2MW風力機塔架負載及應力分析

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姓名

戴銘伸(Ming-Shen Dai) 查詢紙本館藏

畢業系所

機械工程學系

論文名稱

2MW風力機塔架負載及應力分析

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摘要(中)

為了提高發電容量滿足用電需求，風力機不斷朝高容量與大型化發展，伴隨而來的是整體質量與運轉負載的增加，進而影響到運轉壽命與開發成本。
本研究對Vestas V80-2.0MW機型之風力機塔架進行入力模擬分析及應力計算。使用繪圖軟體SolidWorks繪製V80風力機塔架模型，並利用計算流體力學軟體Fluent對風力機模型進行流場分析，模擬風力機在不同狀態下運轉情形，根據風場情形計算出受力結果，再使用ANSYS Workbench 14.0模擬分析軟體進行不同風速與節距角的穩態分析與各種操作狀況的暫態分析，並討論塔架受負載時的應力分佈。
研究結果顯示在不同風速之額定轉速下，葉片皆承受比塔架更大的入力。塔架在正常操作下或IEC 61400-1規範中須滿足的特定風速下均不會造成損壞。在各種極限風速下塔架在中下層法蘭位置迎風面處有最大的拉應力；暫態模擬可知即使在切出風速下緊急關機，塔架之最大等效應力仍遠小於塔架鋼筒的降伏強度。在正常發電額定轉速下時並不會對塔架造成共振的效應。

摘要(英)

In order to satisfy the needs of electric energy, the capacity of the wind turbine is getting larger. It resulted in a larger weight and a heavier operational load for the wind turbine. The cost will increase and the life cycle will decrease if the wind turbine is operated with a heavy load.
This study investigated the stresses of a Vestas V80-2.0MW wind turbine tower. The author applied SolidWorks software to rebuild the V80 wind turbine tower model. Then, the flow field analysis of wind turbine model was carried out by using the Fluent software. We simulate the wind turbine under different conditions of operation, then the results of the fluid analysis were imported into the fluid-structural analysis to find the stress and strain distribution of the wind turbine. The ANSYS software was utilized to study the stresses of the tower under steady and transient operations.
The results showed that the blades are subjected to a greater force than the tower at different wind speeds. The tower wouldn’t fail under the normal operation or the special wind speeds which were defined in IEC 61400-1 specification. In different extreme wind speed cases, the tower has the maximum stress at the flange bolts of the middle tower. In the transient simulation, the maximum equivalent stress of the tower is smaller than the yield Strength of the tower in the cut-out wind speed of the emergency shutdown. The operation of the wind turbines doesn’t induce resonance of the tower in rated speed.

關鍵字(中)

★ 風力機塔架
★ 流場分析
★ 應力分析

關鍵字(英)

★ Wind Turbine Tower
★ Flow field analysis
★ Stress Analysis

論文目次

摘要 i
Abstract ii
誌謝 iii
目錄 iv
圖目錄 vii
表目錄 x
符號說明 xi
第一章緒論 1
1-1 研究背景與動機 1
1-2 研究目的 4
1-3 風力機簡介 5
1-3-1 風力機原理 5
1-3-2 Vestas V80 風力機 5
1-3-3 風力機系統功能 7
1-4 文獻回顧 10
1-4-1 IEC 61400-1 設計規定 10
1-4-2 風力機流場分析 10
1-4-3 風力機塔架受力分析 11
1-4-4 風力機壽命評估 12
第二章理論說明 13
2-1 風條件 13
2-1-1 風速分佈 13
2-1-2 10分鐘平均風速 14
2-1-3 風切係數 15
2-1-4 紊流強度 15
2-2 負載 15
2-2-1 設計條件 16
2-2-2 慣性負載及引力負載 16
2-2-3 氣動負載 17
2-2-4 氣彈負載 18
2-2-5 塔架負載 19
第三章研究方法 21
3-1 風力機規格 23
3-1-1 安裝感測器 25
3-2 幾何模型建立 27
3-3 風力機流場分析 30
3-4 塔架應力分析 32
3-4-1 穩態分析 32
3-4-2 暫態分析 33
3-4-3 彈性地基之分析法 34
3-5 風力機塔架模態分析 36
第四章結果與討論 37
4-1 訊號校正與模型驗證 37
4-2 風力機流場分析 39
4-2-1 各風速對風力機產生的作用力 40
4-2-2 極限風速對風力機產生的作用力 43
4-2-3 不同紊流強度對塔架作用力的影響 44
4-3 風力機塔架穩態應力分析 45
4-3-1 風力機正常運轉下之應力 46
4-3-2 風力機極限風速下之應力 50
4-4 風力機塔架暫態應力分析 55
4-4-1 風力機開機狀態 55
4-4-2 風力機正常關機狀態 58
4-4-3 風力機緊急關機狀態 62
4-5 風力機地基剛性之影響 65
4-6 塔架自然頻率 69
第五章結論與未來研究方向 71
5-1 結論 71
5-2 未來研究方向 72
參考文獻 73

參考文獻

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指導教授

黃俊仁(Jiun-Ren Hwang)

審核日期

2017-7-27

推文