離岸風力機負載分析與結構應力分析

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洪浚傑(Chun-Chieh Hung) 查詢紙本館藏

畢業系所

機械工程學系

論文名稱

離岸風力機負載分析與結構應力分析

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摘要(中)

本研究共分為兩個部分，第一部分探討NREL Phase VI風力機所受之風力負載，透過實驗資料與模擬值之比較，發現因為葉片旋轉效應的影響，若僅使用二維翼型氣動力參數進行模擬，其值與實驗值差異甚大，本研究使用Snel與Lindenburg兩種不同的三維失速延遲修正模型，將旋轉效應造成的影響考慮進去，結果顯示經過修正後的模擬值與實驗值之差距降低，接著探討在不同的節距角與轉速之下，對風力機負載所造成之影響，結果顯示節距角與轉速提高，會使低轉速軸扭矩值提高，其主因為攻角遠離了失速範圍。
第二部份針對NREL 5MW OWT風力機塔架進行應力分析，選擇IEC 61400-3中屬於需分析極限負載的六種設計工況，並配合台灣西部沿岸之海洋參數進行模擬，最後將轉換後的負載輸入至ANSYS Workbench，結果顯示在DLC 1.6b、6.3b的狀況下，塔架之安全係數已低於IEC 61400-3規範建議值，這表示NREL 5MW OWT之原始設計可能不適用於台灣西部沿岸之極端風況與海況，因此本研究繼續探討將原塔架模型作修改，使安全係數高於規範建議值。

摘要(英)

This study consists of two parts. In part one, we investigated the wind-induced loads on the NREL Phase VI wind turbine. We noticed that if the inputs of simulations were the 2D airfoil aerodynamics coefficients only, the results will be apparently different from the experimental results due to rotating effect of blades. So, we used two different 3D stall delay correction models, which were derived by Snel and Lindenburg, to account for the rotating effect of blades. After modification of aerodynamics coefficients, the results showed well agreement between experiment and simulation. Furthermore, we discussed the wind-induced loads under different pitch angles or rotor speeds. The results showed that raising pitch angle or rotor speed increased the Low Speed Shaft Torque due to A.O.A was far from stall range.
In part two, the stresses of NREL 5MW OWT tower were investigated. We studied six design load cases (DLCs) which should be processed ultimate load analysis according to the IEC 61400-3 standard. The ocean parameters of Taiwan west coast were adopted as the inputs of DLCs. The output loads of GH-Bladed software were transformed and imported to ANSYS Workbench. The results showed that the safety factors of tower under DLC 1.6b and 6.3b was lower than those recommended in IEC 61400-3. It indicated that the original design of NREL 5MW OWT may not afford the extreme wind and ocean conditions at Taiwan west coast. Therefore, we modified the thickness of tower to make the safety factor of tower higher than the suggestion.

關鍵字(中)

★ GH-Bladed
★ 失速延遲
★ 風力負載
★ 極限負載
★ 塔架應力分析

關鍵字(英)

★ GH-Bladed
★ Stall Delay
★ Wind-induced Load
★ Ultimate Load
★ Tower Stress Analysis

論文目次

摘要 i
Abstract ii
誌謝 iii
目錄 iv
圖目錄 viii
表目錄 xii
符號說明 xiv
第一章、緒論 1
1-1研究背景與動機 1
1-2研究目的 3
1-3離岸風力機簡介 4
1-3-1風力機原理 4
1-3-2離岸風力機機組構造 5
1-4文獻回顧 7
1-4-1離岸風力機之設計規定 7
1-4-2氣動力之分析 8
1-4-3水動力之分析 8
1-4-4應力之分析 9
第二章、理論說明 11
2-1 GH-Bladed軟體說明 11
2-1-1 GH-Bladed功能 11
2-1-2 GH-Bladed 數學模型 11
2-2環境條件 12
2-2-1風況條件 12
2-2-1-1風速分布 12
2-2-1-2 10分鐘平均風速 13
2-2-1-3風切係數 13
2-2-1-4紊流強度 14
2-2-1-5極端風況 15
2-2-2海況條件 15
2-2-2-1波浪 15
2-2-2-2洋流 17
2-2-2-3潮汐水位 19
2-3離岸風力機負載 20
2-3-1慣性與重力負載 21
2-3-2氣動負載 22
2-3-2-1葉片 22
2-3-2-2塔架 30
2-3-3水動負載 31
2-4有限元素理論 32
2-4-1前處理(Preprocessing) 32
2-4-2求解(Processing) 32
2-4-3後處理(Postprocessing) 32
第三章、研究方法 33
3-1風力機型號與規格 35
3-1-1 NREL Phase VI 35
3-1-2 NREL 5MW OWT 38
3-2建構風力機模型 41
3-2-1建構NREL Phase VI模型 42
3-2-2建構NREL 5MW OWT模型 45
3-3模態分析 49
3-3-1 GH-Bladed模態分析 49
3-3-2 ANSYS Workbench模態分析 50
3-4操作條件與設計工況 50
3-4-1 NREL Phase VI 操作條件 51
3-4-2 NREL 5MW OWT設計工況 52
3-5失速延遲(Stall Delay)修正模型 55
3-6 GH-Bladed塔架負載轉換 57
第四章、結果與討論 59
4-1模態分析 59
4-1-1 NREL Phase VI模態 59
4-1-2 NREL 5MW OWT模態 61
4-2輸入參數對風力機負載之影響 65
4-2-1氣動力參數之影響 65
4-2-2節距角之影響 70
4-2-3轉速之影響 72
4-3設計工況對風力機負載之影響 74
4-3-1正常發電 74
4-3-2待機 77
4-4 NREL 5MW OWT塔架應力分析 83
4-4-1正常發電 87
4-4-2待機 88
4-4-3塔架模型厚度修正 91
第五章、結論與未來研究方向 93
5-1結論 93
5-2未來研究方向 94
參考文獻 95
附錄A、風況與海況條件之定義 100
A-1 風況條件 100
A-1-1 正常紊流模型(Normal Turbulence Model, NTM) 100
A-1-2 極端風速模型(Extreme Wind Model, EWM) 100
A-2 海況條件 101
A-2-1 波浪 101
A-2-1-1 嚴苛海況(Severe Sea State, SSS) 101
A-2-1-2 嚴苛浪高(Severe Wave Height, SWH) 101
A-2-1-3 極端海況(Extreme Sea State, ESS) 102
A-2-1-4 約化浪高(Reduced Wave Height, RWH) 102
A-2-2 洋流 102
A-2-2-1 正常洋流模型(Normal Current Model, NCM) 102
A-2-2-2 極端洋流模型(Extreme Current Model, ECM) 102
A-2-3 水位 103
A-2-3-1 正常水位範圍(Normal Water Level Range, NWLR) 103
A-2-3-2 極端水位範圍(Extreme Water Level Range, EWLR) 103

參考文獻

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指導教授

黃俊仁(Jiun-Ren Hwang)

審核日期

2019-7-29

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