التأثير الديناميكي المشترك للرياح والأمواج على هيكل توربينات الرياح البحرية

الباحث

حيدر محمد علي

المشرف

حسن محمد علوان - اسراء يحيى العبسي

الجامعة

الجامعة التكنولوجية

الكلية / القسم

قسم الهندسة الميكانيكية / الهندسة الميكانيكية

الشهادة

ماجستير

السنة

2022

لغة الرسالة

انكليزي

الكلمات المفتاحية

Offshore wind turbine;Wind and wave loads;Dynamic response;Structural analysis

أصبح مفهوم الطاقة النظيفة المستدامة في عصرنا حقيقة واقعة وليس مجرد حلم يمكن تحقيقه في المستقبل. لذلك ¢ ely على مسؤولياتنا العلمية كمتخصصين في المجال الهندسي ، جاءت فكرة إيجاد حلول للمشاكل التي قد تعيق عمل توربينات الرياح البحرية كواحد من أهم روافد الإمداد بالطاقة النظيفة والمستدامة. ومن بين تلك المشاكل انخفاض كفاءة توليد الكهرباء من التوربينات لأسباب عديدة مختلفة ، بما في ذلك حدوث Cal ail وميل للهيكل الداعم أكبر من الانحراف المسموح به نتيجة تعرضه لأحمال الرياح الديناميكية وأحمال أمواج البحر الديناميكية . سبب آخر هو فشل الهيكل في تحمل الأحمال المحورية الرأسية نتيجة الأوزان العالية للتوربين ، لذلك يحدث ما يسمى بالانحناء في الهيكل الداعم. من أجل تحديد نجاح أو فشل الهيكل ، تم اختيار توربينات الرياح بطاقة توليد (1.5 ميجاوات) ضمن تصنيفات التوربينات (NREL) ، مدعومة بهيكل دعم فولاذي يحتوي على برج بقطر )4 م) وسمك ( 0.05 م) ، وأساس من النوع sala! قطره )3.5 م) ، وسمكه )0.085 م). البرج والأساس عبارة عن أسطوانات دائرية مجوفة ، اتصالها مباشر باللحام ، يتم إدخال جزء كبير من الأساس في قاع البحر. تم اختيار التوربين بهذه القوة لسببين رئيسيين ، الأول هو توفر مواصفاته للجمهور ، والسبب الثاني هو توفر أبعاد شكل ريشة التوربين مما سهل عملية تصميم الريشة و ثم تصنيعها ب (طابعة ثلاثية الأبعاد) للاستفادة منها ببناء الهيكل ضمن مجال العمل التجريبي أثناء تجربة الحوض المائي بعد ضرب طوله الحقيقي بمعامل التحجيم (1: 59.65( ووفقًا لقوانين فرودي في هذا المجال. كان طول كل نصل من النصل الثلاث لتوربين الرياح (34 م) وقطر الدوران (70 م). أما الهيكل الداعم فقد تم اختياره بعد مراجعة عدد من المصادر والدراسات. تم اختيار هيكل داعم على أساس نوع أحادي القطب ، من ani المصادر الهندية ، بطول برج )80 م) وطول أساسات (45 م) ، منها )15( فوق قاع البحر. A ركزت الدراسة على معرفة قيم القوى المطبقة على الهيكل الداعم نتيجة تعرضه cl yl Lea مصحوبة بأحمال أمواج البحر في منطقة مياه الخليج العربي ، من خلال محاكاة حسابات ديناميكا الموائع بواسطة برنامج الانسيس-فلوينت. وبالتالي معرفة قيم أقصى انحراف وأكبر ميل يحدث للهيكل نتيجة هذه الأحمال من خلال ثلاث طرق منهجية (محاكاة الجانب العملي ٠ والمحاكاة مرتين في برنامج الانسيس-فلوينت ، والجانب النظري) . كما عملت الدراسة على حساب قيم الأحمال المحورية المتعامدة على الهيكل وكذلك أحمال الوزن الذاتي لمعرفة ما إذا كان الهيكل يمكن أن ينحني أم لا من خلال نهج المحاكاة في برنامج الانسيس-فلوينت وكذلك من خلال الجانب النظري. جاءت نتائج الطرق المنهجية الثلاث بنسب خطأ مقبولة وجيدة إلى حد ما ¢ إذا ما عرفنا مُبررات هذا التناقض من حيث القدرات المختلفة لكل طريقة في إبراز النتائج بدقة. كما أظهرت النتائج نجاح النموذج قيد الدراسة ، وذلك لعدم وجود انحراف كبير وميل له مقارنة بأعلى انحراف يمكن أن يصل إليه النموذج وهو (0.338 م). حيث كانت أعلى dag للانحراف )0.201 م) عن طريق المحاكاة الثانية للحالة الخامسة من حالات خصائص امواج البحر المقترحة في دراستناء بينما كانت قيمتها (0.178 م) في الجانب التجريبي. وخلصت الدراسة من خلال الجانب النظري وكذلك طريقة المحاكاة في برنامج ANSYS-Fluent إلى عدم وجود أي انحناء في الهيكل.

