Spar floating wind turbine design optimization with concrete substructures

Abstract

Denne avhandlingen undersøker gjennomførbarheten av å inkorporere betongstrukturer i en optimaliseringsmodell, basert på to forenklede spar-strukturer utviklet av Oh et al. [55] for å støtte en 10 MW DTU vindturbin [2]. Disse modellene er deretter inkorporert i den lineære frekvensdomenemodellen utviklet av Hegseth et al. [34]. En omfattende analyse av flere nøkkelaspekter ble utført, ved å sammenligne resultatene fra de ikke-lineære og lineære modellene, inkludert naturlige perioder, potensielle strømningsresultater, spektrale sammenligninger, indre krefter, betongkapasitet, tretthetsanalyse, og designoptimalisering ved bruk av OpenMDAO-rammeverket. Undersøkelsen avslørte forskjeller mellom ikke-lineære og lineære modeller når det gjelder bølgeeksitasjon og tilleggsmasse-effekter. SPAROpt-modellene viste lavere bølgeeksitasjon i surge-bevegelse ved høyere bølgefrekvenser, mens pitch-eksitasjon ble overvurdert ved lavere frekvenser. Den større sparen viste større demping på grunn av dens større geometri. Konstant vindtest gav betryggende resultater, med rotoren som oppførte seg som forventet. Studien gjennomførte en forfallstest for å evaluere de naturlige periodene til surge, heave, pitch, og yaw-bevegelser. Den fleksible sparen viste lavere yaw naturlige perioder på grunn av variasjoner i massedistribusjon. Ved tårnbasen ble det observert små variasjoner i den første pitch bøyningsnaturlige frekvensen mellom modellene. Spektrale sammenligninger ble utført for å vurdere den spektrale tettheten av SIMA og SPAROptmodeller under bølge- og vindforhold. Selv om SPAROpt hadde begrensninger og hadde en tendens til å undervurdere spesifikke responsparametere, indikerte standardavviket av responsene at de relative styrkene og variasjonene innen frekvenskomponentene ble bevart. Merkbare avvik ble observert i bøyning under overgangen fra betong til stål, noe som resulterte i betydelig større eksitasjon i SPAROpt. Analysen av indre krefter ga innsikt i viktige trender og påkjenninger. Ballastbelastningen påvirket skjærkreftene, mens bøyemomentene viste forventet oppførsel, med det høyeste bøyemomentet som oppstår i fairlead-regionene. Aksielle og skjærspenninger ble påvirket av variasjoner i tykkelse og geometriske forskjeller. Vurderingen av betongkapasiteten viste tilfredsstillende ytelse, med både SPAR 1 og SPAR 2 som opprettholdt forhold under sviktgrensen. Korttids aksielle spenninger forble innenfor akseptable grenser, og langtids aksielle spenninger forble konsekvent under den tillatte spenningsgrensen. Tretthetsanalyse indikerte at ståltårnets levetid var konsistent, men betongskrogets tretthet varierte. SPAR 2 viste en kortere tretthetslevetid enn SPAR 1, noe som tyder på at en større tverrsnittsområde med samme forspenthet førte til større variasjoner i kompresjonstretthet. Imidlertid er den forventede levetiden til betongskroget mye større enn det som ville bli dimensjonert for et forventet skrog. Avhandlingen benyttet OpenMDAO-rammeverket for designoptimalisering, noe som resulterte i forbedrede design med vektreduksjoner og forbedrede stabilitets- og ytelseskarakteristika. Til tross for å anerkjenne utfordringer i produksjon og kostnad på grunn av kompleksiteten i de optimaliserte geometriene, viste studien effektiviteten av OpenMDAO-rammeverket i å optimalisere designet av offshore vindturbinstrukturer.

This thesis explores the usefulness of incorporating concrete structures into an optimization model, based on two simplified spar structures developed by Oh et al. [55] to support a 10 MW DTU wind turbine [2]. These models are then incorporated in the linearized frequency domain model developed by Hegseth et al. [34]. A comprehensive analysis of several key aspects was conducted, by comparing the results from the nonlinear and linearized models, including natural periods, potential flow results, spectral comparisons, internal forces, concrete capacity, fatigue analysis, and design optimization using the OpenMDAO framework. The investigation revealed distinctions between nonlinear and linearized models in terms of wave excitation and added mass effects. The SPAROpt models exhibited lower wave excitation in surge motion at higher wave frequencies, while pitch excitation was overestimated at lower frequencies. The larger spar showed greater damping due to its larger geometry. The constant wind test yielded promising results, with the rotor behaving as expected. The study conducted a decay test to evaluate the natural periods of surge, heave, pitch, and yaw motions. The flexible spar exhibited lower yaw natural periods due to variations in mass distribution. At the tower base, slight variations in the first pitch bending natural frequency were observed among the models. Spectral comparisons were performed to assess the spectral density of SIMA and SPAROpt models under wave and wind conditions. While SPAROpt had limitations and tended to underestimate specific response parameters, the standard deviation of responses indicated that the relative strengths and variances within the frequency components were preserved. Notable discrepancies were observed in bending during the transition from concrete to steel, resulting in significantly larger excitation in SPAROpt. The analysis of internal forces provided insights into important trends and stresses. The ballast load influenced shear forces while bending moments exhibited expected behavior, with the highest bending moment occurring in the fairlead regions. Axial and shear stresses were affected by variations in thickness and geometric differences. The concrete capacity assessment demonstrated satisfactory performance, with both SPAR 1 and Spar 2 maintaining ratios below the failure threshold. Short-term axial stresses remained within acceptable limits, and long-term axial stresses consistently remained below the allowable stress threshold. Fatigue analysis indicated that steel tower life was consistent, but concrete hull fatigue varied. SPAR 2 exhibited a shorter fatigue life than SPAR 1, suggesting that a larger cross-sectional area with the same pretension led to larger variations in compression fatigue. However, the expected lifetime of the concrete hull is much larger than what would be dimensioned for an expected hull. The thesis employed the OpenMDAO framework for design optimization, resulting in improved designs with weight reductions and improved stability and performance characteristics. Despite acknowledging challenges in manufacturability and cost due to the complexity of the optimized geometries, the study showcased the effectiveness of the OpenMDAO framework in optimizing the design of offshore wind turbine structures.