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研究生:陳冠呈
研究生(外文):CHEN,GUAN-CHENG
論文名稱:複合材料風力提水系統之設計與開發
論文名稱(外文):Design and Development of Composite Wind Pumping System
指導教授:張瑞榮張瑞榮引用關係
口試委員:吳家宏吳正鵬張瑞榮
口試日期:2017-07-05
學位類別:碩士
校院名稱:中華科技大學
系所名稱:機電光工程研究所碩士班
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2017
畢業學年度:105
語文別:中文
論文頁數:170
中文關鍵詞:複合材料風力機風力提水系統時規皮帶非破壞性能檢測最佳化常數鑑定葉片元素動量法
外文關鍵詞:Composite wind turbine bladeWind pumping systemTiming pulleyNon-destructive inspectionIdentification of optimum elastic constantsBlade element momentum method (BEM)
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本論文主要為一種複合材料風力提水系統的設計與開發,經由風能與泵浦結合,利用風力取代電力直接轉換成機械能,來進行抽水與灌溉,不經其他轉換可使效率提高,以達到減少能源的使用與損耗為目的。在傳輸動力的過程中,會藉由時規皮帶輪組將轉數増幅至5倍,使抽水泵浦葉輪高速運轉,形成低壓區域,產生吸力作用。將水從入水口吸入泵浦葉輪,隨著葉輪轉動而獲得動能,經過出水口時被高速甩出,在經由水管運送至需要的地方。在理論分析及量測方面,利用ANSYS有限單元分析軟體進行靜態補強結構分析,同時結合複材葉片彎曲實驗,以位移控制方法取得該葉片負載與位移的關係曲線,並以此驗證分析的正確性。再利用非破壞性能檢測之頻譜敲擊試驗,配合ANSYS之模態分析及最佳化常數鑑定分析,找出葉片的自然頻率及最佳化三個材料常數,進行比對得知實驗與理論值數據相當接近。同時,利用葉片元素動量法(BEM)計算複合材料葉片軸向推力、環向推力、扭力矩及總機械能功率。性能量測實驗方面,利用鼓風機模擬風場,配合不同揚程高度之出水管進行抽水測試,來測量複合材料風力機葉輪轉速對於水流量、扭力矩及功率之間的數據關係。
This thesis presents design and development of composite wind pumping system. Combination of pump and wind energy can be applied for water pumping and irrigation by utilizing wind power to substitute electrical power, and then transforming to mechanical energy. This entire process not only helps to reduce energy consumption and loss, but also brings better efficiency without additional transformation. During the power transmission, maximum five times revolution can be achieved. Furthermore, pumping rotor is able to remain at high speed rotation, and create low pressure area to form suction affect. Water will be pressurized from suction into pumping rotor, and kinetic energy can be acquired though rotation of rotor. Then, water will be spun off at discharge and then delivered to the various locations though pipelines. In the theory analysis and experimental measurement, finite element analysis program ANSYS can be applied to analyze static reinforced structure. Also, bending failure testing for glass fiber blade will be combined. Meanwhile, approach of displacement control will be implemented to acquire relation curve between loading and displacement of blade, and then to testify accuracy of the analysis. In addition, spectrum percussion test which specified as non-destructive inspection will be applied. Also, modal analysis of ANASYS and identification of optimum elastic constants for composite material will be employed to find out natural frequency of blade and three optimum elastic constant parameters. However, test result shows that value between experiment and theory is really close. Moreover, blade element momentum method (BEM) can be applied to calculate axial force、tangential force、torque and overall mechanical energy performance for composite blade. As for experiment of performance evaluation, blower will be applied to drive simulated wind field, and it can fit with various lift height of outlet water pipes to conduct pumping test. By doing this, water flow, torque and performance for composite wind turbine rotor can be measured. Last, composite horizontal turbine blade and transmission system applied under high speed rotation with high efficiency.
目錄

