| dc.description.abstract | Hensikten med denne oppgaven var å dimensjonere og analysere et nytt tripodkonstruksjons konsept for fundamentering av en bunnfast offshore vindturbin. Det kan ikke sees å ha blitt tatt i bruk et identisk konsept i nåværende installasjoner, og det var interessant å kunne teste ut en ny ide for en bunnfast fundamentering. Hovedtanken med selve konseptvalget var at det skulle være mest mulig kostnadseffektivt med tanke på de totale sluttkostnader etter planlegging, fabrikasjon, installasjon, drift, vedlikehold og fjerning ved endt levetid. Prosessen for utforming av konsept og bruk av teknologien er omhandlet i egne kapitler i tillegg til at noen eksiterende beregningsmetoder er diskutert.
Det er tatt utgangspunkt i en OC4 vindturbin, 5MW, som er med i et pågående prosjekt for utvikling av simuleringsverktøy for vindturbiner (ref /I-11/ og /I-12/). I OC4-prosjektet er vindturbinen supportert med en jacket struktur, men det er for denne oppgaven valgt å se om det er mulig å supportere denne turbinen med en tripodkonstruksjon.
For å sikre at det valgte designet, og profilstørrelsene, er holdbare med tanke på resonans ble det utført en egenfrekvensanalyse. Resultatene fra egenfrekvensanalysen førte til at hele fundamentkonstruksjonen måtte avstives for å komme innenfor et frekvensområde som var i en akseptabel avstand fra rotorens egenfrekvens. Det ble gjort forsøk på å gjøre konstruksjonen mykere (bruk av slankere elementer) for å øke kostnadseffektiviteten, men kravene til egenfrekvens førte da til at konstruksjonen måtte bestå av profiler som ikke ga akseptable resultater ved kodesjekk i henhold til Norsok N-004 og Eurocode 3. Alternativt kunne det forskes videre på bruk av myke elementer for å kostnadsoptimalisere designet, men det er en tidkrevende prosess og kan omfatte en total revurdering av hele designet (et eksempel på dette er vist i kapittel 6, ”Alternativ designløsning for videre arbeid”). Konklusjonen fra egenfrekvensanalysen ble å bruke stive konstruksjonselementer fremfor mykere for den videre analysen. Bruken av stivere profiler førte til at selve utnyttelsen av konstruksjonen ble relativt lav (maks utnyttelse ble på 41%). Selve utnyttelsesfaktoren er et mål på hvor mye som er brukt av konstruksjonens potensial for å motsåt lastpåkjenningene. En utnyttelsesfaktor opp i mot 80 til 90% indikerer en bra utnyttelse av konstruksjonen og er det mest hensiktsmessige med tanke på kostnader. Ut i fra dette kan det konkluderes med at det endelig valgte designet ikke er helt kostnadsoptimalt for de gjeldende dimensjonerende faktorene. En måte å kunne endre designet på for å få det optimalisert, med tanke på utnyttelse, er å undersøke det for vindturbiner med en høyere operasjonsfrekvens på rotoren enn den som er valgt i denne oppgaven. Ved å øke rotorfrekvensens minste frekvens vil det gi designet muligheten til å ha en litt høyere strukturfrekvens noe som igjen gir en høyere utnyttelsesfaktor på grunn av bruken av slankere elementer. Oppsummert kan det sies at det er to faktorer som kan sees videre på når det gjelder kostnadsoptimalisering av det totale prosjektet:
1. Beholde tanken om å designe et fundament til OC4 vindturbinen, men da komme opp med en alternativ designløsning for selve fundamentet (videre optimalisering av løsningen som er presentert i denne oppgaven eller eksempelvis en tripod-jacket konstruksjon) for å kunne få bedre utnyttelse av konstruksjonselementene men samtidig ha en uendret, eventuelt gunstigere, strukturfrekvens.
2. Beholde fundamentdesignet uendret, men forske på bruken av en vindturbin med andre operasjonsfrekvenser på rotoren. Dette vil føre til at nåværende design kan gjøres slankere (bruk av mindre rørtykkelser) noe som igjen øker utnyttelsesfaktoren til designet og endrer strukturfrekvensen (det må passes på at den nye strukturfrekvensen er innenfor en akseptabel avstand fra den eventuelt nye rotorfrekvensen).
