Transcript 小型水平軸風力發電機測試

小型水平軸風力機
葉片噪音控制研究
指 導 老 師 ： 孫明宗 博士
實 習 單 位 ： 機械系
實 習 廠 區 ： 高安實業股份有限公司
學 生 ： B9622033 林漢軒
2010/09/22
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研究背景

風力發電機分類：
水平軸式及垂直軸式，主要是以轉軸軸向與風向
平行或垂直來區分。
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研究動機與目的





風力發電機葉片產生噪音的來源：分離流所造成
的渦流。
了解分離流與各參數間的影響趨勢。
觀察史托爾數造成分離流及頻率值之間的關係。
在不同風速及角速度下，葉片各處外部流場不同。
主要因素：雷諾數及攻角。
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分離點(Separated point)

分離點所發生的位置。

流線方向速度分量減少，造成逆向壓力梯度減少
而造成分離現象 。
4
分離流(Separation)

分離流的產生只要是因為流體之主流離開了物體
表面。
5
渦流釋放(Vortex Shedding)

當翼型與流體流動方向相互垂直時則會產生，其
兩側成規則性交替釋放。
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史托爾數(Strouhal number)

nD
St =
V
30,000
400,000
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葉片翼形截面參數定義
θ
α
V ：絕對風速
ψ
V
rΩ
Vr ：相對風速
rΩ ：各截面半徑與角速度乘積
L ：升力
D ：阻力
α ：攻角
θ ：節距角
ψ ：相對風速角 8
葉片設計


從已知額定功率、風速、尖端風速比、功率係數，
求出葉片長度及角速度。
條件：
W Vrat  10 m/s

公式：
1
3
Prat   CP ,ratVrat A
2
A   R2
ratVrat
 rat 
R
葉片長度
= 0.70 m
額定轉速
= 70.57 rad/s
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葉片設計

額定條件：
rat  8 Vrat  10 m/s rad  70.57 rad/s


由相對風速角與額定攻角可計算各截面在額定條
件下的節距角(pitch angle) ：
 p     rat
Vrat
 tan (
)   rat
r rat
1
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翼弦長(Chord)

翼弦長(c)隨著各截面旋轉半徑(r)而改變。
16 ( R 2 / r ) C
c0 

2
9 B(rat )
r
c(r )  a0  a1r
a0  0.3057
a1  0.4491
where r1  0.0698
r2  0.698
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NACA 4412
Chord
Camber
Length
Midline

Airfoil has a maximum camber of 4% located 40%
(0.4 chords) from the leading edge with a maximum
thickness of 12% of the chord.
12
角速度範圍
操
作
點
發
電
機
輸
入
性
能
曲
線
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葉片參數

由葉片設計中，可推算出各截面半徑所造成的翼
弦長公式，舉例如下：
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葉片參數

由額定相對風速求出相對風速角及每個截面對應的
節距角，各截面半徑所對應的節距角如下：
Vrat
 p     rat  tan (
)   rat
15
rrat
1
葉片參數

當額定條件與節距角已知，攻角(angle of attack)定
義：

根據操作點範圍，風速由5 m/s~11 m/s，角速度由
40 rad/s~180 rad/s，兩條件可決定相對攻角及相對
風速，進而求出雷諾數。
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葉片參數

以風速為9 m/s和角速度為50 rad/s為例，作表如下：
17
研究方法





得到攻角及雷諾數，輸入XFOIL之後觀測其後方
分離流趨勢。
單位翼弦長的分離流量值(d/c) ：葉片後方分離流
寬度(d)與翼弦長(c)之比值。
分離流量值(d) ：將每組數據其單位翼弦長分離流
量值(d/c)乘上其翼弦長(c) 。
自然頻率值(n) ：根據史托爾數(St)可從相對風速
(V)與分離量值(d)推導出。
在相同風速之下，調整在不同角速度，將d、n與
log n分別與與各截面所在半徑以Origin8作圖。
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研究方法

以XFOIL觀察後部流場示意圖。
c
d
19
研究方法
20
結果與討論

風速為5 m/s，各截面半徑(r)與尾部分離流量值(d)
在不同角速度(Ω)的曲線關係圖。
21
結果與討論

風速為6 m/s，各截面半徑(r)與尾部分離流量值(d)
在不同角速度(Ω)的曲線關係圖。
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結果與討論

風速為7 m/s，各截面半徑(r)與尾部分離流量值(d)
在不同角速度(Ω)的曲線關係圖。
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結果與討論

風速為8 m/s，各截面半徑(r)與尾部分離流量值(d)
在不同角速度(Ω)的曲線關係圖。
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結果與討論

風速為9 m/s，各截面半徑(r)與尾部分離流量值(d)
在不同角速度(Ω)的曲線關係圖。
25
結果與討論

風速為10 m/s，各截面半徑(r)與尾部分離流量值(d)
在不同角速度(Ω)的曲線關係圖。
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結果與討論

風速為11 m/s，各截面半徑(r)與尾部分離流量值(d)
在不同角速度(Ω)的曲線關係圖。
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結果與討論

風速為5 m/s，各截面半徑(r)與尾部所產生的渦流
頻率值(n)在不同角速度下(Ω)的曲線關係圖。
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結果與討論

風速為6 m/s，各截面半徑(r)與尾部所產生的渦流
頻率值(n)在不同角速度下(Ω)的曲線關係圖。
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結果與討論

風速為7 m/s，各截面半徑(r)與尾部所產生的渦流
頻率值(n)在不同角速度下(Ω)的曲線關係圖。
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結果與討論

風速為8 m/s，各截面半徑(r)與尾部所產生的渦流
頻率值(n)在不同角速度下(Ω)的曲線關係圖。
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結果與討論

風速為9 m/s，各截面半徑(r)與尾部所產生的渦流
頻率值(n)在不同角速度下(Ω)的曲線關係圖。
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結果與討論

風速為10 m/s，各截面半徑(r)與尾部所產生的渦
流頻率值(n)在不同角速度下(Ω)的曲線關係圖。
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結果與討論

風速為11 m/s，各截面半徑(r)與尾部所產生的渦
流頻率值(n)在不同角速度下(Ω)的曲線關係圖。
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結果與討論



利用已寫好的程式語言用
Cygwin編譯 。
風速為5 m/s，翼型尾部分離量
值(d)分佈圖。
縱軸是各截面半徑(r)，由下而
上是0.06 m到 0.64 m；橫軸是角
速度(Ω)，由左而右是40 rad/s 到
180 rad/s。
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結果與討論
風速為6 m/s
風速為7 m/s
風速為8 m/s
風速為9 m/s
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風速為10 m/s 風速為11 m/s
結果與討論



頻率以十為底取對數值(log n)與各
截面半徑及各角速度也利用編譯器
Cygwin繪出分佈圖。
風速為5 m/s，頻率以十為底取對
數值(log n)分佈圖。
縱軸是各截面半徑(r)，由下而上是
0.06 m到 0.64 m；橫軸是角速度
(Ω) ，由左而右是40 rad/s 到 180
rad/s。
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結果與討論
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風速為6 m/s
風速為7 m/s
風速為8 m/s
風速為9 m/s
風速為10 m/s 風速為11 m/s
結論





影響分離流的因素：攻角、雷諾數。
雷諾數為慣性力與黏性力之比。過大的雷諾數會
造成後方分離流較大。
較大的攻角會產生較大的分離流，亦有可能提前
產生分離點。
固定風速下，角速度增加會產生較小的分離流量
值。
固定角速度下，風速增加會產生較大的分離流量
值。
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結論




渦流釋放所產生的釋放頻率值(n)與分離流量值(d)
在各別數據中成反比。
固定風速下，角速度增加會產生較大的自然頻率
值。
固定角速度下，在可轉動的葉片下，風速增加會
產生較小的自然頻率值。
人類的正常聽力範圍為20Hz~20,000Hz，可知大部
分風力發電機葉片所產生的噪音會干擾到人類作
息。
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建議與展望


XOIL未有匯出功能，導致在測量單位翼弦長的分
離流量值時有效位數只有三位，未能達到更精確
的數值以利判斷。
預計利用DesignFOIL軟體繪出翼型截面，並使用
Solid Works繪圖軟體調整翼型的角度並匯入至
COMSOL Multiphysics加以模擬流場分析，能更準
確的判斷流場在流經翼型時所造成的變化。
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建議與展望


期許能在完成COMSOL模擬分析之後，對這項研
究能有更徹底的了解。
期望接下來的實驗與測試中能幫助高安實業股份
有限公司在設計風力發電機葉片上能有更多不同
的斬獲。
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THE END
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