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研究生: 吳文翔
Wu, Wen-Hsiang
論文名稱: 複材風力發電機葉片設計與分析
Design and Analysis of the Composite Wind Turbine Blade
指導教授: 楊文彬
Young, Wen-Bin
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 航空太空工程學系
Department of Aeronautics & Astronautics
論文出版年: 2010
畢業學年度: 98
語文別: 中文
論文頁數: 71
中文關鍵詞: 複合材料葉片設計
外文關鍵詞: composite, blade, design
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  • 風力發電機葉片在運行中承受巨大且複雜的風力負載,隨著風力發電機的尺寸日益增加,如何有效率的分配材料位置,達到減輕重量與維持強度的目標,並且在使用年限內維持良好性能是很重要的問題。目前葉片材料以玻璃纖維為主,近年來碳纖維也陸續被使用在葉片上,複合材料具有高強度與質輕等優點,相當適合使用於葉片上。本論文利用Matlab建立視覺化的使用者介面,在介面中建立葉片模型與材料分佈,輸出成純文字檔以供ANSYS讀取建模,讓葉片模型的建立更快速並且降低材料設定時的繁複程序,並利用BEM(葉片元素動量理論)計算理論受力,提供ANSYS分析應力分佈,對葉片做初步的力學分析,並討論葉片內部結構尺寸對葉片受載時應力分佈的影響,進而建立材料分佈的相關知識,並且能夠對葉片做完整的結構設計。

    The wind turbine blades sustain various kinds of loadings during the operation. Due to the increase of the size of the wind turbine blade, it is important to arrange the composite materials in a sufficient way to reach the optimal utilization of the material strength. Most of the composite blades are glass fibers composites, and carbon fibers are also employed in recent years. Composite materials have the advantages of high specific strength and high specific stress. This thesis uses Matlab GUI to develop a modeling interface to construct the model for the ANSYS analysis. With the aid of visualize graphics, the modeling process can be completed by some simple data inputs. The Blade Element Theory was used to predict the loadings under extreme conditions. with the stress analysis of the turbine blade, modification of the structure was performed to optimize the structural design.

    中文摘要 i ABSTRACT ii 致謝 iii 目錄 iv 表目錄 vii 圖目錄 viii 符號說明 xi 第1章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 目的 3 1-3 文獻回顧 3 1-4 研究方法 4 第2章 原理 5 2-1 複合材料簡介 5 2-1-1 纖維強化材料 6 2-1-2 基材 7 2-1-3 介面 7 2-2 風力發電機的空氣動力學 8 2-2-1 一維動量理論 One dimensional momentum theory 8 2-2-2 含有旋轉尾流的一維動量理論 13 2-2-3 葉素理論 Blade element theory 16 2-2-4 葉素動量理論 Blade element moment theory 18 2-2-5 圖解法求a與a’ 20 2-3 葉片設計流程 21 2-3-1 葉片外型設計 21 2-3-2 外型調整 23 2-3-3 葉片結構設計 24 第3章 風力發電葉片建模程式 26 3-1 建模程式簡介 26 3-2 建模程式使用說明 27 3-2-1 葉片幾何介面Blade Geometry 28 3-2-2 翼樑幾何輸入介面Spar and Flange Geometry 31 3-2-3 指定材料參數介面Define Materials 34 3-2-4 指定材料介面Assign Materials 35 3-2-5 網格設定按鈕Mesh setting 37 3-2-6 幾何輸出按鈕Geometry Output 37 3-2-7 模擬軟體ANSYS讀取純文字檔方法 37 3-2-8 指定負載介面Assign Loadings 38 3-2-9 指定負載至ANSYS按鈕Loading2ANSYS 39 第4章 葉片設計與分析 40 4-1 葉片設計 40 4-1-1 外型設計 40 4-1-2 翼型設計 40 4-1-3 切割葉片元素 41 4-1-4 外型調整 42 4-2 預測停機時外力條件 44 4-2-1 以葉素理論預測 44 4-2-2 以FAST預測 46 4-2-3 以CFX流場模擬 48 4-2-4 三種負載比較 49 4-3 由外力分佈計算結構厚度 51 4-3-1 材料參數 51 4-3-2 原始設計 52 4-4 原始設計受力分析 52 4-5 修正設計 56 4-6 調整安全係數 57 4-6-1 調整安全係數至2 57 4-6-2 調整安全係數至3 61 4-6-3 調整後之比較 65 第5章 結論與建議 68 REFERENCES 69 APPENDIX A 71

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