Structural Optimization of the Crossbar on the X-Rotor Offshore Wind Turbine Concept

Abstract

Hovedmålet med denne avhandlingen er å optimalisere den strukturelle utformingen av Load Reduction System (LRS) for en offshore X-rotor vindturbin, som mål å redusere materialkostnadene samtidig som den strukturelle integriteten opprettholdes under bruddgrensetilstander og utmattingsgrensetilstander over en periode på 20 år. Oppgaven her evaluerer effekten av tre nøkkelparameterendringer: høyde på støttesøylen, tverrsnitt av støtteelementene, og tverrsnitt av støttesøylen, på det totale volumet til strukturen.

Ved bruk av Beam Elements Framework (BEEF) og Non-Linear Optimization (NLopt) Python-pakker, ble finite element analysis (FEA) og ikke-lineær optimalisering utført på strukturen. Oppgaven sammenligner den opprinnelige strukturen med en modifisert struktur som inkorporerer et ekstra tårn og støtteelementer for å avgjøre om inkluderingen av disse elementene kan redusere stresset i strukturen tilstrekkelig. Denne reduksjonen tar sikte på å oppveie de ekstra materialkostnadene, og oppnå totale kostnadsbesparelser.

En omfattende lineær statisk analyse ble gjennomført for å bestemme de interne kreftene og forskyvningene i strukturen. Optimaliseringsprosessen hadde som mål å minimere strukturens diameter og tykkelse, samt dimensjonene til det ekstra tårnet og støtteelementene, for å oppnå en samlet reduksjon i materialbruken.

De mest materialeffektive parameterene var en tårnhøyde på 7 meter, støtteelementer på 1.0 meter diameter og 0.02 meter tykkelse, og 3.60 meter diameter med 0.06 meter tykkelse for tårnet. Disse parameterene resulterte i en reduksjon av det totale strukturelle volumet til 99.64 m³ fra opprinnelig 100.01 m³, noe som tilsvarer en materialbesparelse på omtrent 2.9 tonn. Dette gir en kostnadsbesparelse på 24 650 NOK, basert på en stålpris på 8 500 NOK per tonn.

Analysen fremhevet imidlertid nødvendigheten av omfattende kapasitetskontroller for å sikre at alle strukturelle komponenter oppfyller de nødvendige bæreevnekravene. Fremtidig arbeid bør utforske detaljerte kapasitetsvurderinger, optimalisering av lastbaner og en kost-nytte-analyse som tar hensyn til installasjons-, vedlikeholds- og livssykluskostnader. I tillegg bør gjennomførbarheten av alternative strukturelle parametere, som å legge til en tredje arm til X-rotoren, og utvidede optimaliseringsmål inkludert materialvalg og laterale forskyvninger, undersøkes.

The primary objective of this thesis is to optimize the structural design of the Load Reduction System (LRS) of the X-rotor offshore wind turbine, aiming to reduce material costs while maintaining structural integrity under ultimate limit state (ULS) and fatigue limit state (FLS) conditions over a 20-year period. The study evaluates the impact of three key parameter changes: top tower height, member cross-section, and top tower cross-section on the total structural volume.

Employing the Beam Elements Framework (BEEF) and the Non-Linear Optimization (NLopt) Python packages, finite element analysis (FEA) and non-linear optimization were performed on the crossbar structure. The study compares the initial design with a modified structure incorporating an additional tower and support members to determine if the inclusion of these elements can sufficiently reduce stress in the crossbar. This reduction aims to offset the added material costs, achieving overall cost savings.

A comprehensive linear static analysis was conducted to determine the internal forces and displacements within the structure. The optimization process targeted minimizing the crossbar diameter and thickness, as well as the dimensions of the added tower and support members, to achieve an overall reduction in material usage.

The most material-efficient configurations were identified as a 7-meter top tower height, a 1.0-meter diameter and 0.02-meter thickness for the members, and a 3.60-meter diameter with a 0.06-meter thickness for the top tower. These configurations resulted in a total structural volume reduction to 99.64 $m^2$ from an initial 100.01 $m^2$, corresponding to a material saving of approximately 2.9 tons. This translates to a cost saving of 24.650 NOK, based on a steel price of 8 500 NOK per ton.

However, the analysis highlighted the necessity for comprehensive capacity checks to ensure all structural components meet required load-bearing capacities. Future work should explore detailed capacity evaluations, optimization of load paths, and a cost-benefit analysis considering installation, maintenance, and lifecycle costs. Additionally, the feasibility of alternative structural configurations, such as adding a third arm to the X-rotor, and expanded optimization objectives including material selection and lateral deflections, should be investigated.