Design Sensitivity Analysis of the Xrotor Offshore Wind Turbine Jacket Structure

Abstract

X-rotor er et innovativt offshore vindturbin-prosjekt innen fornybar energi. Målet er å utvikle en ny type vindturbin som har en X-formet rotor, en hybrid mellom vertikalt og horisontalt aksedesign. En mulighetsstudie indikerte at dette konseptet kan redusere drifts- og vedlikeholdskostnader, og dermed redusere den totale energikostnaden med inntil 20 til 30 prosent. Videre gir X-rotor et nytt perspektiv på vertikalakslede vindturbiner, et design som ennå ikke har oppnådd storskala kommersiell suksess. Dette konseptet tar tak i de strukturelle ulempene samtidig som det utnytter fordelene ved å ha kraftuttakssystemet i rotorer nærmere bakken.

I de tidlige designstadiene av X-rotorens jacket konstruksjon er det essensielt å oppnå tilnærmet optimalt design slik at X-rotorens fordeler kan fremheves over konvensjonelle offshore vindturbiner. Turbinen er forankret med en firebeint jacket konstruksjon, opprinnelig plassert på 40 m dypt vann. For å oppnå et kostnadseffektivt design i tidlige faser kreves en robust sensitivitetsanalyse. Denne oppgaven undersøker jacket konstruksjonen til X-rotor, hvor utmattelse mest sannsynlig bestemmer konstruksjonens levetid.

Den direkte differensieringsmetoden, en gradientbasert metode, blir implementert for å utføre sensitivitetsanalysen. Denne metoden finner endringen i respons, spenning og utmattelse på grunn av endringer i tverrsnittsegenskapene til de rørformede bjelkene i jacket konstruksjonen. Den strukturelle analysen utføres i FEDEM Windpower. For å bestemme responssensitiviteten nøyaktig, blir stivhetsmatrisen funnet numerisk ved hjelp av fleksibilitetsmetoden. Fleksibilitetsmetoden, også kalt kraftmetoden, utføres på to enkle strukturer og en bjelke i X-rotor jacketen for å verifisere metoden og sammenligne den med Euler-Bernoulli bjelketeori. Studien avdekker en ikke-lineær relasjon mellom laster og respons i FEDEM, spesielt ved bøyning. Dette påvirker både sensitivitetssanalysen og stivhetsmatrisen. Å finne stivhetsmatrisen numerisk krever mer databehandlingsressurser sammenlignet med den marginale nøyaktigheten oppnådd. Den analytiske stivhetsmatrisen til et Euler-Bernoulli bjelkeelement brukes videre i sensitivitetssanalysen. Den direkte differensieringsmetoden kan nøyaktig bestemme utmattelsessensitiviteten ettersom jacket konstruksjonen hovedsakelig er utsatt for spenninger fra aksial belastning, som ikke påvirket markant fra den ikke-lineære effekten.

Kritiske punkter for utmatting er de sveisede skjøtene, som evalueres ved hjelp av en hot spot tilnærming. Endringer i bjelkens tykkelse forårsaker mer variasjon i stresskonsentrasjonsfaktorene (SCF) til de sveisete leddene sammenlignet med endringer i radius. Dermed bør optimalisering prioritere tykkelsen, gitt dens mer betydelige innvirkning på utmattelse, da tykkelse og radius bidrar like mye til strukturens masse. Til slutt bør målet med optimalisering være å minimere forholdet mellom tykkelsen på stagene og jacket-benene, betegnet som τ, da dette reduserer utmattelse og masse.

Nøkkelord: offshore vind, jacket konstruksjon, utmattelse, design sensitivitetsanalyse, direkte differensieringsmetode, numerisk stivhetsmatrise, stresskonsentrasjonsfaktorer

In the early design stages of the X-rotor jacket structure, it is essential to generate near-optimal designs that highlight the superiority of the X-rotor over conventional offshore wind turbines. The turbine is anchored by a four-legged jacket structure, initially positioned at a water depth of 40 meters. Achieving a cost-effective design in early phases requires a robust design sensitivity analysis. This paper examines the jacket structure of the X-rotor offshore wind turbine, where the fatigue limit state typically determines the structure's lifespan.

The direct differentiation method, a gradient-based method, is implemented to perform the design sensitivity analysis. This method quantifies the change in response, stress, and damage due to variations in the cross-sectional properties of the tubular beams in the jacket structure. The structural analysis is performed in FEDEM Windpower. To determine the response sensitivity accurately, the stiffness matrix is obtained numerically using the flexibility method. The flexibility method also called the force method, is performed on two simple structures and a beam in the X-rotor to verify the method and compare it to the Euler-Bernoulli beam theory. The study uncovers a non-linear relation between loads and response in FEDEM, especially in bending. This influences both the design sensitivity analysis and the stiffness matrix. Deriving the stiffness matrix numerically demands more computational resources compared to the marginal accuracy achieved. The analytical stiffness matrix of an Euler-Bernoulli beam element is used further in the sensitivity analysis. The direct differentiation method can accurately determine damage sensitivities as the jacket structure is primarily subjected to stress from axial loading, which is not notably impacted by the non-linear effect.

Critical sections to fatigue damage are the welded joints, which are evaluated using the hot spot approach. Changes in the beam's thickness cause more variation in the stress concentration factors (SCFs) of the welded joints compared to changes in radius. Consequently, optimisation efforts should prioritise thickness, given its more significant impact on damage, as thickness and radius contribute equally to the structure's mass. Ultimately, the goal of optimisation should be to minimise the ratio between the brace and chord thickness, denoted as τ, as this decreases damage and mass.

Keywords: offshore wind, jacket structure, fatigue, design sensitivity analysis, direct differentiation method, numerical stiffness matrix, stress concentration factors