Dynamic analysis in design and operation of large offshore wind turbine drivetrains

Prosjektet har resultert i en anvendelig simuleringsmodell med elementer som er nødvendige for å modellere rullingslagre som hovedlagre i store havvindturbiner. Videre har prosjektet resultert i ny kunnskap om dynamisk oppførsel av et hovedlager, basert på feltmålinger i en av verdens første flytende vindparker. Større turbiner det viktigste bidraget til å redusere kostnadene ved havvind for installasjoner på både flytende plattformer og bunnfaste fundamenter. Det krever igjen lav vekt og kompakte løsninger for hovedlagre og drivverk, og utfordrer etablerte løsninger, komponentvalg og analysemetoder. Flytende turbiner er nødvendige for å utnytte det fulle potensialet til havvind. Selv om banebrytende flytende vindparker finnes og er underveis, er ikke drift på flytende plattformer en driver bak utviklingen av de standardiserte delene i en havvindturbin. I praksis er det bare et annerledes sett av laster for den globale strukturanalysen. Tatt i betraktning spennvidden av løsninger for drivverk og flytende plattformer, kombinert med den begrensede erfaringen med store turbiner og drift på flytende plattformer, så behøves det mer kunnskap om lastvirkninger i drivverk. Problemer med påliteligheten av girkasser i vindturbiner har delvis blitt knyttet til begrenset kunnskap om dynamiske virkninger i drivverket. Som en følge har mange studier har tatt for seg design og analyse av girbaserte drivverk. Til tross for økende interesse for flytende turbiner er det bare et fåtall studier som har sett nærmere på virkningene av flyterbevegelsen. Disse studiene peker i hovedsak på hovedlagrene som de mest kritiske komponentene. Hovedlagre i vindturbiner har fått begrenset oppmerksomhet i litteraturen, til tross for designutfordringene. Hovedlagrene er en integrert del av den lastbærende strukturen, og utskifting kan innebære demontering av både rotor og nacelle. Følgelig bør lageret ha tilsvarende levetid som turbinen. Dette er et viktig punkt med tanke på levetidsforlengelse. Utvikling av kostnadseffektive løsninger for tungt vedlikehold er av avgjørende betydning for flytende turbiner, og fordelene ved å unngå bytte av hovedlager er potensielt større enn for bunnfaste turbiner. Modellering og simulering er avgjørende for utviklingen av havvind. Globale strukturanalyser og lokale drivverksanalyser blir ofte utført separat, såkalte dekoblede analyser. Hovedlagrene knytter i realiteten disse domenene sammen, og det behøves mer oppmerksomhet rundt kravene til modellering av hovedlagre. Modellen som prosjektet har presentert er utviklet gjennom konsekvent bruk av båndgraf-metoden, som gir en oversiktlig modellstruktur. Bevegelsesligningene for de enkelte legemene er utledet ved hjelp av Lagranges metode og representert som felt-elementer i båndgrafene. Modellen inneholder en alternativ implementering av en rulleholder og en elastisk ytterring som gir et mer komplett utgangspunkt for modellering av lagre. Modal representasjon er benyttet for de elastiske legemene, og en løsning for bevegelige laster på ytterringen er vist. Et eksempel på simulering av oppførselen til et generisk rotor-lager-system, under oppkjøring med og uten lagerskade, er presentert for å vise nytten av modellen i transiente analyser. Eksempelet demonstrerer på en god måte at oppførselen av det ulineære systemet hverken er intuitiv eller enkel å lese ut fra enkeltdelene sine karakteristikker. Prosjektets har også presentert en innledende eksperimentell analyse basert på måledata fra et hovedlager i en 6 MW vindturbin på en flytende plattform av spar-typen. Tøyning i flere posisjoner rundt omkretsen av lagerets faste del er blitt målt ved hjelp av fiberoptiske sensorer. Analyser av måledata i tidsplanet og frekvensplanet viser at bøyning opptrer i lagerringen, hovedsakelig drevet av forskjeller i bøyemoment i rotorbladene som igjen er forårsaket av vindlaster og i liten grad av flyterbevegelsen. Dette er et viktig resultat med tanke på fremtidig design av flytende turbiner. Videre opptrer sum- og differansefrekvenser i den målte responsen som et resultat av at systemet er ulineært. Det indikerer at dekoblede analyser kan være utilstrekkelig i designprosessen. Resultatene fra modelleringen og simuleringen bidrar til å øke kunnskapen om rotordynamiske systemmodeller som egner seg for studier av rullingslagre i anvendelser knyttet til mekatronikk og regulering, under transiente forhold og ved lagerskade. Resultatene fra den eksperimentelle analysen bekrefter utgangspunktet for modelleringen med hensyn til elastisk representasjon av en lagerring og dermed også viktigheten av en rulleholder. Videre kan en trekke ut at resultatenes betydning avhenger av hovedlagerets utforming og turbinens størrelse. I noen tilfeller bør det vurderes å gjøre koblede analyser og inkludere rotornavet konsekvent som et elastisk element i både analyser og fullskala testing av drivverket, slik at lastgrensesnittet flyttes fra hovedakselen til rotorbladenes innfesting.

