تحليل ارتعاشات ناشي از نيروي تراست برج توربين بادي فراساحلي با سكوي ثابت تك شمع

Trust force induced vibration analysis of offshore wind turbine tower with fixed monopile platform

نيروي تراست، يكي از مهمترين نيروهاي ديناميكي است كه در تمام دوره‌ي كاركرد توربين بادي بر آن وارد مي‌شود. روش معمول جهت تعيين پاسخ نيروي تراست، استفاده از روش اجزاء محدود است. روش اجزاء محدود اگرچه از دقت بالايي برخوردار است اما بسته به مدل‌سازي فونداسيون و مدل‌سازي تغييرات نيروي محوري در برج توربين باد، مي‌تواند حجم محاسبات را به شكل قابل توجهي افزايش دهد. در اين مقاله براي كاهش حجم محاسبات و افزايش سرعت تحليل، بجاي استفاده از روش اجزاء محدود، از روش ماتريس انتقال استفاده شده است. براي اين منظور، فونداسيون توربين باد با استفاده از مدل‌ DS، مدل‌سازي شده و روابط مورد نياز جهت تعيين پاسخ نيروي تراست استخراج گرديد. سپس در چندين مطالعه موردي به بررسي موارد موثر در نيروي تراست از جمله تغييرات ضريب مكش، تغييرات سرعت باد و تغييرات جرم ناسل پرداخته شده و نتايج حاصل از روش ماتريس انتقال با نتايج حاصل از روش اجزاء محدود، روش ديناميك سيستم‌هاي چند عضوي (MBD‌)، روش تحليلي و داده‌هاي تجربي مورد مقايسه قرا گرفته است كه عليرغم هزينه محاسباتي اندك، توافق خوبي را با نتايج فوق نشان مي‌دهد. مطالعه انجام شده نشان مي‌دهد كه در ارتعاشات ناشي از نيروي تراست، برج توربين باد در فركانس‌هايي برابر با نصف فركانس طبيعي به تشديد مي‌رسد. بنابراين در طراحي برج توربين باد، علاوه بر فركانس‌هاي طبيعي، بايد پاسخ برج توربين باد در فركانس‌هاي 0.5×ωn نيز مورد مطالعه قرار گيرد.

Trust force is one of the most dynamic forces that in all periods of wind turbine operation is to be expected. Usually, dynamic response of the wind turbine tower under trust forces is calculated using the finite element method. Finite element method has high accuracy but it can considerably increases the computational works depending on the modeling type of foundation and modeling axial force variations. In this paper, transfer matrix method is used to reduce computational works and increase the speed of analysis instead of the finite elements method. For this purpose, the wind turbine foundation is modeled using DS model and required relations are extracted to determine of wind turbine response.Then, factors affecting the dynamic response such as induction factor, wind speed variations and nacelle mass variations 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, analytical method and experimental data which show good agreement in spite of low computational cost. The study shows that the vibrations from thrust force, wind turbine towers is resonance at frequencies equal to twice the natural frequency. Therefore, in the design of wind turbine towers, tower response at 0.5×ωn also be studied.