0-92339

نشریه مهندسی دریــا سال یازدهم/ شماره22/ پاییز و زمستان 1394(39-50)
کنترل سازه اي و تحلیل خستگی توربین بادي پایه کششی شناور فراساحلی با استفاده از میراگر جرم تنظیم شونده
حمید حکم آبادي1، علیرضا مجتهدي2*، محمدعلی لطف اللهی یقین3

1 کارشناس ارشد سازه هاي دریایی، دانشگاه تبریز ،[email protected] 2 استادیار، دانشگاه تبریز ،[email protected] 3 استاد، دانشگاه تبریز ،[email protected]
5425449949688

26151849949688

1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:08 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:08 +0330 on Monday October 30th 2017

اطلاعات مقاله

چکیده

چکیده

با افزایش روز افزون استفاده از انرژي بادي، توربینهاي بادي فراساحلی سهم قابل توجهی از تولید این انرژي را برعهده گرفتهاند. این توربینها به دلیل قرارگیري در محیط دریا متحمل بارهاي دینامیکی قابل توجه و طولانی مدت میشوند. وجود چنین بارهایی موجب ایجاد خستگی در اعضاي مختلف سازههاي فراساحلی و این نوع توربینها میشود. خرابی بواسطه خستگی ،یکی از اصلیترین دلایل خرابی در سازه هاي فراساحلی به شمار میآید. یکی از بهترین راههاي کاهش بارهاي خستگی، کاهش ارتعاشات در سازه است. در این مطالعه بمنظور کاهش ارتعاشات در توربین، از یک میراگر جرم تنظیم شونده با جرمهاي مختلف، در قسمت ناسل توربین بهره گرفته شده و میزان کاهشها ارتعاشات در درجات آزادي مختلف توربین با حضور میراگرها مورد بررسی قرارگرفته است .مدلسازي میراگرها بواسطه کد FAST-SC انجام پذیرفته است. نتایج نشان میدهد که حضور میراگر در ناسل توربین میتواند موجب کاهش گشتاورهاي پاي برج توربین و نتیجتا کاهش بارهاي خستگی در برج توربین میشود .میتوان چنین عنوان نمود که افزایش جرم میراگر تا حدود 21 تن، میتواند موجب کاهش قابل توجه تر ارتعاشات مختلف گردد .همچنین نتایج حاکی است که کاهش گشتاورهاي پاي برج توربین به دلیل کاهش ارتعاشات میتواند موجب افزایش زمان لازم تا خرابی توربین (طول عمر توربین) شود. تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 30/06/1393 تاریخ پذیرش مقاله: 12/08/1394

کلمات کلیدي:
توربین بادي پایه کششی شناور میراگر جرم تنظیم شونده خستگی
زمان لازم تا خرابی

Structural Control and Fatigue Analysis of Offshore TLP Wind Turbine Using TMD

Hamid Hokmabady1, Alireza Mojtahedi2, Mohammad Ali Lotfollahi Yaghin3

MSc of Marine Structure, University of Tabriz; [email protected]
Assistant Professor, University of Tabriz; [email protected]
Professor, University of Tabriz; [email protected]

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ARTICLE INFO

ABSTRACT

Article History:
Received: 21 sep. 2014
Accepted: 3 Nov. 2015
As wind power continues its rapid growth worldwide, Offshore Wind Turbines (OWTs) are likely to comprise a significant portion of the total production of wind energy. These kinds of wind turbines cause of their placement environment should resist in great stormy conditions, which cause fatigue failures. Fatigue loads are one of

Keywords:
Wind Turbine
TLP
TMD
Fatigue
Time until Failure the main failure reasons in offshore structures. One of the best ways for decreasing these kinds of loads is reducing the structure vibration. In this research application of a tuned mass damper with different masses, in an offshore Tension Leg Platform (TLP) is investigated. Tuned Mass Dampers (TMDs) modeled in a developed code FAST-SC. Results show that using TMD in the nacelle can reduce the moments in the base of the tower and turbine vibration. This reduction can also increase time until failure factor of the OWTs.

