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小型水平軸風力機 葉片噪音控制研究

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. 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。. 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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小型水平軸風力機 葉片噪音控制研究

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  1. 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

  2. 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。

  3. 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。

  4. 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 。

  5. 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。

  6. 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。

  7. St = 史托爾數(Strouhal number) 30,000 400,000

  8. L D θ α Vr ψ V rΩ 葉片翼形截面參數定義 Chord Length V ：絕對風速 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

  9. m/s W 葉片長度 = 0.70 m 額定轉速 = 70.57 rad/s 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： • 公式：

  10. rad/s m/s 葉片設計 • 額定條件： • 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) ：

  11. where 翼弦長(Chord) • 翼弦長(c)隨著各截面旋轉半徑(r)而改變。

  12. Chord Camber Length Midline NACA 4412 • 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.

  13. 發電機輸入性能曲線 操作點 角速度範圍

  14. 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：

  15. 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：

  16. 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。

  17. 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：

  18. 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。

  19. 研究方法 • 以XFOIL觀察後部流場示意圖。 c d

  20. 研究方法

  21. 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。

  22. 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。

  23. 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。

  24. 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。

  25. 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。

  26. 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。

  27. 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。

  28. 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。

  29. 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。

  30. 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。

  31. 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。

  32. 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。

  33. 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。

  34. 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。

  35. 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。 結果與討論

  36. 風速為6 m/s 風速為7 m/s 風速為11 m/s 風速為8 m/s 風速為9 m/s 風速為10 m/s 結果與討論

  37. 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。 結果與討論

  38. 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 結果與討論

  39. 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。

  40. 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。

  41. 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。

  42. 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。

  43. THE END

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