臺灣博碩士論文加值系統

風力發電機葉片隨著輸出的功率變大，葉片尺寸也勢必跟著放大，重量也隨之上升。葉片質量上升也代表著葉片慣性增加，使得風力機起動風速升高，能源使用效率下降。為了減少葉片重量，可以複合材料製作中空葉片，但耗費許多人力與時間成本。本研究針對10kW之水平軸風力機提出以含玻纖的尼龍射出成形的零件組合而成中空葉片的構想，並將材料力學以及空氣動力學結合，以田口法進行葉片力學分析與最佳化設計。葉片分成七片零件，迎風面三片，背風面四片。因為葉片設計為內部中空故迎風面零件外殼須具有加強肋，其上有凸塊與背風面零件外殼的開孔嵌合以及零件間有拼接扣件互相結合。其次，為了確保能夠設計出可以承受正常運作下的應變與應力，肋條與嵌合扣件的幾何參數以田口法作最佳化設計。葉片正常運作下所個截面受到的作用力為軸向推力與切線推力，是以葉片元素動量理論進行預測。葉片應力與應變是以ANSYS®軟體配合前述的作用力模擬所得。研究結果顯示，添加50% 玻纖實心葉片的質量為36.3 kg，最大應力為28.3 MPa，葉片尖端位移量為67 mm；而最佳化葉片的質量為14.7 kg少了59 %；最大應力為80.4 MPa，雖然為實心葉片的兩倍多但仍小於122 MPa的抗拉強度；葉片尖端位移量為98 mm雖比實心葉片大29%，也還在容許範圍內(100 mm)。降低玻纖含量雖可進一步減輕葉片質量與應力值卻使尖端位移過大，會有敲擊到塔架的危險，故建議還是以50%玻纖含量為宜。

The size and weight of a wind turbine blade increase with the output power of the wind turbine. The increase of blade mass represents the increase of rotor inertia that increases the cut-in wind speed and reduces the energy efficiency of the wind turbine. To reduce the mass of the blades, composit materials are often used to build hollow blades but the manpower and time are costly. In this study, the blades of a 10 kW horizontal axis wind turbine are analized and optimally designed with material mechanics, aerodynamics, and Taguchi method in order to produce hollow blades assembled by injection molding parts using fiberglass reinforced Nylon, which is suitable for mass production and effectively reduces the weight and cost. The blade has seven parts, three parts and four parts on the windward side and leeward side, respectively. To strengthen the assembly, each part on the windward side has ribs and bumps on the ribs, which are fit to the notches on the leeward side. The geometric parameters of the ribs and the bumps are optimized with Taguchi method for minimizing stress and blade tip displacement under normal operation. To evaluate the stress and blade tip displacement, ANSYS® is used with the boundary conditions of the axial and tangential forces predicted by the blade element momentum theory. The results show that the solid blade weights 36.3 kg and has a maximum stress of 28.3 MPa and a blade tip displacement of 67 mm. The opimized blade assembly weights only 14.7 kg and has a maximum stress of 80.4 MPa and a blade tip displacement of 98 mm. Even though the maximum stress of the later is more than twice that of the former, it is still less than the 122 MPa yielding strength of the material. The blade tip displacement of the optimized blade is acceptable (< 100 mm). Most important of all, the mass of the optimized blade is 60% less than that of the solid blade. If the content of the fiberglass to Nylon is reduced, the mass and the maximum stress of the blade will reduce. However, the blade tip displacement increases greatly that the blade tip may hit the mast and cause damage to the blade and mast. Therefore, the 50% content of fiberglass is recomanded.

指導教授推薦書
口試委員會審定書
誌謝 iii
中文摘要 iv
Abstract v
目錄 vii
圖目錄 ix
表目錄 xiii
第一章 緒論 1
1.1研究背景 1
1.2文獻回顧 6
1.3研究動機 12
1.4研究目的 13
第二章 研究方法 14
2.1葉片外形之設計 16
2.1.1葉片長度設計 16
2.1.2翼形截面 17
2.1.3翼弦長(C) 18
2.2葉片元素動量理論(Blade Element Momentum Theory, BEM) 20
2.2.1公式推導 20
2.2.2預測葉片受力 26
2.3 建構預測升力與阻力係數之類神經網路 27
2.5田口法簡介 30
2.6葉片材料(RX06422) 31
2.7葉片之模擬分析 34
第三章 結果與討論 36
3.1類神經網路訓練結果 36
3.2 預測葉片軸向推力與切線推力 37
3.3 收斂性測試 38
3.4葉片之應力與位移分析 40
3.5數值模型 47
3.6葉片輕量化 50
第四章 結論 53
參考文獻 55
附錄A SolidWorks®繪圖步驟 57
附錄B 中文期刊 69

