Numerical Modeling and Simulation of the Single Blade Installation for a Spar Wind Turbine Inside a Floating Dock

Abstract

Ønsket om å redusere CO2-utslipp og avhengighet av fossil energi har vakt betydelig interesse i markedet for vindkraft til havs. Den økende størrelsen på vindturbinene og vindparkene har presset utbyggingen inn i nye farvann i større avstander fra land. Flytende vindturbiner til havs er avhengig av utvikling av ny teknologi og installasjons metoder for å konkurrere med tradisjonelle vindturbiner økonomisk. Et konsept foreslått av Equinor er basert på offshore montering og installasjon av flytende vindturbiner. Den flytende installasjons-enheten, referert til som "flytedokken," er en stor flytende sylinder med en åpning i bunnen som brukes til å beskytte den flytende vindturbinen under installasjonen. Det primære formålet med flytedokken er å redusere tiden for installasjon av en havvindpark.

Det er utført en mulighetsstudie av sammenkoblingsfasen under en enkeltblads-installasjon for en spar vindturbin som bruker flytedokken. Det utvikles en numerisk modell av installasjonssystemet, som består av flytedokken med løftesystem for enkeltblads-installasjon og spar vindturbin fundamentet med tårn, nacelle og hub. Installasjons-systemet består av tre hoved-deler som antas å være stive; flytedokken, spar'en og et enkelt blad. Analysen ble utført ved numerisk analyse med en koblet Simo-Aero-kode utviklet for enkeltbladsinstallasjon.

En egenverdi og vanlig bølgeanalyse ble utført for å identifisere de naturlige periodene til installasjonssystemene. Installasjonssystemet er komplekst, og dermed ble de naturlige periodene funnet for hver del først og deretter det koblede systemet. Videre ble det utført en uregelmessig bølge- og turbulent vindanalyse for å identifisere systemets globale oppførsel og oppførselen til hver del. Til slutt ble det utført en kritisk installasjonsfase for å finne en begrensende sjøtilstand for bladinstallasjon. Miljøforholdene som ble brukt i de numeriske simuleringene var basert på data fra Nordsjøen. Uregelmessige bølgeforhold besto av bølgeperioder fra 5 s til 12 s og bølgehøyder fra 0,5 m til 2,0 m. Turbulente vindforhold hadde en gjennomsnittlig vindhastighet på 10 m/s.

Resultatene viste at dokkens bevegelse styrer bladbevegelsen, og at den er følsom for dokkens rotasjonsbevegelser. En komparativ studie på spar'en viste at bevegelsen til spar'en reduseres med mer enn 50 % for korte bølgeperioder når den ligger i ly av flyttedokken. Et optimalt bladarrangement ble funnet å være viktig på grunn av store bladrotbevegelser i forhold til hub'en. En sensitivitetsstudie på koblingswire til bladet viste at den horisontale bevegelsen til bladroten ble redusert med opptil 50 % ved enkelte bølgeperioder med stivere wire. Sammenkoblingen av bladet og hub'en ble funnet å være trygt for korte bølgeperioder kun med tanke på strukturelle skader på bladet. Imidlertid er den relative bevegelsen betydelig på grunn av bølgeindusert bevegelse til bladroten og navet. Stor relativ bevegelse mellom bladroten og hub'en gjør sammenkoblingen vanskelig.

The desire to reduce CO2 emissions and dependency on fossil fuel energy has sparked significant interest in the offshore wind energy market. The increasing size of the wind turbines and wind farms has pushed the development into new waters at greater distances from shore. Floating offshore wind turbines depend on the development of new technology and installation methods to compete with traditional wind turbines financially. A concept proposed by Equinor is based on offshore assembly and installation of floating wind turbines. The floating installation unit, referred to as the "floating dock," is a large floating cylinder with an opening in the bottom used to shelter the floating wind turbine during installation. The primary purpose of the floating dock is to reduce the time for the installation of an offshore wind farm.

A feasibility study of the mating phase during a single blade installation for a spar wind turbine using the floating dock has been conducted. A numerical model of the installation system was developed, which consists of the floating dock with a lifting system for single blade installation and the spar wind turbine foundation with tower, nacelle, and hub. The numerical model consists of three main bodies assumed to be rigid; the floating dock, the spar, and a single blade. The analysis was conducted by numerical analysis with a coupled Simo-Aero code developed for single blade installation.

An eigenvalue and regular wave analysis were performed to identify the natural periods of the installation systems. The installation system is complex, and thus the natural periods were found for each body first and then the coupled system. Further, an irregular wave and turbulent wind analysis were performed to identify the system's global behavior and the behavior of each body. Finally, a critical installation phase case study was performed to find a limiting sea state for blade installation. The environmental conditions used in the numerical simulations were based on the Northern North Sea data. Irregular wave conditions consisted of peak wave periods ranging from 5 s to 12 s and significant wave heights from 0.5 m to 2.0 m. Turbulent wind conditions had a mean wind speed equal to 10 m/s.

Results showed that the motion of the dock governs the blade motion, and it is sensitive to dock rotational motions. A comparative study on the spar showed that the motion of the spar is reduced by more than 50 % for short wave periods when it is sheltered by the dock. An optimal blade arrangement was found to be important due to large blade root motions relative to the spar hub. A sensitivity study on the blade tugger lines showed that the horizontal motion of the blade root was reduced by up to 50 % with stiffer tugger lines at some wave periods. The mating of the blade and hub was found to be safe for short wave periods considering only structural damage to the blade. However, the relative motion is significant due to wave-induced motion to the blade root and hub. Large relative motion between the blade root and hub makes mating difficult.