Минимальная воздушная зазор, или клиренс палубы, является важным параметром в проектировании морских структур, особенно для плавучих ветровых турбин. Этот параметр регулируется сочетанием двух факторов: увеличением уровня воды и уменьшением высоты палубы. Увеличение уровня воды возникает вследствие воздействия таких факторов, как повышение уровня волн, приливы, штормовые подъёмы воды и эффекты дифракции и радиации от корпуса. При сильных морских условиях дифракционные эффекты могут существенно увеличиваться, что оказывает влияние на поведение структуры. Снижение высоты палубы, в свою очередь, обусловлено посадкой корпуса, что также приводит к уменьшению клиренса.

В таких условиях влияние радиационных или дифракционных волн на палубу становится важным аспектом, который необходимо учитывать при проектировании. Эти волны могут вызывать локальные удары на палубе, что иногда требует усиления конструкции в этих местах, увеличивая вес палубы и вызывая дополнительные колебания натяжения тросов (тендонов). Такие колебания могут существенно повлиять на пиковые нагрузки в этих элементах и изменить расчёты натяжения, а также на проектируемое преднатяжение системы. Вдобавок, увеличение нагрузки на тросы может повлиять на минимальное натяжение, что также имеет значительное влияние на весь проект.

Высота палубы также сильно влияет на вертикальное расположение центра тяжести и, соответственно, на максимальные и минимальные нагрузки на тросы. Вдобавок, изменение клиренса может оказать влияние на ветровую нагрузку и моменты переворачивания от воздействия ветра. В целом, высокая палуба способствует увеличению напряжений в тросах, в то время как недостаточная воздушная зазорность может вызвать значительные колебания натяжения при ударе волн по палубе.

Важным аспектом проектирования также является анализ прочности системы якорей, который выполняется для прогнозирования крайних откликов, таких как натяжения тросов, нагрузки на якоря и смещения корпуса при проектных условиях и других внешних факторах. Эти отклики используются для проверки системы на перегрузку и предотвращения возможного вмешательства в другие конструкции.

Необходимо учитывать номинальный диаметр троса, включая запас на коррозию и износ, при расчёте гидродинамических нагрузок на систему якорей. Также следует учитывать погрешности установки якорей и длины тросов в проектировании системы. Динамические воздействия, исходящие от плавучей конструкции, могут вызывать отклики в системе якорей на различных частотах: от средних до высоких частот для тросов или натянутых линий.

При расчете системы якорей могут применяться различные методы анализа: в частотной области, в области времени и комбинированные методы. Каждый из этих методов имеет свои особенности, ограничения и не всегда даёт одинаковые результаты. Поэтому, если необходима проверка подхода, выбранного для проектирования, часто прибегают к моделированию и проведению испытаний. Особенно это важно в случае, если перемещения конструкции из-за взаимодействия с течением или переменных инерционных моментов оказываются значительными. В таких случаях рекомендуется проводить моделирование, чтобы определить амплитуды движения и коэффициенты сопротивления для использования в проектировании системы якорей.

В целом, для анализа прочности системы якорей рекомендуется использовать временные методы, так как они позволяют учитывать все динамические колебания и реальные воздействия. Для систем с небольшими колебаниями, где высокочастотные движения и вибрации оказываются несущественными, можно использовать методы в частотной области, аналогичные тем, которые описаны в API RP 2SK.

Важнейшие моменты при анализе и проектировании систем якорей для плавучих ветровых турбин заключаются в необходимости точного моделирования всех факторов, влияющих на поведение конструкции в различных условиях. Включение высокочастотных воздействий и учёт всех движений и нагрузок — ключ к обеспечению прочности и безопасности этих сооружений.

Jak se určují environmentální zatížení pro plovoucí větrné turbíny?

Při navrhování plovoucích větrných turbín je kladeno velké důraz na analýzu environmentálních zatížení, která mohou ovlivnit bezpečnost, stabilitu a životnost celé konstrukce. Tato zatížení jsou určována pomocí analytických metod, které se musí shodovat s podmínkami prostředí a modely stanovenými ve specifických normách. V následujícím textu se podíváme na to, jak se určují hlavní environmentální zatížení pro plovoucí větrné turbíny a jaké faktory je třeba zohlednit při jejich analýze.

Pro plovoucí větrné turbíny je nutné provádět zvláštní zátěžové testy, které odpovídají podmínkám přežití turbíny. Při analýze stabilizace plovoucí platformy (TLP - Tension Leg Platform) je nutné zkontrolovat robustnost systému udržování polohy. Součástí těchto testů je vyhodnocení minimálního napětí ve vlečných lanech při vystavení turbíny podmínkám přežití, které jsou definovány v příslušných normách. Mimo to je třeba také prověřit odolnost systému udržování polohy při simulaci situace, kdy by došlo k poškození jednoho z vlekacích lan turbíny. Tento scénář se testuje při velmi extrémních klimatických podmínkách, které odpovídají návrhovým podmínkám pro 50letou návratnost.

Pro správné posouzení zatížení je důležité nejen analyzovat vítr, ale také jeho vzorcování, což zahrnuje jak průměrnou rychlost větru, tak i její turbulence. Větrné zátěže se počítají buď pomocí analytických metod, nebo pomocí testů ve větrném tunelu s modelem plovoucí turbíny. Vlivy jako je změna rychlosti větru při změně nadmořské výšky nebo efekt „stínu“ mezi turbínami ve větrné farmě je nutné zohlednit pro výpočty zatížení jak pro posouzení pevnosti, tak pro posouzení únava materiálu. Tento efekt může mít značný vliv, zejména ve velkých větrných farmách, kde může turbulence větru vzrůst a ovlivnit ostatní turbíny v řadě.

Kromě samotných větrných zátěží je nutné se zaměřit také na efekt vln a mořských proudů, které mohou mít vliv na stabilitu a pohyb celé struktury turbíny. U plovoucí turbíny je třeba zahrnout vlnové efekty včetně jejich výšky, směr a sílu, stejně jako rychlost mořských proudů. Při analýze těchto sil je nutné použít vhodné modely pro stanovení mořských podmínek, které se vztahují k extrémním událostem s návratností až 50 let.

Při výpočtu zatížení generovaného větrem, například aerodynamických sil na rotoru turbíny, se používají standardizované metody, které zahrnují výpočet síly tahu podle rychlosti větru a dalších faktorů jako je hustota vzduchu, geometrie rotoru a aerodynamické vlastnosti komponent turbíny. Pro určení těchto sil se používá vztah, který zahrnuje koeficient tahu, který závisí na specifických vlastnostech rotoru a podmínkách řízení turbíny. Tento výpočet se provádí pro 10minutový průměr rychlosti větru ve výšce náboje.

Důležitou součástí posouzení zatížení je také zohlednění síly větru na vystavené struktury, jako jsou komponenty větrné turbíny nad hladinou moře. U těchto struktur se počítají jak stabilní, tak i dynamické složky větrného zatížení, které vycházejí z vhodně zvoleného spektra větru. Pro výpočet stabilního větrného zatížení je obvykle používána průměrná rychlost větru za 1 minutu, zatímco dynamická složka zatížení se počítá podle vhodného větrného spektra. V některých případech, kdy nejsou dostupná spolehlivá experimentální data, se používají standardizované hodnoty pro koeficienty tvaru, které jsou uvedeny v příslušných normách.

Pro konstrukce s plovoucími větrnými turbínami je také nezbytné vyhodnotit vliv mořské hladiny a přílivu, které mohou ovlivnit výšku vlny a stabilitu celé struktury. Tento aspekt je velmi důležitý, protože vyšší hladiny vody mohou mít vliv na stabilitu platformy a tudíž na bezpečnost celé turbíny. Zohlednění těchto faktorů ve výpočtech zatížení je nezbytné pro návrh spolehlivého systému kotvení a zajištění dlouhodobé životnosti konstrukce.

Kromě výše uvedených faktorů je nutné při návrhu plovoucí větrné turbíny věnovat pozornost i dalším environmentálním vlivům, jako jsou například sezónní změny podmínek, změny v rychlosti větru a intenzity vln během dlouhých časových období. Tyto proměnné mohou mít významný vliv na opotřebení jednotlivých komponent turbíny a její celkovou výkonnost, zejména pokud jde o odolnost vůči únavovým zátěžím. Je důležité, aby inženýři při návrhu a analýzách vždy zohlednili možné variace v těchto podmínkách a přijali opatření na zajištění dlouhodobé spolehlivosti konstrukce.

Jak zajistit stabilitu a vodotěsnost v provozu plovoucích větrných turbín?

Stabilita a integrity vodotěsnosti plovoucích větrných turbín jsou klíčovými faktory pro jejich bezpečný a efektivní provoz na moři. Při navrhování těchto zařízení je nutné detailně analyzovat různé fáze jejich životního cyklu – od přepravy až po samotný provoz. V této souvislosti se rozlišují dvě hlavní fáze, které jsou zásadní pro zajištění stabilního a bezpečného chování turbín: fáze před uvedením do provozu (pre-service) a fáze samotného provozu (in-service).

V předprovozních fázích je nezbytné provést analýzu stability, která zahrnuje různé podmínky, jako jsou přítomnost vody (wet tow), instalace a uvedení do provozu. Pro každou z těchto fází musí být definovány specifické podmínky stability, které jsou ovlivněny nejenom prostředím, ale i požadavky na stabilitu poškozených a nepoškozených konstrukcí.

Stabilita v předprovozních fázích

Během mokré přepravy ("wet tow") do lokalit je nutné provést analýzu stability jak pro nepoškozený, tak pro poškozený stav konstrukce. Stabilita musí být schválena příslušnou lodní třídou a musí zohledňovat specifické aspekty provozu, včetně environmentálních podmínek a požadavků pobřežního státu. V některých případech může být zvažováno zrušení některých kritérií poškozené stability, pokud provoz neohrožuje životy, životní prostředí nebo provoz jiných plavidel.

Při instalaci a uvedení do provozu musí být plovoucí větrná turbína stabilní, s pozitivní metacentrickou výškou. V případě, že je v těchto fázích přítomen personál, musí být zajištěna stabilita odpovídající stabilitě v provozní fázi, kdy je RNA (rotorová nábojová jednotka) v parkovaném stavu a zařízení čelí extrémnímu bouřkovému stavu s návratovou periodou 50 let.

Stabilita v provozních fázích

Pro analýzu stability v provozu je nutné zohlednit různé nepříznivé efekty, které mohou ovlivnit chování turbíny. Patří sem environmentální podmínky (vítr, vlny, proudy, sníh a led), scénáře poškození (včetně požadavků vlastníka), pohyby plovoucí podstavy ve všech šesti stupních volnosti, vliv operací RNA, řízení turbíny, systémy pro udržení polohy a účinky volné hladiny v balastních nádržích. Tyto faktory jsou nezbytné pro určení skutečné konfigurace turbíny na vodě, přičemž není nutné zahrnovat volně zaplavené prostory do výpočtu stability. Pokud je však v těchto prostorech nainstalován trvalý balast, musí být jeho hmotnost zohledněna ve výpočtech.

Intaktní stabilita

Pro plovoucí podstavu, která nese RNA a věž, musí být stabilita dostatečná k tomu, aby odolala momentu převrácení, který je ekvivalentní těm, které vznikají při provozních a extrémních podmínkách, jak jsou uvedeny v příslušných Design Load Cases (DLCs). Mezi hlavní podmínky, které je třeba zvážit při výpočtu momentu převrácení, patří:

  1. RNA v režimu výroby energie, vystavená specifickým podmínkám větru a turbulentního modelu.

  2. RNA v parkovaném stavu vystavená extrémním bouřkovým podmínkám s návratovou periodou 50 let.

  3. RNA v parkovaném stavu s poruchou, kdy je zařízení vystaveno bouřkovým podmínkám s návratovou periodou 1 rok.

Pro různé typy plovoucích podstav, například pro typ Spar, musí být energie vyrovnání (oblast pod křivkou vyrovnávacího momentu) při úhlu náklonu 30° alespoň o 30 % větší než oblast pod křivkou momentu převrácení při stejném limitním úhlu. U jiných typů plovoucí podstavy pod volnými podmínkami musí být energie vyrovnání na nebo před úhlem druhého průsečíku křivky vyrovnávacího a převráceného momentu o 30 % větší než tato oblast.

Dynamické kritéria pro intaktní stabilitu

Alternativou k výše uvedeným kritériím pro intaktní stabilitu jsou dynamická kritéria pro intaktní stabilitu. Tato kritéria poskytují rozumnou bezpečnostní rezervu proti převrácení a zaplavení tím, že zohledňují dynamické pohyby zařízení. Dynamické analýzy pohybů musí být provedeny pro provozní a extrémní podmínky zatížení, jak jsou specifikovány v Design Load Cases (DLCs).

Je důležité mít na paměti, že pro některé typy plovoucí podstavy, jako je TLP (Tension Leg Platform), stabilita není zajišťována pouze vyrovnávacími momenty, ale spíše předpětím a tuhostí tendónů. V těchto případech je nezbytné zajistit, aby byla zachována pozitivní napětí tendónů a zohlednit efekty jejich povolení, pokud je to relevantní.

V každém případě je nutné zajistit stabilitu plovoucí větrné turbíny po celou dobu jejího životního cyklu, což zahrnuje jak návrh, tak i provozní fáze. Analýzy stability musí být důkladně přezkoumány a schváleny příslušnými autoritami, aby se zajistilo, že konstrukce nebude představovat nebezpečí pro životní prostředí, bezpečnost osob a plynulost dalších operací na moři.

Jak správně modelovat spodní конструкции offshore větrných turbín

Při modelování podstruktur pro spodní zakládání offshore větrných turbín je nutné vzít v úvahu širokou škálu sil a účinků zatížení, které mají vliv na stabilitu a dynamiku celé struktury. Mezi klíčové faktory, které by měly být zohledněny při modelování podstruktur, patří hydrostatické zatížení, gravitační a inercální síly, zatížení větrem, vlnami a proudem, vortex-induced vibration (VIV), stejně jako další specifické zatížení jako například ledové zatížení, akumulace sněhu nebo zemětřesení. Modely struktur mohou zahrnovat ekvivalentní nosníky, prostorové rámy nebo kombinované modely s prvky plášťů a nosníků, v závislosti na konkrétní aplikaci.

Při vytváření globálních strukturálních modelů je důležité správně reprezentovat globální tuhost podstruktury a relativní tuhost jednotlivých hlavních konstrukčních komponent. Pokud místní struktury významně ovlivňují globální tuhost a/nebo odpověď, měly by být tyto efekty adekvátně zohledněny při vývoji globálního modelu struktury. V některých případech může být vhodné vytvořit kombinovaný globální nebo lokální model.

Modelování podstruktury typu Gravity-Based
Podstruktury typu gravity-based jsou často modelovány jako tuhý objekt se šesti stupni volnosti (DOF). Při modelování přírodních frekvencí věže je třeba zahrnout i strukturální flexibilitu spojení mezi podstrukturou a věží, aby bylo možné správně odhadnout dynamickou odpověď systému. Takové modelování umožňuje vzít v úvahu všechny podmínky, které by mohly ovlivnit chování celé struktury při různých typech zatížení.

Modelování monopilových podstruktur
Monopilová podstruktura je typicky modelována pomocí metody konečných prvků (FEM) s nosníkovými prvky. Tento model by měl zohlednit distribuovanou tuhost a hmotnost podél osy monopilu, včetně momentu setrvačnosti kolem osy. Pro grouted piles je nutné zvážit tuhost a hmotnost vyplňujícího materiálu v celkovém modelu, kde je to relevantní. Dále je možné provést podrobnou lokální analýzu s použitím vylepšeného modelu konečných prvků, který kombinuje nosníky, pláště a pevné prvky. Tento model pak slouží pro analýzu únosnosti i únavy monopilového základu.

