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:
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].
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 عموماً 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 تئوري تیرهاي جدار نازك استفاده کردند و با استفاده از آن پاسخ سازه را با درنظر گرفتن اندرکنش برج و پروانه بدست آوردند [19]. اما مطالعات انجام شده در این حوزه نیز براي مدلهاي خاصی از برج توربینهاي بادي مورد استفاده قرار گرفتهاند و نتایج حاصل، حاکی از آن است که در حالت کلی معادله دیفرانسیل حرکت برج توربینهاي فراساحلی، فاقد حل دقیق و تحلیلی بوده و براي حل نیازمند روشهاي عددي است.
یکی دیگر از روشهایی که براي محاسبه فرکانسهاي طبیعی و پاسخ دینامیکی در سازهها مورد استفاده قرار میگیرد، روش دینامیک سیستمهاي چند عضوي4 (MBD) است. در این روش مدل مورد نظر به یک سري المان صلب مدل شده که هریک از المانها در نقاط اتصال با استفاده از یک بوشینگ به یکدیگر متصل شدهاند. بوشینگها متناسب با نوع مدلسازي میتوانند تنها یک فنر خطی و یا یک ماتریس سفتی شامل فنرهاي خطی و پیچشی باشند. منزاتو و همکارانش با استفاده از روش MBD فرکانسهاي طبیعی یک برج ساحلی را محاسبه و نتایج حاصل را با دادههاي تجربی مورد مقایسه قرار دادند[ 20]. میرش و همکارانش نیز با استفاده از این روش فرکانسهاي طبیعی و شکل مودهاي ارتعاشی پروانههاي توربین باد را محاسبه کردند[ 21]. در ادامه سویانگ و همکارانش با استفاده از المان تیر و معرفی یک بوشینگ جدید فرکانسهاي برج و پروانه را محاسبه کردند و نشان دادند که دقت روش MBD رابطه مستقیم با نحوهي مدلسازي و انتخاب بوشینگها دارد [22]. استفاده از روش MBD در تحلیل دینامیکی برج توربین باد نیازمند تجربه بالا در مدلسازي است[ 22]. از طرفی این روش عموما با معادلات کوپل و پیچیده همراه است و براي حل نیازمند روش هاي عددي است[ 23] و این موضوع موجب شده است که روش MBD کمتر در تحلیل ارتعاشات برج توربین باد مورد استفاده قرار گیرد.
از طرف دیگر میتوان به روش ماتریس انتقال5 اشاره کرد. روش ماتریس انتقال، روشی ساده و با دقت است که براي محاسبهي فرکانسهاي طبیعی، گشتاور خمشی، نیروي برشی، شکل مودهاي ارتعاشی و … در سازهها مورد استفاده قرار میگیرد [24-26]. این روش در واقع تکمیل روشی است که هولزر در سال 1921 براي بررسی ارتعاشات پیچشی محورها ارائه داد[ 27]. پس از آن میکل -استد روش هولزر را با کمی تغییر براي ارتعاشات عرضی تیرها بکاربرد[ 28]. پستل و همکارانش روش میکلاستد را گسترش داده و بجاي استفاده از المان متمرکز، از المان پیوسته براي بررسی ارتعاشات عرضی تیر استفاده کردند[ 29]. داي و همکارانش با استفاده از این روش به بررسی ارتعاشات دوبعدي و سهبعدي در شبکههاي انتقال پرداختند[ 30]. اراسانیو و همکارانش فرکانسهاي طبیعی یک تیر با سطح مقطع ثابت و با جرم متمرکز نقطهاي را بدست آوردند و نتایج حاصل از روش ماتریس انتقال را با دادههاي تجربی و روش اجزاء محدود مقایسه کردند و نشان دادند که براي تیر با جرم متمرکز، روش ماتریس انتقال نسبت به روش اجزاء محدود از دقت بالاتري برخوردار است[ 31].
روش ماتریس انتقال داراي محدودیتهایی نیز میباشد و همین محدودیتها موجب شد که این روش بر خلاف روش اجزاء محدود چندان گسترش نیابد و عموما همراه با روش اجزاء محدود بکار برده شود[ 32-34]. این روش اساسا براي سیستمهاي یک یا دوبعدي ارائه گردید و لذا در تحلیل سیستمهاي پیچیده استفاده از آن به تنهایی چندان مناسب نخواهد بود. از طرفی روش ماتریس انتقال در مودهاي بالا دچار مشکلات عددي6 شده[ 35] و این موضوع موجب تشخیص نادرست فرکانسهاي طبیعی در مودهاي بالا خواهد شد و بنابراین این روش براي سیستمهاي مناسب خواهد بود که مودهاي پایین ارتعاشی در طراحی مورد توجه باشد .
همچنین، در بسیاري از موارد هنگامی که یک فنر با سفتی7 بسیار بالا در سازه وجود دارد و یا در بخشی از سازه، مفصلی با انعطاف -پذیري بالا وجود داشته باشد، تعیین فرکانسهاي طبیعی با استفاده از روش ماتریس انتقال مشکل خواهد بود[ 36].
در طراحی توربینهاي بادي تمام سعی طراحان بر این است تا مرکز ثقل مجموعه ناسل در محور برج قرار گیرد[ 37]. در این حالت مرکز برش برج توربین باد در محور طولی برج قرار خواهد گرفت و لذا حرکت برج دچار کوپلینگ خمش و پیچش نخواهد شد و برج توربین باد مطابق شکل 1 داراي سه حرکت ديکوپلهي، رو به جلو8، پهلو به پهلو9 و چرخش10 حول محور عمودي برج خواهد داشت[ 38]. بنابراین ارتعاشات برج توربین باد عموما یک حرکت تک بعدي و ديکوپله خواهد بود. همچنین حداکثر فرکانس طبیعی مورد نیاز در طراحی برج توربین باد فرکانس طبیعی سوم است [39] و لذا بنظر میرسد که روش ماتریس انتقال روشی مناسب جهت تحلیل ارتعاشات آزاد برج توربین بادي فراساحلی با سکوي تک شمع باشد چرا که در روش ماتریس انتقال ،مرتبه ماتریس مورد نیاز براي تعیین معادله مشخصه نسبت به روش اجزاء محدود بسیار کوچکتر است[ 40]. همچنین در این روش با افزایش تعدادالمانها دقت نتایج افزایش یافته و بر خلاف روش اجزاء محدود ،مقدار دترمینان معادله مشخصه بستگی به تعداد المانها ندارد [41] و بنابراین استفاده از این روش موجب کاهش حجم محاسبات و افزایش سرعت تحلیل خواهد شد. همچنین ابعاد ماتریس انتقال مستقل از تعداد المانها، همواره مقداري ثابت دارد، و لذا نوشتن برنامه هاي کامپیوتري مورد نظر براي این روش نسبت به روش اجزاء محدود بسیار سادهتر است[ 29]. از طرفی، روش ماتریس انتقال به عنوان یک روش تحلیلی مورد استفاده قرار میگیرد ،بنابراین این روش منابع خطاهاي دیگر روش اجزاء محدود بغیر از گسستهسازي را شامل نمیشود و لذا این روش نسبت به روش اجزاء محدود از دقت بالاتري برخوردار خواهد بود[ 42].



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید