Dynamic Modelling of Ice Rubble and Extrusion Loads on Offshore Wind Turbines in Crushing Interaction

Abstract

For å imøtekomme den økende etterspørselen etter fornybar energi, installasjon av ny havvind energikapasiteten øker i mange land. Nye prosjekter vil bli foreslått for vann i hvilken flytende (hav)is er en vanlig forekomst om vinteren. Foreløpig er prosjektene begrenset til regioner med milde isforhold, som den sørlige Østersjøen, men projiserer lenger nord er forventet. I forberedende arbeid til denne oppgaven, utført ved Siemens Gamesa Renewable Energies, ble det vist at (kantmessig) bladbelastninger øker betydelig for nordlige Østersjøen steder sammenlignet med steder i sørlige Baltikum på grunn av isinduserte vibrasjoner.

Fenomenene med isekstrudering og steinsprut er forventet å gi ekstra demping til et is-struktur interaksjonssystem. Denne ekstra dempingen kan føre til mindre alvorlig strukturell vibrasjoner, og dermed bladbelastninger for en offshore vindturbin, enn for et system med kun intakt isknusing. VANILLA er den ledende isknusingsmodellen i bransjen for å evaluere effektene av isinduserte vibrasjoner for vertikale offshorekonstruksjoner som vindturbiner, men modellen vurderer for tiden ikke (eksplisitt) isekstrudering og steinsprut. Derfor er målet med dette arbeidet er å undersøke fenomenene med steinsprut og isekstrudering ved knusing og foreslå en modelleringstilnærming.

Etter en litteraturstudie foreslås en steinsprutmodell og en ekstruderingsmodell som utvidelses- sjoner av VANILLA ismodellen. Ruinmodellen viser seg å være konsistent og beregne plausible steinmasser for modell og fullskala, mens ekstruderingsmodellen kun forutsier rea- sonable ekstruderingsbelastninger i full skala. Forsering og dynamikk funnet ved bruk av standarden og justert VANILLA-modell med forenklede globale bøyemodusformer av SG 14-222 DD offshore vindturbin ble sammenlignet.

Steinsprutbelastninger ble funnet å være små i størrelse og med ubetydelig innvirkning på dynamikken. Belastningene som stammer fra ekstrudering introduserer ytterligere demping til systemet når relativ hastighet mellom strukturen og isen øker, slik at (i) den umiddelbare lastfall til null etter at en feilhendelse observert i Standard VANILLA er utelatt, (ii) initiering isdriftshastighetene for IIV-regimer blir lavere, (iii) dynamiske amplituder reduseres, og (iv) en positiv kraft-hastighetsgradient oppstår i CBR-regimet.

To accommodate the growing demand for renewable energy, installation of new offshore wind energy capacity is increasing in many countries. New projects will be proposed for waters in which floating (sea) ice is a common occurrence in winter. Currently, projects remain limited to regions with mild ice conditions, such as the Southern Baltic Sea, but projects further north are expected. In preparatory work for this thesis, performed at Siemens Gamesa Renewable Energies, it was shown that (edgewise) blade loads increase significantly for Northern Baltic sites when compared to Southern Baltic sites due to ice induced vibrations.

The phenomena of ice extrusion and rubble loads are expected to provide added damping to an ice-structure interaction system. This added damping may lead to less severe structural vibrations, and thus blade loads for an offshore wind turbine, than for a system with only intact ice crushing. VANILLA is the leading ice crushing model in the industry to evaluate the effects of ice induced vibrations for vertical offshore structures such as wind turbines, but the model currently does not (explicitly) consider ice extrusion and rubble loads. Therefore, the aim of this work is to investigate the phenomena of rubble and ice extrusion in crushing and propose a modelling approach.

Following a literature study, a rubble model and an extrusion model are proposed as exten- sions of the VANILLA ice model. The rubble model shows to be consistent and compute plausible rubble loads for model and full scale, while the extrusion model only predicts rea- sonable extrusion loads at full scale. Forcing and dynamics found from using the Standard and Adjusted VANILLA model with simplified global bending mode shapes of the SG 14-222 DD offshore wind turbine were compared.

Rubble loads were found to be small in magnitude and of negligible influence on the dynamics. The loads stemming from extrusion introduce additional damping to the system when the relative velocity between the structure and the ice increases, such that (i) the immediate load drop to zero after a failure event observed in Standard VANILLA is omitted, (ii) initiation ice drift velocities for IIV regimes become lower, (iii) dynamic amplitudes reduce, and (iv) a positive force-velocity gradient arises in the CBR regime.