Onshore vindmølle: VIV under installation
Udfordringen
Herunder beskriver vi en typisk udfordring for høje onshore vindmøller i installationsfasen. Et vindmølletårn er et cylindrisk stålrør, som står frit i vinden fra det tårnet rejses, og indtil nacelle og blade kan monteres.
Tårnet er reelt en lang stålfjeder, og når det først kommer i gang, vil det fortsætte med at vibrere et godt stykke tid (dvs. at dæmpningen er lav).
Det giver perfekte forhold for Rytmisk Hvirvelafløsning, på engelsk Vortex Induced Vibrations (VIV).
Tårnet
Tårnet er $150\mathrm{m}$ højt med en diameter i toppen på $5\mathrm{m}$. Tårnets vejer $420\mathrm{tons}$. Vi bekymrer os her for mode 1 vibrationer (se figuren).
Vibrationerne sker ved frekvensen $f=0.5\mathrm{Hz}$. Tårnets strukturelle dæmpning er lav med $\delta=2\%$.
Vurderet effekt af VIV
Nedenstående beregning benytter metoderne beskrevet i vores artikel on VIV, baseret på normen Eurocode EN1991-1-4:2007 (beregningsmetode 2).
Den kritiske vindhastighed bestemmes til
$U=14 \mathrm{\frac{m}{s}}$
Det er en temmelig almindelig vindhastighed 150 m over jorden.
Så det er ikke sikkert at antage at vindhastighederne nær den kritiske ikke vil forekomme under installationen.
Vi ser nu på, hvad der sker, hvis vindhastigheder nær den kritiske vindhastighed faktisk forekommer. Husk på, at dette kan ske pludseligt og uden varsel.
Vibrationernes størrelse og effekt
Ud fra tårnets parametre bestemmes Scruton-tallet (som karakteriserer tårnets effektive dæmpning, se vores artikel) til $\mathrm{Sc}=2.6$. Det er en lav værdi, så tårnet kan forventes at vibrere kontinuert med betydelige amplituder i længere perioder.
Baseret på Eurocoden, bestemmes den maksimale amplitude til $2.5\mathrm{m}$. Det svarer til en følt vandret acceleration i tårnet på $2.5g$ (dvs. 2.5 gange kraftigere end tyngdeaccelerationen)!
En medarbejder i tårnet ville være i akut fare, uden mulihged for evakuering eller andre handlinger, indtil vibrationer aftager af sig selv. Sådanne begivenheder er observeret med varighed op til ca. 1 time.
Desuden, hvis man er så heldig at tårnet er ubemandet, er der en betydelig risiko for skader på udstyr og udmattelsesskader på tårn og fundament. Dette vil nedsætte tårnets levetid.
Sammanfatning: Risikoen for mandskab og udstyr er høj og bør nedbringes.
Den røde prik viser tårnet uden tilført dæmpning, med peak-amplituder op til 2.5m. Den grønne prik viser tårnet med den foreslåede dæmper (TMD), med en reduceret peak-amplitude på 0.14m.
Anbefalinger
Som nævnt i vores artikel om VIV er den mest pålidelige og billigste tiltag ofte en Tunet Massedæmper (TMD).
For tårnet i eksemplet foreslås en dæmper med 1 tons masse, for eksempel udført som et pendul forbundet med olie-støddæmpere (dashpots).
Den foreslåede dæmper (TMD) vil øge Scruton-tallet og reducere vibrationsamplituden drastisk.
Ud fra vores erfaring med TMD design sammen med Eurocodens VIV model, kan tårnets peak-amplitude reduceres til $0.14\mathrm{m}$, svarende til en vandret acceleration med en styrke 14% på af $g$.
Disse mindre vibrationer udgør i de fleste tilfælde ikke en sikkerhedsrisiko for mandskab og udstyr. Vær opmærksom på, at det kan være nødvendigt at indstille arbejde på tårnet i en kortere periode, og at det kan opleves ubehageligt at være i tårnet.
Konklusion: Den foreslåede løsning (en TMD på 1 ton) vil nedbringe vibrationerne til et acceptabelt niveau, selv om mindre forstyrrelser stadig må forventes, hvis den kritiske vindhastighed forekommer.
Del
