Analyses of ship collisions with a floating offshore wind turbine

Abstract

Ettersom oppmerksomheten angående fornybare løsninger har økt, har det resultert i at vindturbiner har blitt flyttet til havområder med dypere vann der vinden er sterkere. Dette fører til at bunnfaste strukturer blir byttet ut med de flytende, ettersom bunnfaste strukturer ikke er levedyktig på dypere vann enn 60 m. Selv om vindturbiner blir flyttet til dypere vann, kan ikke sannsynligheten for en skips kollisjon neglisjeres. Sannsynligheten for kollisjon med et forbigående skip synker muligens, men sannsynlighet for en kollisjon med et forsyningsskip øker. Skipkollisjon mot en flytende vindturbin er svært lite analysert i forhold til kollisjon med en bunnfast vindturbin. Basert på denne er målet for denne masteroppgaven å studere den globale oppførselen til den flytende vindturbinen når et skipstøt inntreffer fra et forsyningsskip.

Den flytende vindturbinen er modellert i USFOS, som er et dataprogram for ikke-lineære struktur analyser. Vindturbinens blader og tårn, er basert på rapporten DTU 10 MW Reference Wind Turbine, og den flytende plattformen er inspirert av "Semi-submersible floating system for Phase II of OC4" av NREL. Det er gjort endringer i dimensjoner og parametere for den flytende plattformen for å gjøre modellen mer lik som en 10 MW vindturbin.

De globale analysene er utført i USFOS. Den flytende vindturbinen er modellert i tre hoveddeler: blader, tårn og plattform før de settes sammen. Deretter ble forankringslinene modellert og tilkoblet til flyteren. Skipsstøtet er simulert ved å sette på en punktlast med en gitt hastighet, der massen er koblet til vindturbinen gjennom to ikke-lineære fjærer. De ikke-lineære fjærene representerer den kombinerte kraft-deformasjonenskurven for vindturbinen og skipet. Det er antatt at vekten på skipet er 7500 tonn og har en hastighet på 3 m/s. Dette tilsvarer en kollisjonsenergi på 37.125 MJ. Det er utført analyser med ulike skipsstøtsvinkler, varierende søyle skipet kolliderer i, og analysene er gjort både når vindturbinen står stille og i drift. Det er i tilfellet der skipet treffer rett på den fremste søylen som gir den største utnyttelsesgraden med tanke på lokal knekking i tårnet. Men både dette tilfellet og de andre vil tårnet unngå knekking. Den høyeste akselerasjonen i toppen av tårnet er ved kollisjon 90º på den fremste søylen. I parkert tilstand vil akselerasjonen ikke overskride kriteriet om 0.6g, mens i drifttilstand vil den overskride kriteriet om at akselerasjonen ikke skal være større enn 0.3g.

Analyse på om bladene vil treffe tårnet er gjennomført. Resultatene viser at klaringen mellom disse er i utgangspunktet for liten. Den klaringen ble modellert mindre enn i originalmodellen, for enkelhetens skyld. Dette resulterte i at bladene treffer tårnet i driftstilstand. Avstanden mellom bladet som er analysert og tårnet, er tilnærmet det samme før og etter kollisjonen. Dette betyr at kollisjonen har liten innvirkning og hadde bladene blitt modellert med den opprinnelige klaringen ville bladet sannsynligvis ikke truffet tårnet. Forankringslinene tåler kollisjonen som blir påført i et tilfelle der skipet låser seg til vindturbinen etter skipsstøtet. Den største kraften linene må motstå er 5.32 MN. Den laveste av de seks «grensen for arbeidsbelastning» er funnet til å være 7.129 MN, for en 180 mm kjetting. Dette betyr at vindturbinen kan brukes av de seks forankringsgradene.

The attention to renewable solutions has increased and results in moving the wind turbine to deeper water, where the wind is stronger. This makes the bottom fixed structures less cost-efficient than the floating structures, and the floating wind turbine is replaced with the bottom fixed. Due to this, collision scenarios between the floating wind turbine (FOWT) and a ship, e.g. service vessel can not be neglected and must be taken into account. Ship collision with floating wind turbine is studied extremely little compared with ship impact with bottom fix structures. Based on this will the objective for this master thesis be to study the global behaviour of a floating wind turbine subjected to a ship impact from a service vessel.

The FOWT is modelled in USFOS, i.e. a computer program for nonlinear structural analysis. Blades and the wind turbine tower are based on the wind turbine from DTU 10 MW Reference Wind Turbine, while the floating platform part is inspired by the Semi-submersible floating system for Phase II of OC4 by NREL. Considering the modelling of the floating system, there have been some modifications. This is performed to make it similar to a platform for a 10 MW wind turbine.

The global analyses are performed in USFOS and the floating wind turbine was modelled in three main parts and further assembled. Lastly was the mooring lines modelled and connected to the floating structure. The modelling of the ship impact was performed by applying a mass with an initial velocity to the FOWT through two nonlinear springs. The nonlinear springs will reflect the combined force-deformation curve for the ship and the FOWT, where it is assumed the weight of the ship is 7500 tonnes. This leads to a collision energy of 37.125 MJ, based on a ship velocity on 3 m/s. Scenarios with varying impact angle, different column on the platform the ship impact occurs and analyses in both parked and operating condition were performed. In the scenario with a head-on collision on the front column was the case was the maximum utilisation in the tower was largest, thus closest to local buckling in the tower. However, this scenario and the other will resist the force from the impact and avoid buckling. The highest acceleration in top of the tower was when the impact occurs 90º on the front column. In parked condition, the acceleration was below the criterion on 0.6g, while in the operating condition the acceleration was above the criterion, i.e. 0.3g.

The clearance between the blades and tower was modelled with a smaller clearance that in the original model. This was performed for simplification. This results in that in the operating condition, the blades will hit the tower. Regardless, the relative displacement before and after the impact is approximately equal. Therefore in a case where the clearance was modelled larger, it may be conceivable that even with an impact, the blades will not hit the tower. The mooring lines can withstand the forces occurring for an impact where the ship and FOWT are locked to each other after the impact. The maximum force the mooring lines have to resist is 5.32 MN, and the lowest working loads limit was calculated to be 7.129 MN based on a 180 mm mooring chain. This implies that all six mooring grads can be used for this floating wind turbine.