fleksibelt tårn på OO-Star, men videre arbeid er nødvendig. Basert på disse resultatene vil denne avhandlingen undersøke problemet i mer detalj. Den naturlige frekvensen av tårnet reduseres hovedsakelig ved å redusere dens diameter, noe som også reduserer den totale massen. Det myk-stive frekvensregionen er: 0.17-0.28 Hz, mens det originale stive tårnet har en naturlig frekvens på 0.56 Hz. Design aspekter for FVTer, med et fokus på turbintårn, presenteres i en litteraturstudie. Regler fra DNV-GL brukes for å etablere designkriterier for tårndesign. Simuleringsprogramvaren SIMA brukes til designverifisering. Avhandlingen vil presentere en metode for å designe og analysere flytende turbintårn. Analytiske beregninger brukes til å finne tårndesign for et gitt frekvensområde. Resultatene identifiserte at en reduksjon av den naturlige tårnfrekvensen til det myk-stive regionen er for betydelig til å oppnå en levedyktig design. Sammenlignet med det opprinnelige stive tårnet krever det fleksible tårnet en stor reduksjon i diameter nær basen, noe som resulterer i en betydelig spenningsøkning. Utmattingsberegninger over designlevetiden resulterte i 100 ganger økning av utmattelsesskader, og designet mislyktes i å oppfylle designkriteriene. Kriteriene for ultimat styrke mislyktes også, men med en mindre margin. Det er mulig å optimalisere designet av et fleksibelt tårn ytterligere, men dette anses ikke som produktivt, på grunn av omfanget av utmattingsskadene. Tårnet hadde en begrenset innflytelse på dynamikken til FVTen, noe som indikerer en mulig forenklet metode for å analysere endring av tårndesign. Metoden bruker simuleringsresultater fra en kjent design, mens man beregner spenninger med andre tårndiametere og tykkelser i post-prosesseringen. Dette gir muligheten for en rask innledende tårnanalyse, siden kun ett design er simulert. Denne metoden brukes for å vise en alternativ og raskere måte for å komme til samme konklusjon som ved en full simulering av det fleksible tårnet.
dc.description.abstractUsing computer simulations of a floating offshore wind turbine(FOWT), this thesis investigates if a reduction of tower stiffness, with natural frequency into the soft-stiff range, is feasible for the purpose of cost reduction. The FOWT design used in this thesis is made up of the semi-submersible OO-Star Wind Floater, developed by Dr.techn.Olav Olsen, and the DTU 10MW reference wind turbine, developed by the Technical University of Denmark(DTU). The turbine rotor rotational frequency, P, generates vibrations in the range of 1P and 3P. A tower natural frequency can be placed between the 1P and 3P frequencies, denoted as the soft-stiff range, or it can be above the 3P frequency, denoted as the stiff-stiff range. The publicly available design for the OO-Star, presented in the research project Lifes50+, is originally designed with a stiff-stiff tower(stiff tower) natural frequency. Such stiff tower designs usually require more material to manufacture compared to towers with lower natural frequencies. This thesis aims to determine if it is feasible to design a soft-stiff tower(flexible tower) for the 10MW FOWT. The motivation for this thesis comes from the master thesis by Ege (2019). Ege investigated the same problem formulation, with some simplifications. Instead of changing the tower geometry, the natural frequency was reduced by lowering the elasticity modulus and shear modulus. It was identified a minor increase in the limiting conditions for a flexible tower. In summary, it was argued that there was a good possibility for a safe design with a flexible tower on the OO-Star, but further work where needed. Based on these results, this thesis will investigate the problem in more detail. The natural frequency of the tower is reduced mainly by decreasing its diameter, which also reduces the total mass. The soft-stiff frequency range is between 0.17-0.28 Hz, while the original stiff tower has a natural frequency of 0.56 Hz. Design considerations for FOWTs, with a focus on turbine towers, are presented in a literature review. Rules from DNV-GL is used to establish design criteria for tower designs. The simulation software SIMA is used for design verification. It is presented a method for designing and analyzing floating turbine towers. Analytical calculations are used to find viable tower designs for a given natural frequency range. Results identified that a reduction of tower natural frequency into the soft-stiff range is too substantial to achieve a viable design. Compared to the original stiff tower, the flexible tower requires a large decrease in base diameter, resulting in a significant stress increase. Fatigue calculations over the design life showed 100 times increase in fatigue damage and failing to meet the design criteria. The ultimate strength design criteria also failed, but by a smaller margin. It is possible to further optimize the design of a flexible tower, but this is not considered a productive use of resources due to the magnitude of the fatigue damage. The change of tower design had a minor influence on the dynamics of the FOWT, which indicates a possible simplified method of analyzing a change in tower design. The method suggests using simulation results from a known design while calculating stresses with different tower diameters and thicknesses in post-processing. This allows for a quick initial tower analysis, due to fewer simulations. This method is used to show an alternative and quicker way of reaching the same conclusion as with a full simulation of the flexible tower.
dc.language
dc.publisherNTNU
dc.titleTower Design for a 10MW Floating Offshore Wind Turbine with Reduced Stiffness
dc.typeMaster thesis


Files in this item

FilesSizeFormatView

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record