1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:08 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:08 +0330 on Monday October 30th 2017

– مقدمه
با افزایش روز افزون اسـتفاده از انـرژي بـاد ي، تـورب ینهـا ي بـاد ي فراساحلی سهم قابل توجهی از تولید این انرژي را بـر عهـده گرفتـهاند .یک توربین بـاد ي فراسـاحل ی بـه دل یـ ل قرارگیـ ري در محـ یط دینامیکی دریا باید مقاومت کافی براي حفظ پایداري و بهرهبرداري داشته باشد. اصلیترین عوامل ایجاد کننده محیط دینامیکی دریـاموج و باد میباشند که این عوامل نیز ایجاد کننده لرزشهاي سازه اي، بارهاي خستگی و بارهاي حداکثر در پرهها، فونداسیون، بـرج ودیگر اجزاي توربین بادي هسـتند . در میـان تمـامی انـواع بارهـا ي وارده، بارهاي خستگی، موجب افزایش نیاز به نگهداري سازه، هزینه هاي بالا و خرابی میگردد. یکی از بهترین راههاي کـاهش بارهـاي خستگی، کاهش ارتعاشات سازه و کاهش بارهاي وارد بر آن اسـت.
تکنیکهاي کنترل سازهاي مختلفی به منظور کاهش ارتعاشـات در سازه وجود دارد که در این بین روش کنتـرل غ یرفعـال رایـ جتـر ین آنهاست. در بین دستگاههاي مختلف کنترل غیرفعال، میراگر جـرمتنظـ یم شـونده (TMD)، نقـش بس زایی را در تـورب ینهـا ي ب ادي فراساحلی داشته که این به دلیل عملکرد بالا و هزینههاي پایین آن بوده است. به منظور کاهش ارتعاشـات و بارهـاي وارده بـر تـوربینهاي بادي تحقیقات بسیاري انجام شده است. در سال 2008 مورتاژ و همکارانش از یک روش کنتـرل سـازه اي غیـ ر فعـال بـه منظـورکاهش لرزش هاي ایجاد شده در توربین بادي اسـتفاده نمـود، وي بررسی نمود که استفاده از یک میراگر جرم تنظیم شـونده بـه چـهمیزان میتواند لرزش هاي ایجاد شده در یـ ک تـورب ین بـاد ي پایـ ه ثابت را کاهش دهد [1]. کال ول و همکارانش در سال 2008 وجود میراگر مـا یع تنظـ یم شـونده را در یـ ک تـورب ین بـاد ي فراسـاحل ی مونوپایل به منظور کاهش لرزشهاي توربین بادي مورد بررسی قرار دادند، آنها به این نتیجه رسیدند که وجود یک میراگر مایع تنظـ یم شونده میتواند جابجایی حداکثر توربین را تا 55 درصد کاهش دهد[2]. استوارت در سال 2012 تـاث یر وجـود م یراگـر جرمـ ی تنظـ یم شونده بر روي چند نوع توربین بـاد ي شـناور را بررسـ ی نمـود، و ي بیان نمود که وجود میراگر جرمی تنظـ یم شـونده مـیتوانـد باعـثکاهش 60 درصدي آسیبها و کاهش 40 درصدي گشتاور خمشی ایجاد شده در برج می شود [3]. در سال 2010 لاکنر بـرا ي اولـ ین بار کنترل غیر فعال، نیمه فعال و فعال میراگر جرمی تنظیم شـوندهرا روي توربین بادي فراساحلی بارج بررسی نمود، نتیجه تحقیقـات وي منتج بـه توسـعه دادن نـرم افـزارFAST-SC گردیـد ، وي در تحقیقات خود به این نتیجه رسید که با استفاده از کنترل غیرفعـال میراگر جرم تنظیم شونده میتوان میزان بارهاي وارده بـر سـازه را کاهش داد [4].
نظر به این که در بین تحقیقات انجام شده، پژوهشی که به بررسـ ی رفتار ارتعاشی توربین پایه کششی شـناور پرداختـه و کنتـرل غیـرفعال این نـوع تـوربین را مطـابق روش بکـار گرفتـه شـده در ایـنپژوهش مورد ارزیابی قراردهد، مشاهده نگردیـ د، در ایـ ن پـژوهشکنترل سازهاي توربین بادي فراساحلی پایه کششـ ی شـناور، مـوردارزیابی و رفتار لرزهاي آن، مورد بررسی قرار گرفته و تـاث یر کنتـر ل سازهاي توربین، در زمان لازم تا خرابی تـوربین بـه عنـوان یکـی از پارامترهاي خستگی، مورد بررسی قرار گرفته شده است.