- Økt kunnskap om lastvirkninger og analysebehov for drivverk i flytende havvindturbiner. - Økt kunnskap om modeller, målinger og analysemetoder som kan anvendes i nye løsninger og praksiser. - Styrking av involverte kompetansemiljøer. - Dreining av kompetanse fra olje og gass til fornybar energi. - Sterkere tverrfaglig kobling. - Økt akademisk samarbeid.

Formålet med prosjektet er å øke Statoil, som utbygger og operatør innen havvind, sin kunnskap om dynamiske lastvirkninger på drivverk og hovedlagre i store vindturbiner, og finne frem til egnede analysemetoder for bruk i ulike faser i prosjekter. Utviklingen av havvind som en bærekraftig industri er sterkt knyttet til teknologiske fremskritt, og trenden mot stadig større turbiner som tilnærming for å bedre totaløkonomien i utbyggingsprosjektene forutsetter en svært grundig forståelse av de dynamiske egenskapene til hele vindturbinstrukturen, inklusiv drivverket, slik at en har kontroll over levetid og pålitelighet i alle detaljer, og kan minimere vekt og materialbruk. Det vil gjøre Statoil i stand til bedre å kunne vurdere og håndtere teknisk risiko og levetidsaspekter, og dermed være i stand til å ha som konkurransefortrinn å tidlig høste gevinstene av å ta i bruk ny teknologi i et stadig mer konkurranseutsatt og krevende marked for utbyggingslisenser. Sentrale utfordringer for forskningsprosjektet er 1) Å definere et representativt referansecase for hovedlagre og drivverk i 10MW-klassen som gir bredest mulig gyldighet av analyseresultatene, uten å kompromittere turbinleverandørenes rett til beskyttelse av eget design, 2) Nå relevant grad av «vertikal» kobling/integrering av analysemodeller innenfor akseptabel beregningstid, 3) Finne effektive analysemodeller på detaljert nivå utenom lagerleverandørenes proprietære verktøy, og 4) Få tilgang på relevante eksperimentelle data. Statoil sin industrielle posisjon er viktig for punktene 1) og 4) og NTNU sin ekspertise er viktig for 2) og 3). Prosjektresultatene har flere potensielle anvendelser, hvorav de viktigste er 1) Analyseverktøy og metoder som kan brukes systematisk og av flere personer i forbindelse med teknologikvalifisering, prosjektutvikling og drift i Statoil, og 2) Bygge kunnskap og vedlikeholde sårbare miljøer både hos Statoil og NTNU gjennom ny og oppdatert forskning på et område i rask utvikling.