Vurderingene som er utført i forbindelse med egenfrekvensanalysen og kodesjekk for utnyttelse viser nødvendigheten av både det konstruksjonsmessige samt dynamiske perspektivet i en analyse (utforming av design). Det er nødvendig å få begge elementene (både dynamikk og strukturanalyse) på plass for å få et reelt design som kan være operativt – og disse analysene må gjøres parallelt da de har innvirkning på hverandre. Dersom det for eksempel bare tas hensyn til den dynamiske delen kan en risikere å få et uøkonomisk design som i verste fall er nesten umulig å fabrikkere. Tas det derimot bare hensyn til selve strukturanalysen, uten en vurdering av egenfrekvensen, kan et ”perfekt” kostnadseffektivt design oppnås, men som kanskje ikke vil være operativt med tanke på levetid og kollaps ved en eventuell mulig resonans.
På grunn av det kompliserte lastbildet som oppstår for en offshore konstruksjon ble det lagt ned mye arbeid i å finne korrekte aerodynamiske og hydrodynamiske belastninger samt kombinere disse for videre fundamentanalyse. For å kunne finne de aerodynamiske lastene ble programvaren FEDEM Windpower (ref. /L-22/) brukt. Det ble lagt ned en god del arbeid i opplæring av dette programmet for å kunne modellere en vindturbin samt importere fundament for å få en komplett konstruksjon. Det å ha lært hvordan en vindturbin modelleres har vert veldig verdifullt og gitt en bedre totalforståelse for hvordan en slik kompleks konstruksjon fungerer. Programmet Sesam GeniE ble brukt videre for modellering og global analyse av selve fundamentet. Det første forslaget ble modellert med vilkårlig valgte profilstørrelser og brukt videre i FEDEM Windpower for test av import fra ett program til et annet. Det oppstod en del utfordringer i forbindelsen med importen mellom Sesam og FEDEM noe som resulterte i en del arbeid for å få det til å fungere. Videre ble det valgt å ha to modeller i Sesam GeniE; en modell med selve fundamentet og en modell med fundament og turbintårn. Dette for å kunne sammenlikne resultatene samt diskutere usikkerheter i forbindelse med bruk av to analyseprogrammer (FEDEM Windpower for aerodynamikk og Sesam GeniE for hydrodynamikk). I utgangspunktet skal FEDEM Windpower være i stand til å kjøre en komplett analyse av hele konstruksjonen (vindturbin pluss fundament), men mangelen på opplæring i dette førte til bruken av to analyseprogrammer.
Selve lokalanalysen viste seg å bli mer tidkrevende enn først forventet og den ble dermed ikke fullstendig utført. Det ble gjort et forsøk på å importere hele modellen fra Sesam GeniE inn i Abaqus, men etter at analysen ble kjørt viste resultatene usannsynlig store avvik mellom de to programmene Sesam GeniE og Abaqus (analyseresultatene fra Sesam GeniE var positive mens analyseresultatene fra Abaqus var negative). Hva som kan være årsaken til de store avvikene er diskutert i kapittel 5.5.1, ”Resultater fra lokal analyse, Abaqus” og kapittel 5.6, ”Globalanalyse i Sesam GeniE versus lokalanalyse i Abaqus”.
Resultatene fra lokalanalysen viste at det oppstår problemer med knekking i sentersøylen da denne blir belastet med store aksiale krefter og bøyemoment. Et nytt alternativ designkonsept ble utformet hvor knutepunktet for kraftfordeling heves til topp av fundamentet samt at konstruksjonen avstives med flere elementer for å få ned strukturens egenfrekvens. Denne løsningen gir positive resultater både med hensyn til utnyttelse og egenfrekvens (global analyse) og kan være en interessant løsning for videre arbeid. På grunnlag av at konstruksjonen opplever knekking og for store deformasjoner er det vurdert at det ikke er hensiktsmessig å utføre en detaljert utmattingsanalyse basert på spenningsverdiene i knutepunktene. Dette fordi konstruksjonen i utgangspunktet ikke har noen signifikant levetid på grunn av knekking og for stor deformasjon av elementene. På grunnlag av dette, i tillegg til tidsperspektivet, er selve metoden for utmattingsanalysen beskrevet i kapittel 5.7, ”Metode for utmattingsanalyse”. i stede for en detaljert analyse.
Oppsummert kan de sies at den valgte designløsningen ikke er optimal for OC4 vindturbinen, men at den eventuelt passer bedre for mindre vindturbiner med andre designegenskaper. I tillegg kan løsningen passe bedre for mindre havdyp hvor lengden på sentersøylen da kan reduseres slik at det øverste knutepunktet kommer i toppen av fundamentet og kreftene fordeles i overgangen mellom turbintårn og fundament. Skal det lages et tripodfundament for OC4 vindturbinen er det mer hensiktsmessig å se på en løsning som vist i kapitel 6, ”Alternativ designløsning for videre arbeid”, eller en alternativ løsning til denne. Det kan konkluderes med at det bør være mulig å laget et tripodfundament for OC4 vindturbinen som et alternativ til dagens fire bens jacket løsning. | no_NO |