– توربینهاي بادي و انواع آن
امروزه توربینهاي بـاد ي سـاحل ی، انتقـال ی و فراسـاحل ی بـه دل یـ ل وسعت زیاد دریاها و سواحل و در ضمن ارزش بالاي زمـ ین و قابـلاستفادهتر بودن آن، بیشتر مورد توجه قرار گرفتهاند. این نوع توربین ها همانند سکو هـا ي نفتـ ی، بـا توجـه بـه میـ زان عمـق آب دارا ي سیستم هاي عملکرد مختلفی هستند که طراحی و ساخت و نصـبهریک از آنها هزینههاي متفاوت و قابل توجهی را شامل میشود. تا به امروز توربینهـا ي فراسـاحل ی مختلفـ ی، بـه منظـور اسـتفاده درمناطق آب و هوایی و جغرافیایی مختلف، طراحـ ی و سـاخته شـدهاسـت. یکـ ی از اصـلی تـرین روشهـا ي طبقـه بنـدي تـ وربینهـا ي فراساحلی براساس عمق آبی است که در آن قرار میگیرند. توربین-هایی بادي با فونداسیون ثابت، در آبهایی تا عمـق 60 متـر کـاربرددارند، فونداسیون این نـوع تـوربین هـا بـه طـور کلـی بـه دو نـوعفونداسیون آب هاي کمعمق، که در عمـق آب از صـفر تـا 30 متـرکاربري دارند، فونداسیون آبهاي انتقالی که در عمـق آب بـین 30 تا 60 متر کاربري دارد. و نوع دیگر مربوط بـه فونداسـیون آبهـا ي عمیق است که براي آبهایی با عمق بیش از 60 متر کاربرد دارنـد
.[5]
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:08 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:08 +0330 on Monday October 30th 2017

با افزایش عمق آب بـه بـیش از 60 متـر، مشـکلات فراوانـی بـرا ي هزینههاي نصب و ساخت فونداسیون ثابت براي توربینهـا ي بـاد ي فراساحلی بوجود میآید، به همین منظور در آبهاي عمیق از انواع دیگر تکنولوژيهاي شناوري استفاده میشود. آبهاي عمیق شامل بیشترین سرعتهاي باد هستند که نیازمند تکنولوژي فراساحلیاي به منظور مقاومت در برابر این نیروي وارده از طرف باد هستند. این نوع توربینها به مقدار قابل توجهی مستقلتر از شـرا یط کـف در یـ ا عمل میکنند و میتوانند در مناطق مختلفی نصب گردند. در حالت کلی سه نوع سیستم فونداسیون مختلف براي ایـ ن نـوع تـوربینهـاوجود دارد که شامل، سیستم شناوري اسپار، بـارج و پا یـ ه کششـ ی است. فونداسیونهاي اشاره شده، هریک از روش خاصی به منظـورحفظ پایداري خود استفاده میکنند. شکل 1 نشـان دهنـده انـواعفونداسیون توربینهاي بادي فراساحلی است. توربینهـاي بـادي بـافونداسیون پایه کششیها به منظور حفظ تعادل خود از کابـل هـايمهاري استفاده میکنند. این سیستمها شامل یـ ک اسـپار مرکـزي بمنظور ایجاد شناوري مورد نیاز هستند و در کنار این دو مورد وزنه متعادل کنندهاي نیز به منظور ایجاد تعادل در برابر هر نوع حرکتی در این سیستمها وجود دارد.
توربینهاي بادي نیز همانند دیگـر انـواع سـازه هـا مجموعـه نـرمافزارهایی را براي طراحی خود دارند که در این میان میتوان به کد FAST اشاره نمود.

