Αεροελαστική ανάλυση πλωτών ανεμογεννητριών με χρήση προτύπων ιδιοδιανυσματικής ανάλυσης

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας, ήταν η ανάπτυξη ενός υπολογιστικού εργαλείου δυναμικής ανάλυσης πλωτών ανεμογεννητριών με χρήση της ιδιοδιανυσματικής ανάλυσης (modal analysis). Η μέθοδος της ιδιοδιανυσματικής ανάλυσης έχει μειωμένο υπολογιστικό κόστος συγκριτικά με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων (FEM). Για την ανάπτυξη του κώδικα χρησιμοποιήθηκε γλώσσα προγραμματισμού Fortran 90.

Η μοντελοποίηση που πραγματοποιήθηκε περιλαμβάνει τον δρομέα, τον πύργο και τον πλωτήρα, καθώς επίσης και όλες τις μεταφορές των φορτίων (δυνάμεων και ροπών) μεταξύ των επιμέρους συνιστωσών (πτερύγια-πύργος, πτερύγια-πλωτήρας, πύργος-πλωτήρας). Στο σύστημα δεν έχει προστεθεί ο βαθμός ελευθερίας της στρέψης (torsion) και της επιμήκυνσης (extension). Για τη προσομοίωση της αεροδυναμικής, επιλέχτηκε η χρήση μόνιμης αεροδυναμικής με παγωμένο ομόρρου (frozen wake). Έτσι, οι συντελεστές αξονικής και περιφερειακής επαγωγής δεν ανανεώνονται σε κάθε χρονικό βήμα. Τα τέσσερα σώματα της ανεμογεννήτριας (τρία πτερύγια και πύργος) έχουν το καθένα από τέσσερις βαθμούς ελευθερίας, δηλαδή συνολικά δεκαέξι (16) βαθμούς ελευθερίας. Αυτοί πλαισιώνονται και από ακόμα εικοσιένα (21) συμπληρωματικούς βαθμούς ελευθερίας. Οι έξι (6) πρώτοι αφορούν στις μετακινήσεις και στις στροφές του πλωτήρα (ταλάντευση εμπρός-πίσω (surge), ταλάντευση πλευρική (sway), ταλάντευση πάνω-κάτω (heave), περιστροφή (roll), πρόνευση (pitch), γωνιακή απόκλιση (yaw)). Οι υπόλοιποι αφορούν στον πύργο, στη γωνία κλίσης (tilt) και στην γωνιακή απόκλιση (yaw) του κλωβού και της ατράκτου, στη γωνία αζιμουθίου του δρομέα, στη γωνία βήματος (pitch angle) ξεχωριστά του κάθε πτερυγίου κοκ. Όπως είναι φυσικό ο συγκεκριμένος κώδικας μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο για τη περίπτωση της πλωτής όσο και για τη περίπτωση της χερσαίας ανεμογεννήτριας, καθώς η διαφορά μεταξύ τους έγκειται μονάχα σε έξι βαθμούς ελευθερίας και στην αφαίρεση του πλωτήρα από το σύστημα.

The main purpose of this diploma thesis was the development of a low order computational tool for the dynamic analysis of floating wind turbines, based on modal reduction. The use of the modal analysis compared to the finite element analysis (FEM), requires substantially lower computational effort. For the development of this particular code, the programming language Fortran 90 was used.

The wind turbine was modeled using the rotor, the tower and the floater. All the required load transfers (forces and moments) between the components are being conducted as well (blades-tower, blades-floater, tower-floater). In the aforementioned model, the torsion and extension DOFs (degree of freedom) haven’t been implemented. For the simulation of the aerodynamics, the use of the steady-state aerodynamics with the frozen wake theory was chosen. As a result, the axial and tangential induction factors are not renewed in every time-step. The four distinct bodies of the wind turbine (the three blades and the tower) have four (4) DOFs each, hence in total sixteen (16) DOFs. These are being supplemented by twenty-one (21) more DOFs. The first six of them, concern the translations and the rotations of the floater (surge, sway, heave, roll, pitch, yaw). The rest of them concern the tower, the tilt and the yaw angle of the nacelle and the shaft, the azimuth rotation angle of the rotor, the pitch angle of each blade separately etc. Since the case of the onshore wind turbine is just a deduction of the case of the offshore wind turbine ¬by removing the floater from our model and the six corresponding DOFs- the code can be used for both cases.