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

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.

– 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]
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 از میراگرهاي تنظیم کننده در جهت کاهش اثرات تحریک باد بر روي سازهها بـوده اسـت [6].
لازم به ذکر است که میراگر تنظیم شونده در صـورتی کـه بصـورتغیر فعال در سازه بکار گرفته شود ،میتواند تنها براي یک فرکـانسمشخصی از سازه اصلی تنظیم شود که این فرکانس معمولا فرکانس مود اول سازه میباشد. مود اول در حقیقت محتملترین نوع پاسـخسازه به تحریکات وارد شده است، هر چه مودها بالاتر مـی رونـد بـهدلیل افزایش فرکانس احتمال وقوع کمتري دارند، عمومـا در سـازهها سه مود اول به منظور طراحی در محاسبات مـورد بررسـی قـرارمیگیرد که در این میان مـود اول بـه دلیـل احتمـال رخـداد بـالابیشترین نقش را دارد .هرگاه تحریک خارجی به نحـو ي باشـد کـهسهم مودهاي بالاتر در پاسخ سازه نسبت بـه مـود اول قابـل توجـهباشد، در این صورت ممکن است سیستم جرم تنظـ یم شـونده اثـرمعکوسی داشته و دامنه ارتعاشات را بیشـتر نمایـ د، تـوربین بـاديفراساحلی نیز در صورتی که جهت جریان و باد در راستاي فور-افتر باشد، در همین راستا نیز داراي بیشترین میزان ارتعاش خواهد بود ،پس کاهش این ارتعاش که در مود اول راستاي فور-افتـر بیشـترینمیزان خواهد بود میتواند به عنوان هدف پژوهش تعیین گردد.
به منظور کنترل سازهاي توربین هاي بادي فراساحلی کدي بـه نـامکد FAST-SC توسط لاکنر و همکارانش در سال 2010 تهیه گردیده که این کد، نسخه توسعه داده شـده کـد اصـلیFAST بـه منظـورکنترل سازه اي توربینهاست. این کد که تمامی توانـا یی هـا ي کـدFAST را داراست، قابلیت شبیه سازي کنترل غیـ رفعـال سـازهاي توسط میراگر جرمی تنظیم شونده را دارد. در ایـ ن کـد دو میراگـر جرم تنظیم شونده که بطور مستقل از هم عمل میکننـد گنجانـدهشدهاند. به منظور مدل نمودن سیستم میراگر در یک توربین بـاد ي لاکنر و همکارانش با درنظر گرفتن حضور میراگرها در ناسل تـورب ین و با بهرهگیري از دینامیک Kane که مبناي نرم افـزا ر FAST نیـ ز هست، اقدام به استخراج معادلات حرکت نمودند، معادلات حرکـتجدید شامل معادلاتی به همراه معادلات مرتبط با میراگرها بود کـهبه دلیـل نوشـتاري بـودن فایـل ورودي، بخشـی بـراي وارد شـدنپارامترهاي مختلف میراگرها از جملـه جـرم، میرایـی و سـختی درفایل اصلی ورودي گنجانده شد [4]. میراگرهاي شبیه سازي شـدهدر این کد در ناسل توربین قرار دارند و قابلیت جابـه جـایی در دو
مود حرکتی توربین یعنی مود فور-افتر (Fore-After) و ساید-ساید (Side-Side) را دارا میباشند، شکل 2 اجزا مختلف توربین بادي و نیز راستاهاي حرکتی توربین را نشان میدهد.

شکل 2 – اجزا و راستاهاي حرکتی توربین بادي

3-1- توربین 5 مگاواتی پایه کششی شناور در این پژوهش کنترل سازهاي توربین بادي 5 مگاواتی پایه کششی شناور فراساحلی به عنوان یکی از توربینهاي رایج در امر تحقیقات دانشگاهی و مهندسی مورد بررسی قرار گرفته اسـت، ایـ ن تـورب ین توسط آزمایشگاه انرژيهاي تجدید پذیر ایالات متحده طراحی شده است .
به منظور کنترل سازهاي این تـورب ین از یـ ک میراگـر جـرم تنظـیم شونده در ناسل توربین بهره گرفته شده است که میراگر در راستاي فور-افتر توربین قابلیت جابهجایی دارد. مشخصات توربین 5 مگاواتی مورد بررسی در این پژوهش در جدول 1 آورده شده است.