Tripodové podstruktury

Podstruktury typu tripod jsou často modelovány zjednodušeným modelem nosníků, který zohledňuje geometrii, tuhost a rozložení hmotnosti jednotlivých členů. Pokud je to potřeba, může být do modelu zahrnuta flexibilita kloubů. Pro podrobnější dynamickou analýzu je pak nutné vytvořit detailní model s využitím konečných prvků, který se používá pro následnou časovou analýzu dynamického chování podstruktury.

Jacket podstruktury
Jacket podstruktury mohou být modelovány jako prostorové rámy, opět za použití zjednodušeného modelu nosníků. Tento model by měl reflektovat geometrii, tuhost a rozložení hmotnosti jednotlivých členů, přičemž flexibilita kloubů může být zohledněna tam, kde to má význam. Pro dynamickou analýzu v časovém doménovém rámci je nutné vytvořit detailní model konečných prvků, který následně používá globální zatížení získané globální analýzou.

Modelování flexibilit věže
Při modelování věže by měl být zohledněn její lineárně elastický charakter. Nepružné vztahy mezi zatížením a účinky zatížení je třeba zohlednit tam, kde jsou pro danou situaci důležité. To zahrnuje i správné stanovení strukturálního tlumení věže a modelování vlivu větrného zatížení na věž. Dynamické chování věže lze určit metodou modalní superpozice, která zahrnuje i vliv podstruktury a základu. Modalní analýza by měla zahrnovat dostatečný počet režimů, přičemž minimálně by měly být zohledněny první režimy ohybu.

Modelování dynamiky hnacích systémů
Dynamika hnacích systémů (drive train) by měla být pečlivě zahrnuta v rámci analýzy integrovaného zatížení. Minimálně je nutné zvážit torzní mód hnacího systému, který zahrnuje všechny komponenty přenášející moment od rotoru k generátoru. Parametrizace modelu hnacího systému by měla být ověřena pomocí podrobnějších modelů tohoto systému. Ověření může zahrnovat porovnání prvních vlastních frekvencí získaných z podrobného modelu s těmi, které byly získány globální simulací.

Modelování rotorových listů a bezpečnostních systémů
Rotorové listy jsou obvykle modelovány na základě lineární elastické teorie, přičemž je nutné správně zohlednit nelineární vztahy mezi zatížením a účinky zatížení tam, kde to má význam. Strukturní tlumení rotorových listů by mělo být pečlivě vybráno a zohledněno. Modelování listů by mělo zahrnovat jak ohybové, tak i klapkové stupně volnosti. V případě potřeby mohou být použity sofistikované metody analýzy, které přesněji zohlední aeroelastické reakce.

Důležité je, že při každém modelování podstruktury by mělo být zohledněno, že každá větrná turbína má své specifické požadavky na stabilitu a bezpečnost. Je proto nezbytné nejen modelovat jednotlivé části systému s vysokou přesností, ale také správně integrovat jednotlivé modely do globální analýzy, která bere v úvahu všechny faktory, jež mohou ovlivnit chování turbíny při skutečném provozu. Modelování by mělo zahrnovat detailní analýzu reakcí na různé zatížení, aby byla zajištěna maximální životnost a spolehlivost celé větrné elektrárny.

Jak pracovat s notacemi a taktikami NEAR v matematické analýze
Jaké tajemství skrývají staré příběhy a magické bytosti?
Jak neuromorfní výpočetní systémy a 2D ferroelectrické materiály mohou transformovat budoucnost výpočetní techniky?
Jaké jsou základní fráze a kulturní zvyklosti při nákupu v arabských bazarech a supermarketech?
Jak využít technologii a kreativitu для создания уникальных фотографий: Советы и перспективы