One of the problems that occur with offshore wind turbines is the low efficiency of electricity generation for many different reasons, and one of these reasons is the occurrence of deflection and inclination of the supporting structure greater than the permissible deflection as a result of its exposure to dynamic wind loads and dynamic sea wave loads. Another reason is the failure of the structure to bear the vertical axial loads as a result of the high weights of the turbine, so the so-called buckling occurs in the supporting structure. In order to determine the success or failure of the structure, a wind turbine with generating power (1.5 MW) was selected within the turbian specifications (NREL), supported by a steel support structure containing a tower of diameter (4 m) and thickness (0.05 m), and a monopile type foundation of diameter (3.5 m), and thickness (0.085 m). The tower and the foundation are hollow circular cylinders, their connection is direct by welding, and a large part of the foundation is inserted into the seabed. The turbine was chosen for two main reasons, the first is the availability of its specifications to the public, while the second reason is the availability of the dimensions of the turbine blade shape, which facilitated the process of designing the blade in the SOLIDWORKS program, and then manufacturing it with a 3D printer, to take advantage of it in building the structure as a whole within the field of the experimental side through the experiment of the water basin after multiplying its real length by the scale factor of 1:59.65, and according to Froude's laws in this field. The length of each of the three blades was (34 m) and the diameter of rotation (70 m). As for the support structure, it was chosen after reviewing a number of sources and studies. A support structure of a monopile type was chosen, from one of the Indian sources, with a tower length (80 m) and a foundation length (45 m), of which (15 m) above the seabed. [II] The study focused on knowing the values of the forces applied to the supporting structure as a result of its exposure to wind loads combined with sea wave loads in the Arabian Gulf water area, through a simulation (CFD) in ANSYS-Fluent R21 and ANSYS-Fluent R19. Thus knowing the values of the maximum deflection and the largest slope that occurs to the structure as a result of these loads through three systematic methods (experimental side, the simulation twice in the ANSYS-Fluent program, and the theoretical side). In addition, the values of the axial loads orthogonal to the structure as well as the self-weight loads were calculated to find out whether the structure can have buckling or not through the simulation approach in the ANSYS-Fluent program, and we also calculated it through the theoretical side. The results of the three methods came with acceptable and somewhat good error rates, if we know the justifications for this discrepancy in terms of the different capabilities of each method in accurately highlighting the results. The results also showed the success of the model under study, due to the absence of a large deflection and tendency for it compared to the highest permissible deflection that the model can reach, which is (0.338 m). Where the highest value of deflection was (0.201 m) by means of the second simulation of the fifth case of the proposed cases of sea waves characteristics in our study, while its value (0.178 m) was on the experimental side. The study concluded, through the theoretical side, as well as the simulation method in the ANSYS-Fluent program, that there was no buckling of the structure.

طلب نسخة من الملف

الملفات غير منشورة على الموقع. اترك بياناتك وسيتواصل معك موظفو قسم الشؤون الثقافية والفنون لإرسال النسخة مجاناً.

الاسم

رقم الهاتف

البريد الإلكتروني

الغرض من الطلب (اختياري)

إرسال الطلب