جدول 1 – مشخصات توربین بادي 5 مگاواتی پایه کششی
مقدار مشخصه
5 مگاوات قدرت توربین
3 پره، بطول 5/61 متر پیکربندي روتر
126 متر ،3 متر قطر روتر، هاب
90 متر ارتفاع هاب
سرعت باد:
3 متر برثانیه سرعت باد شروع به کار
4/11 متر برثانیه سرعت باد در حال کار
25 متر بر ثانیه سرعت باد اتمام کار
110000 کیلوگرم جرم روتر
240000 کیلوگرم جرم ناسل
347460 کیلوگرم جرم برج
6 متر قطر پایه ي برج
87/3 متر قطر بالاي برج

به منظور معرفی مشخصـات تـورب ین، فایـ لهـا ي ورودي نـرم افـزارFAST که فایلهاي نوشتاري هستند، به نرم افزار معرفی شدند .به منظور بررسی، از 2 سرعت باد 10 متر بر ثانیه و 18 متـر بـر ثانیـ ه استفاده گردید، این انتخاب به نحوي انجام گردید کـه سـرعت بـاد10 متر بر ثانیه بین سرعت بادهاي شـروع بـه کـار و در حـال کـار و سرعت باد 18متر بر ثانیه بین سرعت بـاد در حـال کـار و اتمـام کـار توربین قرار داشته باشند. به منظور داشتن قابلیت آشفتگی که یکی از اصلیترین پارامترهاي نیروهاي آیرودینامیکی است، از نـرم افـزار TurbSim استفاده گردید .این نرم افزار نیز یکی دیگر از کد هـا ي نوشته شده توسط آزمایشگاه ملی انرژي هاي تجدید پـذ یر ایـ الات متحده است که به منظـور شـبیه سـاز ي آشـفتگی در نیـ روي بـادطراحی شده است [7]، فایـ ل خروجـ ی ایـ ن نـرم افـزار کـه فایـ ل اطلاعات باد است به عنوان ورودي زیر برنامـه AeroDyn بـه نـرمافزار FAST معرفی گردید.
پیش بینی ارتفاع موج در کارهاي مهندسی عموما بواسطهي طیـ ف هاي موج انجام میشود .یکی از رایجترین طیـ فهـا ي مـوج، ط یـ ف موج جانسوپ( JONSWAP) است. به دلیل این که موج نیز منشـابادي دارد و این که توربینهاي بادي باید براي هر دو نیروي بـاد وموج طراحی و محاسبه شوند، ارتفاع و پریود موج شـاخص د ر ایـ ن پژوهش بواسطه فرمول بندي این طیف بدست آمد، در ایـ ن فرمـولبندي پیش بینی ارتفاع و پریود موج بواسطه طول بادخور و سرعت باد انجام میشـود [8]. مشخصـات مربـوط بـه دادههـاي محیطـیاستفاده شده در جدول 2 آورده شدهاند .فرمول هاي محاسبه ارتفاع موج شاخص بواسطه سرعت باد بصورت زیر میباشند.

= 0.71.
= 0.0016() .
1107440

= 0.286(

در این فرمولها ،W و WA به ترتیب سرعت باد و سرعت باد اصلاح شده هستند که هر دو بر حسب متر بر ثانیه تعیین میشوند ،Hs مقدار ارتفاع موج شاخص ،Ts مقدار پریود موج شاخص ،g مقدار شتاب گرانش زمین و F مقدار طول بادخور است.

جدول 2 – مشخصات محیطی انتخاب شده
مقدار مشخصه
200 متر عمق آب
100 کیلومتر طول بادخور
3 متر ارتفاع موج شاخص براي سرعت باد 10 متر برثانیه
45/6 ثانیه پریود موج شاخص براي سرعت باد 10 متر بر ثانیه
4 متر ارتفاع موج شاخص براي سرعت باد 18 متر برثانیه
25/8 ثانیه پریود موج شاخص براي سرعت باد 18 متر بر ثانیه

