Examination of environmental lumping methods for fatigue assessment of floating wind turbines

Abstract

Flytende turbiner utgjør et nytt forskningsfelt innenfor havvind, en ung bransje i seg selv. Etterspørselen etter havvindturbiner vil sannsynligvis øke betydelig i de kommende tiårene. Mens bunnfaste turbiner generelt er begrenset til en maksimal vanndybde på 60 m, er ikke flytende turbiner det, noe som gjør dem egnet for energiutvinning offshore i dype farvann, som langs kystene av Japan og USA. På grunn av gjentatte lastsykluser forårsaket av vind og bølger, initieres små materielle sprekker og kan spre seg, noe som resulterer i materiellfeil. Dette fenomenet beskrives som tretthetsskade og er en av de styrende faktorene under designfasen av offshore turbiner. For å analysere om materiellfeil oppstår i løpet av turbinens levetid, utføres en tretthetsskadeanalyse. Å utføre en tretthetsskadeanalyse av en offshore turbin kan ta flere måneder på grunn av det høye antallet sjøtilstander, hver krever en 1-timers tidsdomenelastsimulering. For å redusere beregningstiden brukes en lumping-metode for å velge en eller flere samlede sjøtilstander i hvert spredningsdiagram. Lumping-metoder er designet for å velge samlede sjøtilstander der tretthetsskaden tilnærmer seg gjennomsnittlig tretthetsskade av spredningsdiagrammet. Deretter kan tretthetsskaden i spredningsdiagrammet tilnærmes ved bare å utføre en lastanalyse på disse samlede sjøtilstandene i stedet for hver sjøtilstand i spredningsdiagrammet. Dette resulterer i en betydelig reduksjon av beregningstiden, på bekostning av en liten tretthetsskade-feil.

I tidligere forskning har lumping-metoder blitt testet på flere offshore-strukturer (inkludert monopiler), men ingen studier kunne bli funnet om ikke-aksialsymmetriske flytende turbiner. Denne studien vil evaluere nøyaktigheten og reduksjonen av beregningstiden for fire eksisterende lumping-metoder når de blir brukt på en halv-nedsenkbar.

Det konkluderes med at Katsikogiannis lumping-metoden mest konsekvent viser høy nøyaktighet og betydelig reduksjon av beregningstiden. Dette skyldes at for en halv-nedsenkbar kan et stort spekter av interne stressfrekvenser bidra betydelig til tretthetsskaden. Disse ulike frekvensene fanges best opp av frekvensdomenelastberegningen, brukt av Katsikogiannis-metoden for å estimere tretthetsskaden.

Floating turbines constitute a new field of research within offshore wind, a young industry itself. The demand for offshore wind turbines is likely to significantly increase in the next decades. Where bottom fixed turbines are generally limited to a maximum water depth of 60 m, floating turbines are not, making them suitable for offshore energy harvesting in deep waters, such as along the coasts of Japan and the United States of America. Due to the repeated load cycles caused by wind and waves, small material cracks are initiated and can propagate, resulting in material failure. This phenomenon is described as fatigue damage and is one of the governing factors during the design phase of offshore turbines. In order to analyse whether material failure occurs during the turbine’s lifetime, a fatigue damage analysis is performed. Performing a fatigue damage analysis of an offshore turbine may take several months, due to the high number of sea states that each require a 1-hour time domain load simulation. To reduce computational time, a lumping method is used to select one or several lumped sea states in each scatter diagram. Lumping methods are designed to select lumped sea states for which the fatigue damage approximates the average fatigue damage of the scatter diagram. Subsequently, the scatter diagram fatigue damage can be approximated by only performing a load analysis on these lumped sea states, instead of every sea state in the scatter diagram. This practice results in a large reduction of computational time, at the cost of a small fatigue damage error.

In previous research, lumping methods have been tested on several offshore structures (including monopiles), but no studies could be found on non-axisymmetric floating turbines. This study will evaluate the accuracy and the reduction of computational time of four existing lumping methods when applied to a semi-submersible.

It is concluded that the Katsikogiannis lumping method most consistently shows a high accuracy and a high reduction of computational time. This is due to the fact that for a semi-submersible, a large range of internal stress frequencies may significantly contribute to the fatigue damage. These different frequencies are best captured by the frequency domain load calculation, used by the Katsikogiannis method to estimate the fatigue damage.