SPAR Type Offshore Wind Turbine Subjected to Ship Impacts

Abstract

Et økende fokus på fornybar energi har ført til en rask utvikling av havvindindustrien de siste årene. For å takle det økende kraftbehovet økes størrelsen av vindturbinene og de flyttes lenger offshore. Det fører til at konstruksjonene utsettes for et tøffere miljø, og større servicefartøy er nødvendig for å kunne utføre vedlikehold. Vindparkene kan være i nærheten av kommersielle skipsruter, og dermed er risikoen tilstede for at offshore vindturbiner utsettes for skipskollisjon.

De første kapitlene i denne oppgaven presenterer en introduksjon av vindturbiner til havs og forskjellige kollisjonsscenario. Mesteparten av offshore vindturbinene i dag er bunnstøttet, men dypere vann blir utforsket når vindturbinene flyttes lenger offshore. De flytende konseptene er da gunstigere siden de kan brukes på dypt vann. En litteraturstudie om offshore vindturbiner utsatt for skipskollisjon avslørte at knekking av tårnet og store relative forskyvninger mellom bladene og tårnet er sannsynlige kollapsmekanismer. Høye akselerasjoner på toppen av tårnet ble observert og utgjorde dermed en trussel mot nacellekonfigurasjonen.

En elementmodell ble etablert for den flytende 10 MW vindturbinen, hvor målet var å verifisere modellen og utføre studier av strukturen utsatt for skipsstøt. To forskjellige fartøytyper ble vurdert, henholdsvis et forsyningsfartøy med deplasement på 7 500 tonn og et ro-ro fartøy med deplasement på 14 800 tonn. Analyser av baugkollisjonen ble utført i programvaren LS-DYNA. Seksjonene som er utsatt for kontakt under kollisjonen ble modellert som skallelementer, mens den gjenværende strukturen ble modellert ved hjelp av elastiske bjelkelementer for å fange opp de globale responsene. De resulterende kraft-deformasjonskurvene fra LS-DYNA ble deretter implementert i programvaren USFOS ved hjelp av et fjærsystem. USFOS-modellen inneholder en detaljert beskrivelse av rotor-nacelle-enheten. Dermed var det mulig å studere effekten av vindturbinen i operasjonell tilstand kombinert med skipsstøt.

Modellen av vindturbinen ble verifisert ved å utføre egenverdianalyse og sammenligne resulatene med forenklede håndberegninger. Analysene av skipsstøtet resulterte i rimelige resultater med hensyn til egenskapene som ble tilegnet modellene. Seks forskjellige kollisjonsscenario ble utført i LS-DYNA, tre for hvert av fartøyene. Både skipsstøt rett på vindturbinen og sneiende skipsstøt ble studert. Betydelige responser ble observert som en følge av den store avstanden mellom tyngdepunktet til vindturbinen og kollisjonspunktet. Derfor måtte hydrodynamiske egenskaper implementeres for fartøyene for å oppnå fornuftig oppførsel av skipene.

Analysene i LS-DYNA og USFOS viste mange fellestrekk med hensyn til responser og kollisjonsenergi. Generelt resulterte analysene i USFOS i litt høyere verier av kollisjonsenergi mens høyere akselerasjoner ved nacellen ble observert i LS-DYNA. De sneiende skipsstøtene resulterte i betydelig lavere impulser enn for skipsstøt rett på turbinen. Likevel ble det observert signifikante deformasjoner ved øvre dekk for begge fartøyene. På grunn av bredden på det øverste dekket ble det observert at bulben ikke spilte en vesentlig rolle av de sneiende skipsstøtene.

I både LS-DYNA og USFOS ble knekking observert i bunnen av tårnet for kollisjonsscenarioet med ro-ro-skipet med en innkommende hastighet på 4 m/s. For vindturbin i operasjonell tilstand ble kollisjonsenergien ved bulben observert å være betydelig høyere enn for den parkerte turbinen. Den relative avstanden mellom bladene og tårnet ble ikke funnet å nå en kritisk lav verdi. Implementering av nødnedstengningprosedyre for turbinen resulterte i en markant økning av tøyningsenergi som ble tatt opp som følge av skipsstøtet. Den økte med en faktor på mer enn tre sammenlignet med kollisjon mot parkert turbin. Dermed ble knekkingen observert å være mer alvorlig for scenarioet med nødnedstengning, og utgjorde en trussel mot kollaps av tårnet.

An increasing focus on renewable energy has led to a rapid development of the offshore wind industry in the recent years. In order to cope with the increasing power demand, the offshore wind turbines are being increased in size and moved farther offshore. At these locations the structures are exposed to a harsher environment and hence larger service vessels are required to perform maintenance. The wind farms may also be in proximity of commercial shipping lanes. Thus, the risk of offshore wind turbines being exposed to ship collision is present.

The first chapters of this thesis presents an introduction of offshore wind turbines and different collision scenarios. The major part of the offshore wind turbines today are bottom supported, however, deeper waters are being explored as the wind turbines are moved farther offshore. The floating concepts are then more favourable as they can be utilized for deep water depths. A literature study on offshore wind turbines subjected to ship collision revealed that buckling of the tower and large relative displacements between the blades and the tower are plausible failure modes. High accelerations at the top of the tower were observed and hence presenting a threat to the nacelle configuration.

A finite element model has been established for a floating 10 MW SPAR type wind turbine, where the aim is to provide verification of the model and perform studies of the structure subjected to ship impacts. Two different vessel types are considered, namely a supply vessel with displacement of 7 500 tons and a ro-ro vessel with displacement of 14 800 tons. Analyses of the bow crushing are performed in the software LS-DYNA. The critical sections are modelled as shell elements, while the remaining sections are modelled as beam elements in order to capture the global responses. Furthermore, the resulting force-deformation curves obtained in LS-DYNA are implemented in the software USFOS as a spring system. The USFOS model includes a detailed description of the rotor-nacelle assembly and hence the effect of impact against the wind turbine in operating condition can be evaluated.

The model of the wind turbine was verified by performing eigenvalue analysis and simplified hand calculations. Six different impact scenarios were performed in LS-DYNA, three for each of the vessels. Both head-on collisions and glancing bow impacts were studied. Significant responses were observed due to the large distance between the center of gravity of the wind turbine and the impact point. Therefore, hydrodynamic properties had to be implemented for the vessels in order to obtain reasonable behaviour for the ships. The analyses in LS-DYNA and USFOS showed good correspondence with respect to responses and dissipation of strain energy. In general, the analyses in USFOS resulted in a little higher dissipation of strain energy, while higher accelerations at the nacelle were observed in LS-DYNA. Substantially lower impulses were noticed for the glancing bow impacts. Nevertheless, significant deformations were observed at the forecastle for both vessel types. Due to the breadth of the uppermost deck the bulb was observed to not play a significant part of the glancing bow impacts.

In both LS-DYNA and USFOS the tower was observed to buckle for the impact scenario with the ro-ro ship with an incoming velocity of 4 m/s. For an operating turbine the energy dissipation at the bulb was observed to be significantly higher than for the parked turbine. The relative distance between the blades and the tower were not observed to reach a critical low value. Implementation of shutdown procedure for the turbine resulted in an increase of the dissipation of strain energy by a factor of more than three compared to the impact with parked turbine. Consequently, the buckling was observed to be more severe than for impact against parked turbine, and thus posing a threat to collapse of the tower.