به منظور کنترل سازهاي توربین پایـه کششـی، در ایـ ن پـژوهش ازمیراگرهاي با وزن 7، 14، 21 و 28 تن، بهرهگرفته شده که هریـ ک به ترتیب داراي وزنی برابر با 1، 2، 3 و 4 درصد وزنـ ی جـرم بـالاي سکوي توربین هستند. علت این انتخاب رایج بودن درصدهاي وزنی عنوان شده به عنوان مبناي وزنی میراگرهـا ي TMD در مهندسـ ی عمران است. به علـت ایـن کـه تـوربین پایـه کششـی داراي رفتـارپیچیدهاي است و تعریف یک مدل با درجه آزادي محدود براي این توربین زمانگیر و پیچیده است، به منظور محاسـبه ي ثابـت فنـر وثابت میرایی هریک از میراگرها از یک مطالعـه پارامتر یـ ک در نـرمافزار FAST-SC استفاده شد. نحوه انجام کار بر این اساس بود که براي مقداري براي ثابت میرایی ،به عنوان مقدار اولیه درنظر گرفتـهشد و سپس مقدار ثابت فنر با آنالیزهاي مختلف در نرم افزار تغییـ ر یافت تا مقدار بهینهاي براي آن با بررسی مقدار جابجـایی حـداکثربدست آید، سپس ثابت فنر بهینه بدست آمده، ثابت در نظر گرفتـهشده و مقدار بهینهاي براي ثابت میرایی با آنالیزهاي مختلف بدست آمد.
مقادیر فرکانس طبیعی سازه با استفاده از آنالیز خطی سازي شـدهنرم افزار FAST بدست آمد و پارامترها به نحوي تعیین شـدند کـهفرکانس طبیعی میراگر تقریبا با فرکانس طبیعی سیستم برابر باشد .مشخصات میراگرهاي انتخابی و پارامترهاي مربوط به آنها در جدول 3 آورده شدهاند.

جدول 3 – مشخصات میراگرهاي انتخابی
ثابت میرایی (N/m/s) ثابت فنر
(N/m) جرم میراگر ها
(Kg) درصد جرمی
1000 12000 7000 1 درصد
1700 23000 14000 2 درصد
2500 30000 21000 3 درصد
4000 40000 28000 4 درصد

3-2- صحت سنجی دادهها
مدل استفاده شده در این، پژوهش همـانطور کـه اشـاره شـد یـکتوربین بادي پنج مگاواتی پایه کششی شناور است، دادههاي مربوط به این توربین در سایت آزمایشگاه ملی انـرژي هـاي تجدیـد پـذیرایالات متحده موجود بوده و به صورت متعددي توسط پژوهشـگرانو محققین مختلف مورد استفاده قرار گرفته است [11، 10، 9]. بـهمنظور صحت سنجی دادههـاي مـورد اسـتفاده بـرايTMD ، یـکمیراگر با جرم و مشخصات نشان داده شـده در جـدول زیـر مـورد استفاده قرار گرفت که توسط استوارت و همکـاران در سـال 2013 نیز بکار گرفته شده بود [12].

جدول 3 – مشخصات میراگر مورد استفاده توسط استوارت و همکاران
سختی
N/m میرایی
N-s/m جرم
Kg پارامتر
12350 1300 10000 مقدار

میراگر مورد استفاده در پژوهش استوارت براي یک تـوربین بـاديپنج مگاواتی پایه کششی مشابه بود که براي سرعت باد 10 متر بـرثانیه مورد بررسی قرار گرفت. به منظور بررسی این صـح ت سـنجیپارامتر مورد مطالعه توسط استوارت و همکاران مربـوط بـه آسـیبخستگی در جهت فور-افتر توربین بـود کـه بـه همـین دلیـل ایـنپارامتر نیز در این پژوهش مورد مطالعه قرار گرفت و میـزان تفـاوتنتایج نسبت به حالت کنترل نشده توربین، مقایسـه گردیـد، نتـایجگرفته شده در جدول 4 نشان داده شده است .
با توجه به جدول 4 می توان چنین عنوان نمود که به دلیل خطـاي تقریبا 2 درصدي در نتایج دو پـژوهش انجـام پذیرفتـه، داده هـايمورد استفاده در این مطالعه قابل استناد خواهند بود.

جدول 4 – صحت سنجی پارامتر آسیب خستگی در راستاي فور- افتر براي سرعت باد 10 متر بر ثانیه
آسیب خستگی جهت فور-افتر (kNm) پارامتر
33684 کنترل نشده
32206 نتیجه استوارت و همکاران
32790 نتیجه این پژوهش
6/2 درصد میزان کاهش نسبت به حالت کنترل نشده

8/1 درصد میزان درصد اختلاف با نتیجه استوارت و همکاران

4- ارزیابی خستگی در توربین بادي فراساحلی
طراحی اکثر توربینهاي بادي بجاي بارهاي حداکثر، بـرا ي بارهـا ي خستگی انجام میپذیرد. به همین دلیل، در ایـ ن



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید