Combining fully coupled analysis and linear potential theory time domain analysis to obtain cross sectional loads in the substructure of a floating offshore wind turbine

Abstract

Storvolum skrog i flytende havvindturbiner har ikke en veldefinert metode for lastoverføring til strukturmodell og nye metoder trengs for å forbedre analyser.

Dette studiet undersøker en ny metode for lastoverføring på skroget i flytende vindturbiner som bruker en kombinasjon av koblet analyse i Sima og potensialteori i tidsdomene i Wasim. Hydrodynamiske koeffisienter blir først sendt til Sima for skroget. Koblet analyse blir så utført før bevegelser, bølger og krefter fra tårn og forankring sendes tilbake til Wasim. Wasim regner det hydrodynamiske og hydrostatiske trykket på skroget og laster kan etterpå overføres til en strukturmodell. Arbeidet er utført i samarbeid med Dr. techn. Olav Olsen og baserer seg på en 10 MW vindturbin med deres eget patenterte skrogdesign, OO-Star, presentert i Lifes50+ prosjektet.

Kompatibilitet mellom modeller i Sima og Wasim ble undersøkt ved å sammenligne RAOer fra programmene. FFT ble brukt til å beregne RAOer fra Sima siden responsen er ulineær. Beregnede RAOer var like, utenom små forskjeller rundt resonansfrekvensene, som var forventet på forhånd.

Korrekt dataoverføring mellom programmene ble undersøkt ved å sammenligne input data fra Sima med resultatene gitt fra Wasim analyse. Det var også viktig å sikre seg at hydrodynamiske og hydrostatiske trykk fra analysen ble skikkelig overført til strukturmodellen i Wasim. Verifikasjonsarbeidet viser at metoden fungerer som tiltenkt, og metoden er rett frem å implementere.

Den undersøkte metoden ble brukt til en ULS analyse med parkert turbin. My bøyemomenter i kroppsfast koordinatsystem ble undersøkt i tre tverrsnitt langs den ene pontongen, og ett i senterskaftet like ved tårnbasen. De største bøyemomentene i pontongene ble funnet i pontongtverrsnittet nærmest senterkolonnen. Bøyemomentene i senterskaftet var relativt små, noe som er forventet for en parkert turbin hvor aerodynamiske krefter har blitt minimert.

Bøyemomentene fra ULS analysen ble også sammenlignet med en frekvensplan analyse i Wadam, med den samme sjøtilstanden. De resulterende bøyemomentene lå relativt nære bøyemomentene fra tidsrealisasjonene, som indikerer at tverrsnittskreftene er hovedsaklig bølgedrevne. Det største forholdet mellom bøyemomenter fra tidsplan-, og frekvensplan analysene ble funnet til å være 1.17 og oppstod i tverrsnittet nærmest senterskaftet.

Den undersøkte metoden tilnærmer skroget som et uendelig stivt legeme og fremtidig arbeid inkluderer å se videre på effekten av elastisitet i skroget.

Stikkord: Flytende havvindturbiner, Fornybar energi, Sesam pakken, Lastoverføring, Potensialteori

Large volume floating offshore wind turbine (FOWT) substructures do not have a well-defined methodology for transfer of loads to a structural model and new methods are needed in order to improve analyses.

This study investigates a new suggested method for load transfer of FOWTs that uses a combination of coupled analysis in Sima, and time domain potential flow analysis in Wasim. Hydrodynamic coefficients are first sent to Sima for the substructure representation. Coupled analysis is subsequently done before motions, waves and auxiliary forces are sent back to Wasim. Wasim computes hydro pressures and loads are afterwards transferred to a structural model. The work is carried out in cooperation with Dr. techn. Olav Olsen and models are based on the published Lifes50+ 10 MW design of their patented FOWT concept, the OO-Star.

Compatibility between the models in Sima and Wasim was ensured by comparing RAOs obtained from the two programs. FFT was used to calculate RAOs from Sima since the motion response is nonlinear. The obtained RAOs were very much alike expect some small differences around the resonance peaks, which is expected.

Correct data transfer between programs was ensured by comparing the input data from Sima with the output from Wasim analysis. It was also important to ensure that the hydrodynamic and hydrostatic pressure mapping to the structural model in Wasim worked as intended. The verification work showed that the method works as intended and the method is straightforward to implement.

The method of investigation was used for a ULS analysis with idling turbine. The My bending moment following body-fixed coordinate system was investigated in three cross sections along one of the pontoons and one in the central column close to the tower base. The largest pontoon bending moments were found in the pontoon cross section closest to the central column. The bending moment in the central column were relatively low which is expected for a turbine in idling condition where aerodynamic loads have been minimized.

The bending moments from the ULS analysis were also compared with a frequency domain analysis in Wadam, using the same sea state. Obtained bending moments were relatively close to the bending moments from the time domain analysis, which indicates that the cross sectional loads are mainly wave driven. The largest ratio between the bending moments from the time domain-, and frequency domain analysis was found to be 1.17 and occurred for the cross section closest to the central column.

The method of investigation is consistent with the rigid body approximation and future work should include looking further into the effect of hull flexibility.

Keywords: Floating offshore wind turbines, Renewable energy transition, Sesam package, Load transfer, Potential flow theory