大型風力機塔架延壽評估

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姓名

楊子霆(Tzu-Ting Yang) 查詢紙本館藏

畢業系所

機械工程學系

論文名稱

大型風力機塔架延壽評估

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摘要(中)

風力機之設計壽命通常為20年，現今台灣使用中的陸域風力機於2020年後將面臨使用壽命到期的問題。由於早期風力機設計時採用較高的安全因子，以至於風力機可能會超過所預估的20年壽命。
本研究分為兩部分。第一部分為收集並探討已發表的風力機延壽評估方法，建立適用於台電風力機組的具體方案，提出的方法包含資料收集、分析評估及檢查項目。
第二部分針對Vestas V80風力機塔架進行疲勞壽命評估，參照IEC 61400-13進行負載量測，於塔架底部黏貼應變規，量測短時間的負載訊號。根據有限元素分析及應變量測結果，可得到中下法蘭截面的負載。風力機所受之負載頻譜為使用短時間負載量測及運轉資料來重建。再應用FAMOS軟體分析疲勞損傷。研究結果顯示，在IEC 61400-1之疲勞設計負載下，Vestas V80風力機塔架之中下法蘭截面不會發生疲勞失效。

摘要(英)

In general, the life of a wind turbine is designed to be 20 years. In 2020, some of onshore wind turbines in Taiwan will reach the end of their planned service life. Due to the higher safety factor that adopted in the original design of wind turbine, the life of wind turbine may be longer than 20 years.
This research is divided into two parts. The first part is to collect and discuss the published assessments of lifetime extension of wind turbine. Then, the author constructed a specific one that is suitable for Taipower Company’s wind turbine. The proposed method includes data collection, assessment analysis, and inspections.
The second part is to start a fatigue life assessment, the author chose a Vestas V80 wind turbine tower. According to IEC 61400-13 standard, we stuck some strain gauges at tower bottom, and measured short-time loading. Based on the results of finite element analysis, the loading at the cross-section of middle-lower flange can be obtained from the strain measurement. The wind turbine’s endured load spectrum was reconstructed using a short-time load measurement and operational data. Then the fatigue damage was analyzed with FAMOS software. The results showed that fatigue failure will not occur at the middle-lower flange cross-section of Vestas V80 wind turbine tower if it is operated under the design fatigue load cases of IEC 61400-1 standard.

關鍵字(中)

★ 風力機延壽
★ 塔架負載量測
★ 流固耦合分析

關鍵字(英)

★ Lifetime Extension of Wind Turbine
★ Load Measurement of Tower
★ Fluid-Structural Coupling Analysis

論文目次

摘要 i
Abstract ii
誌謝 iii
目錄 iv
圖目錄 viii
表目錄 xi
符號說明 xiii
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 風力機發電原理 5
1-3-2 風力機組構造 6
1-3-3 Vestas V80 風力機 8
1-4 文獻回顧 10
1-4-1 風力機之設計規定 10
1-4-2 風力機延壽評估方法 10
1-4-3 風力機負載量測及外推長期的疲勞負載 11
1-4-4 風力機結構之有限元素分析 13
1-4-5 風力機疲勞壽命評估 13
第二章理論說明 15
2-1 疲勞分析及延壽評估理論 15
2-2 應力－壽命曲線(S-N Curve) 16
2-3 常用熔融銲接結構疲勞設計規範 17
2-4 平均應力的影響 18
2-5 循環計數 20
2-6 疲勞損傷累積 22
2-7 應力-壽命法 23
第三章研究方法 25
3-1 延壽評估方法整理 27
3-2 Vestas V80之疲勞分析 27
3-2-1 風力機資料收集 27
3-2-2 負載量測 34
3-2-3 流固耦合塔架應力分析 37
3-2-4 外推/重建長期負載 39
3-2-4-1 由短時間量測到的機械負載作外推 40
3-2-4-2 由風速紀錄、運轉資料與短時間負載量測作重建 42
3-2-5 低頻率負載歷程 42
3-2-6 疲勞損傷計算 43
第四章結果與討論 45
4-1 塔架延壽評估方法之整合建議 45
4-1-1 資料收集 45
4-1-2 分析評估 47
4-1-3 檢查項目 49
4-2 Vestas V80塔架疲勞壽命評估 51
4-2-1 訊號校正與風力機模型驗證 51
4-2-1-1 模型流場驗證 51
4-2-1-2 訊號校正與模型應變驗證 53
4-2-2 負載量測 55
4-2-3 20年各風速發生次數 56
4-2-4 塔架應力分析 61
4-2-4-1 正常發電狀態 61
4-2-4-2 開機狀態 65
4-2-4-3 正常關機狀態 67
4-2-4-4 停機狀態 69
4-2-5 疲勞壽命評估 72
4-2-5-1 正常發電之疲勞損傷 72
4-2-5-2 操作事件之疲勞損傷 80
4-2-5-3 停機狀態之疲勞損傷 80
4-2-5-4 20年之總疲勞損傷 82
第五章結論與未來研究方向 84
5-1 結論 84
5-2 未來研究方向 85
參考文獻 86
附錄A 風力機檢查項目 90
A-1 轉子葉片 90
A-2 機艙 90
A-3 基礎 91
附錄B 延壽評估方法 92
B-1 DNV GL：風力機延壽評估方法及認證 92
B-2 UL：UL 4143-風力機延壽評估程序 102
B-3 Megavind：風力機延長使用壽命之策略 106
B-4 EPRI：風力機殘留壽命分析 113
B-4-1 RUL 技術評估方法 113
B-4-2 風力機之RUL分析評估 115
B-4-3 風力機主要組件之RUL評估 118

參考文獻

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指導教授

黃俊仁(Jiun-Ren Hwang)

審核日期

2018-7-30

推文