圖目錄
圖1-1 全球風力發電逐年安裝容量[2] 2
圖1-2 全球離岸風力發電逐年安裝容量[2] 2
圖1-3水平軸風力機示意圖[3] 3
圖1-4垂直軸風力機示意圖[3] 4
圖1-5高度與風速關係[4] 4
圖1-6 葉片數目對功率係數之影響[5] 5
圖1-7葉片側視圖 [6] 6
圖1-8 組裝式葉片示意圖[7] 7
圖1-9 簡易式結構特徵圖[7] 7
圖1-10 改變肋條間距所造成應力圖[7] 8
圖1-11 改變肋條長度所造成所應力圖[7] 8
圖1-12 改變覆蓋面積位置所造成應力圖[7] 9
圖1-13 改變覆蓋面積程度造成應力圖[7] 9
圖1-14 以最佳參數葉片之模擬結果圖[7] 10
圖1-15 葉片之組合結構示意圖[8] 10
圖1-16 葉片之最佳參數組合示意圖[8] 11
圖1-17位移量示意圖[8] 11
圖1-18實體葉片實驗結果圖[8] 12
圖1-19壁厚與肋寬示意圖 12
圖2-1研究流程圖 15
圖2-2葉片示意圖[9] 16
圖2-3 SG翼型最大升阻比相對應於其它翼型最大升力係數[9] 17
圖2-5 SG6041 翼型截面 19
圖2-4 SG6040 翼型截面 19
圖2-7 SG6043 翼型截面 19
圖2-6 SG6042 翼型截面 19
圖2-8 環繞風力機的軸向空氣流管[11] 20
圖2-9 位於旋轉圓環流管空氣之示意圖[13] 22
圖2-10 相對於葉片的氣流與造成的受力示意圖 23
圖2-11 以翼形截面編號、雷諾數與攻角預測升力係數或阻力係數之類神經網路架構 27
圖2-13 SG6040之阻力係數 27
圖2-12 SG6040之升力係數 27
圖2-14 SG6040第一截面處往內移6 mm 28
圖2-15 SG6041第二截面處往內移5 mm 28
圖2-16 SG6042第三截面處往內移4 mm 29
圖2-17 SG6043第四截面處往內移4 mm 29
圖2-18拼接扣件示意圖 29
圖2-19葉片各零件示意圖 30
圖2-20各因子位置示意圖 31
圖2-21各截面受力示意圖 35
圖3-1升力係數預測之訓練結果 36
圖3-2阻力係數預測之訓練結果 36
圖3-3 零節距角及定風速(V = 10 m/s)下之軸向推力 37
圖3-4 零節距角及定風速(V = 10 m/s)下之切線推力 37
圖3-5網格大小與位移量關係圖 39
圖3-5網格分割後葉片 39
圖3-6網格分割後葉片 39
圖3-7葉片尖端位移量與各因子水準反映圖 41
圖3-8葉片最大應力與各因子水準反映圖 41
圖3-9 背風面葉片中尖部(LMT)之應力圖 43
圖3-11 迎風面葉片中間部(WM)之應力圖 44
圖3-12 迎風面葉片頂部(WT)之應力圖 44
圖3-13 背風面葉片根部(LR)之應力圖 44
圖3-14 背風面葉片中根部(LMR)之應力圖 45
圖3-15背風面葉片中尖部(LMT)之應力圖 45
圖3-16 背風面葉片頂部(LT)之應力圖 45
圖3-18 葉片尖端位移量 46
圖3-19 迎風面根部(WR) 47
圖3-20 迎風面中間部(WM) 47
圖3-21 迎風面頂部(WT) 48
圖3-22 背風面根部(LR) 48
圖3-23 背風面中根部(LMR) 49
圖3-24 背風面中尖部(LMT) 49
圖3-25 背風面頂部(LT) 50
圖3-26 實心葉片數值模型 50
圖3-27 實心葉片所受之應力 51
圖3-28 實心葉片尖端位移量 51


表目錄
表2-1、葉片個數與尖端風速比關係表[7] 18
表2-2、λ10之葉片受力 26
表2-3葉片之各結構因子表 32
表2-4 RX06422加入50%長玻璃纖維之機械性質 32
表2-5 PA66添加15％長玻璃纖維之機械性質 33
表2-6 PA66添加30％長玻璃纖維之機械性質 34
表2-7 PA66添加各玻璃纖維比例之基本性質 34
表3-1 網格、元素總數、位移量之關係表 38
表3-2葉片肋條支應力與位移模擬結果 40
表3-3肋條結構田口法回應表 42
表3-4 第10組因子模擬之應力及位移結果 42
表3-5 第10組因子改良後模擬之應力及位移結果 43
表3-6實心葉片所受之應力及位移 51
表3-7加入不同玻璃纖維結果之比較 52

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