شکل 1 – انواع فونداسیون توربینهاي بادي فراساحلی [7]

این کد یک شبیه ساز آیرو- سـروو-الاسـت یک غیرخطـ ی در دامنـهزمان است که بـرا ي پـ یش بینـ ی بارهـا ي حـداکثر و خسـتگی در توربینهاي محور افقی دو پره و سـه پـره مـی باشـد [3]. ایـ ن کـدتوسط آزمایشگاه انرژيهاي تجد یـد پـذ یر ایـ الات متحـده ته یـ ه و تدوین شده است. به منظور طراحی توربین بادي براي مقابله بـا دونیروي باد و موج ،این نیروها در نـرم افـزارFAST توسـط دو زیـربرنامه محاسبه میشوند. فایل اطلاعات باد را با استفاده از زیر برنامه AeroDyn و نیروهاي Hydrodynamic نیز بواسطه زیر برنامـه
HydroDyn این کد محاسبه میگردند.

3 – کنترل سازهاي توربین بادي
هر سازهاي که ساخته میشود در طول عمر خود بـا احتمـال وقـوعبارگذاريهاي بحرانی از جمله تحریکات جانبی ناشی از موج، زلزله ،باد و… مواجه میشود که در صورت وقوع هریک از آنها، سـازه با یـ د مقاومت کافی داشته باشد. در سالهاي اخیر به دلیل نیاز روز افزون بشر، محدودیتهاي موجـود در روش هـا ي طراحـ ی سـنت ی شـاملمیرایی اندك سیستمهاي سازهاي و مصـالح، جهـت جـذب انـرژي بارهاي دینامیکی و دارابودن خواص دینـام یکی ثابـت و غ یـ رقابـلتطبیق با بارهاي دینامیکی خارجی، موجب ایجاد روشهاي نوین و مدرن به منظور طراحی سازههایی مقـاوم بـا هـدف کـاهش پاسـخسازهاي و خسارات وارده شده است. سیستمهاي کنترل سازهاي بـهمنظور کاهش لرزشهاي ناخواستهاي هستند که به هـر دلیلـ ی بـرروي سیستم اصلی اعمال میشود. این نوع سیسـتم هـاي کنترلـ ی میتوانند به شکلهاي مختلفی طراحـ ی شـوند. روش هـا ي کنتـرلسازه شامل سیستم کنترلی غیرفعال، سیستم کنترلی نیمـه فعـال،سیستم کنترلی فعال و سیستم هـاي کنترلـ ی ترکیبـ ی اسـت [6]. سیستم بکار گرفته شده در این پژوهش سیسـتم کنتـرل غ یرفعـال است.
سیستمهاي کنترل غیرفعال را میتوان سیستم اتلاف انرژي دانست که با استفاده از برخی ابزارهـا و مـواد، سـختی و میرایـی سـازه راافزایش میدهند. سیستمهاي کنترل غیرفعـال نیـ از بـه ه یچگونـه منبع انرژي خارجی ندارند. این سیستمها قابل اعتماد بحساب می-آیند چون ابزارها عموما بر اساس اصولی ماننـد لغـزش اصـطکاکی، جاري شدن فلز، اختلاف فـاز حرکـت، تغییـ رات ویسـکو الاسـت یک مایعات و جامدات عمل میکند. در بین ابزارهاي مختلف اتـلاف گـرانرژي در سیستم کنترلی غیر فعال میراگر جرم تنظـ یم شـونده بـهدلیل عملکرد بالا و هزینهي پایین آن بسیار مورد توجه بوده اسـت.در سیستم میراگر جرم تنظیم شونده، وزنهاي به جـرم مشـخص درمحلی از سازه نصب میشود و تنها توسط یک فنر و یک میراگـر بـاضریب سختی و میرایی معین به سازه وصل میگـردد. بـا انتخـابمقادیر مناسب براي جرم و ضـر یب سـخت ی فنـر و ضـریب میرایـی میراگر، دامنهي ارتعاشات سازه در مـود اول کنتـرل مـیگـردد. درصورتی که این میراگر بصورت غیرفعال در سازه به کار گرفته شـودباید با مود اول سازه که مهمتـر ین فرکـانس تحر یـ ک سـازه اسـتتنظیم شود تا بیشترین میزان کاهش جابجایی-ها در سازه را در پی داشته باشد [5]. از میان ابزارهاي مختلـف اتـلافگـر انـرژي بـرايسیستمهاي کنترل غیرفعال، در این پژوهش از میراگر جرم تنظـیمشونده استفاده شده است .استفاده اولیه



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید