3049-100068

نشریه مهندسی دریــا سال 1393/ شماره20 / پاییز و زمستان (11-26)

تحلیل ارتعاشات آزاد برج توربین بادي فراساحلی با سکوي ثابت تک شمع

مهدي فیضالهزاده1*، محمدجواد محمودي2

دانشآموخته کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک، دانشگاه شهید بهشتی؛ [email protected]
استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک و انرژي، دانشگاه شهید بهشتی؛ [email protected]

اطلاعات مقاله

چکیده

چکیده

تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 11/03/1393 تاریخ پذیرش مقاله: 23/10/1393 تاریخ انتشار مقاله: 20/12/1393

استفاده از روش اجزاء محدود در تحلیل ارتعاشات آزاد توربینهاي بادي فراساحلی با سکوي تک شمع ،بسته به نوع مدلسازي فونداسیون، میتواند حجم محاسبات را به شکل قابل توجهی افزایش دهد .در این مقاله براي کاهش حجم محاسبات و افزایش سرعت تحلیل، بجاي استفاده از روش اجزاء محدود، از روش ماتریس انتقال استفاده میشود. براي این منظور، فونداسیون توربین باد با استفاده از مدلهاي DS ،CS و
کلمات کلیدي:
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:09 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:09 +0330 on Monday October 30th 2017

برج توربین بادي فراساحلی فرکانسهاي طبیعی روش ماتریس انتقال

Free Vibration Analysis of Offshore Wind Turbine with Fixed Monopile Platform

Mehdi Feyzollahzadeh1, Mohammad Javad Mahmoodi2
1
M.Sc. Graduated, Faculty of Mechanical and Energy Engineering, Shahid Beheshti University, A.C., Tehran, Iran; [email protected]
2
Assistant Professor, Faculty of Mechanical and Energy Engineering, Shahid Beheshti University, A.C., Tehran, Iran; [email protected]

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ARTICLE INFO

ABSTRACT

AF مدلسازي شده و روابط مورد نیاز جهت تعیین فرکانسهاي طبیعی و شکل مودهاي ارتعاشی براي هریک از مدلها استخراج میشود. سپس در چندین مطالعه موردي به بررسی موارد موثر در فرکانس طبیعی از جمله عمق آب و ضریب جرم افزوده پرداخته شده و در نهایت، نتایج حاصل از روش ماتریس انتقال با نتایج حاصل از روشهاي اجزاء محدود، دینامیک سیستمهاي چند عضوي و دادههاي تجربی مقایسه میشود که علیرغم هزینه محاسباتی اندك ،توافق خوبی را با نتایج فوق نشان میدهد.
Finite elements method can considerably increases the computational works of free vibration analysis of offshore wind turbine with fixed monopile platform depending on the modeling type of foundation,. In this paper, transfer matrix method is used to reduce computational works and increase the speed of analysis instead of the finite
Article History:
Received: 1 Jun. 2014
Accepted: 13 Jan. 2015
Available online: 11 Mar. 2015

elements method. For this purpose, the wind turbine foundation is modeled using CS, DS and AF models are used and required relations are extracted to determine the natural frequencies and mode shapes for each of the models. Then, factors affecting the frequency such as water depth and added mass coefficient are examined in several case studies. Finally, the transfer matrix method obtained results are compared with the results of the finite elements method, multi body dynamics and experimental data which show good agreement in spite of low computational cost.

Keywords:
Offshore wind turbine tower
Natural frequencies
Transfer matrix method

1 – مقدمه
تکنولوژي توربینهاي بادي فراساحلی در سالهاي اخیر رشد چشم گیري داشته است[ 1، 2] و بسیاري از کشورها همچون هلند ،دانمارك و سوئد طرحهاي بلند مدتی در جهت نصب و راهاندازي مزارع بادي فراساحلی دارند[3]. در ایران نیز در چندسال اخیر تحقیقاتی در زمینه امکان سنجی و نصب توربینهاي فراساحلی انجام گردیده است[ 4-6] و تحقیقات انجام گرفته حاکی از آن است که سواحل ایران بخصوص سواحل خلیج فارس پتانسیل نصب توربینهاي فراساحلی با سکوي تک شمع را داراست[ 5، 7].
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:09 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:09 +0330 on Monday October 30th 2017

