Dynamic Loads and Fatigue Analysis of a Floating Wind Turbine Tower

I et samarbeid med det rådgivende ingeniørfirmaet Dr. techn. Olav Olsen er deres offshore vindturbindesign, ved navn «Olav Olsen Star Wind Floater», benyttet til å beregne utmattingslevetiden. Hensikten med denne oppgaven var å designe turbintårnet, og utrede, beregne og analysere tidsserier av påkjenninger og spenninger hos vindturbinen og gjøre utmattingsberegninger. I den innledende fasen av prosjektet lå det fokus på å sette seg inn i grunnlagsteori og forståelse av 3Dfloat som simuleringsverktøy. To områder på tårnet er analysert mot utmatting; tårnrot og middels på tårnet. Det er valgt å analysere konstruksjonens respons fra vind- og bølgelaster i tidsserier, som simuleres i 3Dfloat, der krefter og momenter i disse områdene er hentet ut fra. I Python er det foretatt en utmattingsanalyse i tidsserie, ved hjelp av Matlab wafo, basert på rainflow-counting metoden og Miner-Palmgrens delskadehypotese. Før utmattingsberegning var det behov for å foreta egenfrekvensanalyser og designe tårnet i detalj. Egenfrekvensanalyser ble foretatt i 3Dfloat og det er blitt foreslått et «stiff-stiff» tårn som har vekt på ca. 955 tonn. Tårnet nederst har en diameter lik 9.7m og veggtykkelse 9cm. Midt på tårn er diameteren lik 7.99m og veggtykkelse 6,65cm. «Soft-stiff» tårnet som er forsøkt å designe, er ikke en optimal løsning, da den fortsatt har fare for utmatting og holder heller ikke mot knekking etter forenklet metode. Grunnlaget for utmattingsanalysene er 21 lasttilfeller, der simuleringene består av ulike vindhastigheter fra 6 til 20 m/s, og ulike bølgestørrelser, avhengig av signifikant bølgehøyde fra 1.18 til 7.3 meter og perioder fra 7.3 til 12.0 sekund. Ut ifra de utmattingsanalysene som er blitt foretatt kommer «soft-stiff» tårnet ganske dårlig ut. Årsaken er et veldig mykt tårn som måtte til for at første bøyning skulle komme under 3P området. «Stiff-stiff» tårnet vil overholde en levetid på minimum 20 år. Den totale delskaden beregnet med S-N kurve F3 er estimert til 0,30. DFF er satt lik 3, som tilsvarer total tillatt delskade på 0.33. SCF er i henhold til standard satt til 1.536 for kurve C1 og 1.61 for kurve F3. Det foreslås at andre utsatte steder på konstruksjonen, som bladrot og utover på bladprofilen også kontrolleres mot utmatting, før bygging av en prototype settes i gang. Det bør foretas nøye kostnadsberegninger, da det foreslåtte tårnet er ganske stivt, og trolig en ganske dyr løsning.M-I