中文摘要 i
ABSTRACT ii
目錄 iii
表目錄 vii
圖目錄 ix
符號說明 xvii
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 研究動機與目的 2
第二章 複合材料積層板力學分析 4
2.1 一階剪變形理論 4
2.1.1 位移場假設 4
2.1.2 應變-位移關係 4
2.1.3 應力-應變關係 5
2.1.4 構成方程式 7
2.2 虛功法 8
2.3 有限元素公式化 9
2.4 能量法 10
第三章 ANSYS分析與最佳化鑑定設計 11
3.1 ANSYS設計與分析 11
3.1.1 ANSYS模型設計 11
3.1.2 ANSYS分析葉片彎曲變形流程 11
3.1.3 ANSYS分析葉片模態流程 12
3.1.4 ANSYS葉片分析元素介紹 13
3.2 多起始點最佳化理論 13
3.2.1 最佳化設計 13
3.2.2 多起始點方法 14
3.2.3 區域極小值 15
3.2.4 總域極小值 17
3.3 最佳化材料常數鑑定設計 18
3.3.1 彈性常數多層次最佳化鑑定 18
第四章 水平軸風力葉片設計及製造 20
4.1 風力葉片元素設計 20
4.1.1 葉片元素動量法 20
4.1.2 葉片幾何外型設計 23
4.1.3 風力機葉片機械功率 24
4.2 複合材料風力葉片結構設計 24
4.2.1 複合材料葉片整體預成形物結構設計 25
4.2.2 纖維預成形物結構設計 25
4.2.3 金屬轉接頭預成形物安全結構 25
4.2.4 EPP葉片之預成形物結構研製 26
4.2.5 葉片基材的選擇 27
4.2.6 葉片模具製造及設計 28
4.3 複合材料三明治風力葉片製作 28
4.3.1 風力葉片前處理流程 29
4.3.2 風力葉片後處理流程 31
第五章 風力提水系統設計與組裝 34
5.1 風力機系統 34
5.2 傳動系統 34
5.3 提水機系統 35
5.4 風力提水系統組裝 35
第六章 風力提水系統基本性能量測實驗 37
6.1 EPP材料常數之量測實驗 37
6.2 複材葉片之靜態位移控法實驗程序 38
6.3 複材葉片之彎曲實驗結果 38
6.4 複材葉片之敲擊實驗 39
6.4.1敲擊實驗步驟 39
6.5 複材葉片模態實驗及最佳化 40
6.5.1 模態量測實驗結果 40
6.5.2 材料常數最佳化鑑定 40
6.5.3 最佳化結果比較 40
6.6 風力提水系統基本性能量測 41
6.6.1 風力提水系統量測實驗程序 41
6.6.2 風力提水系統匹配不同皮帶輪之基本性能量測 42
6.6.3 風力提水系統匹配時規皮帶輪量測不同揚程出水管之性能 45
6.6.4 風力提水系統功率檢測比較 47
6.6.5 討論 49
第七章 結論 51
7.1 結果與討論 51
7.2 未來展望 52
參考文獻 53
附錄 55
作者簡介 147

參考文獻

1.張瑞榮、夏勝洋“風力機最佳化與系統量測”103年度中華科技大學碩士論文,Oct.2014.
2.張瑞榮、吳豐宇“複合材料三明治風機葉片之安全結構設計及量測” 103年度中華科技大學碩士論文,Oct. 2014.
3.張瑞榮、陳盈君“複合材料水力機系統開發” 104年度中華科技大學碩士論文,Oct.2015.
4.林聰益、陳柏憲“新型風力抽水泵之設計” 99年度南台科技大學碩士論文,Oct. 2010
5.金大仁、邱毅豪“複合材料風力葉片漸進破壞行為之研究”101年度國立交通大學碩士論文,Oct. 2012.
6.江宗鴻“複合材料高架地板製作與分析和樹脂轉注真空法製程” 95年度中華科技大學機電光研究所碩士論文,2006
7.Kong C., Bamg J. and Sugiyama Y., 2005, “Structural investigation of composite wind turbine blade considering various load cases and fatigue lif.” Journal of Energy, pp.2101-2114.
8.Mayer R.M., 1996, “Design of composite structures against fatigue applications to wind turbine blades.” Chippenham: Antony Rowe LTD pp.195-208.
9.Gourieres D.L.E., 1982, “Wind power plants theory and design.” New York : Pergamon Press.
10.Goeij W.C., Tooren M.J.L. and Beukers A., 1999, “Implementation of bending-torsion coupling in the design of a wind-turbine rotor-blade.” Journal of Applied Energy, pp.191-207.
11.Jiang, S., Zhang, C. and Wang, B., 2002, “Optimum Arrangement of Gate and Vent Locations for RTM Process Design Using a Mesh Distance-based Approach,” Composite: part A, 33, pp.471-481.
12.Mathur R, Fink B.K., Advani S.G., 1999, “Use of Genetic Algorithm to Optimize Gate and Vent Locations for the Resin Transfer Molding Process,” Polym. Compos. 20(2).
13.J.Tangler, J.David Kocurek “Wind Turbine Post-Stall Airfoil Performance Characteristics Guidelines for Blade-Element Momentum Methods” NREL/CP-500-36900 Oct.2004.
14.Dan M. Somers “The S830, S831, and S832 Airfoils” NREL/SR-500-36229 August 2005

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