یکی از مراحل مهم در طراحی سازهاي توربینهاي بادي فراساحلی ،تعیین فرکانسهاي طبیعی برج است که باید کاملا دقیق انجام گیرد[ 8]. این موضوع به دلیل وجود نیروهاي تحریک غالب است که همواره در حین کارکرد توربینهاي بادي فراساحلی بر آنها وارد میشود. وجود یک اختلاف جرم (هرچند کوچک) در بین پروانهها موجب میشود تا با شروع کارکرد توربینهاي بادي یک نیروي خارجی با فرکانس گردش روتور( 1P) به سازه توربین باد وارد شود [9]. از طرفی در هر زمان که یک پروانه از انتهاي برج عبور میکند به دلیل اثر سایه1 یک نیروي هارمونیک به سازه وارد میشود که براي یک توربین بادي با سه پروانه، موجب تحریک خارجی با فرکانس 3P و گاهی اوقات مضاربی از آن( 9P ،6P ،3P و …) خواهد شد [10]. این تحریکها بخش اصلی ارتعاشات غالب در برج توربین باد هستند و برج توربین باد باید به شکلی طراحی شود تا فرکانسهاي طبیعی برج با فرکانسهاي تحریک بیان شده و فرکانس تحریک نیروي موج منطبق نشود. بنابراین دانستن این موضوع که فرکانس گردش روتور در یک ناحیه ایمن قرار دارد وابسته به تعیین دقیق فرکانسهاي طبیعی برج توربین باد میباشد. در این زمینه تاکنون تحقیقات زیادي انجام گرفته که عموماًعموما از روش اجزاء محدود بوده است .چویانگ و همکارانش با استفاده از روش اجزاء محدود فرکانسهاي طبیعی یک توربین یک مگاواتی را محاسبه کردند[ 11]. چن و جین به مدلسازي یک توربین 600 کیلوواتی در نرمافزار انسیس2 پرداختند و نشان دادند که المان shell181 از دقت مناسبی در تحلیل ارتعاشات آزاد برج توربین باد برخوردار است اما حجم محاسبات را به شکل قابل توجهی افزایش میدهد [12]. بوش و مانوئل سه مدل براي فونداسیون برج توربین بادي فراساحلی با سکوي تک شمع معرفی کردند و به بررسی مدلهاي ارائه شده در نرم افزار فست3 پرداخته و فرکانسهاي طبیعی برج براي هرسه مدل را محاسبه کردند و نشان دادند که مدل فنر توزیع شده براي فونداسیون تک شمع، نسبت به مدلهاي دیگر از دقت بالاتري برخوردار است[ 13]. نتایج حاصل از مقالات فوق بیانگر این موضوع است که روش اجزاء محدود روشی بادقت براي محاسبهي فرکانسهاي طبیعی برج توربین باد میباشد ولی زمان زیادي را براي تحلیل صرف میکند و این موضوع در شبیه -سازيهاي دقیق به روشنی خود را نشان میدهد[ 12].
هنگامی که ابعاد توربین باد مشخص باشد ساخت مدلی از توربین باد در مقیاس کوچک میتواند روشی کارآمد و دقیق براي تعیین فرکانسهاي طبیعی باشد. در این زمینه میتوان به تحقیقات انجام گرفته توسط بتچریا و همکارانش اشاره کرد. این محققان با ساخت مدلی از برج توربین بادي فراساحلی با سکوي ثابت جاکت و تحریک آن با یک عملگر خارجی توانستند فرکانس طبیعی اول و دوم برج را محاسبه کنند[ 14، 15]. کاري مشابه توسط آینو و همکارانش انجام گرفت[ 16]. این محققان با ساخت مدلی از برجتوربین بادي با سکوي شناور توانستند نیروهاي وارد بر توربین باد را شناسایی کنند .
روشهاي تحلیلی نیز براي محاسبهي فرکانسها و شکل مودها ارائه شده است. در[ 17] مورتاب و همکارانش به ارائه روشی ساده و تحلیلی براي تعیین فرکانسهاي طبیعی و شکل مودها در برج توربین باد پرداختند. مالاوي توابعی را براي تغییرات سطح مقطع و ممان اینرسی در برج توربین باد تعریف کرد و با استفاده از آن به حل معادله دیفرانسیل حرکت در ارتعاشات پیچشی برج پرداخت [18]. وانگ و همکارانش از



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید