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系統識別號 U0002-0108201209483000
中文論文名稱 微型風力發電機外罩與葉片效應之空氣動力特性探討
英文論文名稱 Investigation of aerodynamics characteristics of micro wind turbine with different flanged diffuser and blades
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 航空太空工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Aerospace Engineering
學年度 100
學期 2
出版年 101
研究生中文姓名 洪呈緯
研究生英文姓名 Cheng-Wei Hung
學號 699430384
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2012-06-21
論文頁數 92頁
口試委員 指導教授-陳增源
委員-陳慶祥
委員-管衍德
中文關鍵字 微型水平軸風力發電機  非扭轉葉片  翼緣擴散外罩  風洞實驗 
英文關鍵字 Micro wind turbine  flanged diffuser  solidity  wind tunnel test 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
中文摘要 本研究主要探討微型水平軸風力發電機在擴散外罩下,匹配不同的葉片的空氣動力特性。首先,以數值模擬軟體FLUENT探討擴散外罩數值,結果顯示,以擴散角度30度、入口直徑30公分、長度10公分的擴散外罩可以增加空氣的流速50%,另實驗結果顯示將此擴散外罩安裝在上底20.5公分,下底46.5公分,長50公分的擋風罩上,可得到最佳的功率輸出。
本研究以製作平板葉片為主,選擇較易加工、材料韌性足夠之工程塑膠-MC尼龍板為材料。首先探討轉子(直徑30公分)在擴散外罩的不同位置其增益效應,而後以不同螺距角度與不同的葉片葉根與葉尖比例Cr/Ct作比較;結果顯示,轉子置放在擴散外罩中間,螺距角度為30度以及Cr/Ct為0.3時,大幅提升功率和扭矩輸出。
本研究另改變葉片之阻塞比以及葉片數來提升整體的功率和扭力輸出;以相同阻塞比,葉片數為6、8、12三種組合作比較,結果顯示以8葉片為選擇;又以相同之8葉片,阻塞比為40%、50%、60%、70%四種組合作比較,結果顯示以60%在功率輸出有最佳效果。從本研究可得到在微型風力發電機中,葉片大翼尖的設計以及阻塞比有其重要性。
英文摘要 Abstract:
This thesis investigates the aerodynamic characteristics of micro, horizontal-axis wind turbine with different flanged diffusers and blades. First, a numerical study using FLUENT was conducted to investigate the flow field inside the flanged diffusers. A flanged diffuser with inlet diameter of 30 cm, length of 10 cm and diffusion angle of 30o was used for this purpose. Results show that the flow accelerates by 50% inside the flanged diffusers. Experimental study shows that a better power output can be achieved when installing the flanged diffuser inside a wind shield of 50 cm height, 20.5 and 46.5 cm top and bottom widths, respectively.The blades applied in this thesis are large-tip, non-twisted due to easily machined. The experimental studies were conducted in a wind tunnel system to obtain the relations between the power coefficient (CP) and tip speed ratio (TSR), and between the torque coefficient (CT) and TSR.
Effects of the rotor position inside flanged diffuser, rotor solidity and blade number on rotor aerodynamic performance are investigated. The blade cross-section is NACA4415 airfoil. The pitch angle of the blades is fixed at 30°, and the chord length ratio between the blade root and tip is fixed at 0.3. Results show that larger power output is obtained when the rotor positioned approach the diffuser inlet. The larger the blade number is, the higher the power output is, but the difference is limited. In general, the 60%-rotor solidity achieves a better power output. Comparisons between the present and previous blades show that non-twisted, large-tip blades have better power and torque coefficients, and achieve the larger power output at lower rotor rotational speed. This result provides some important information in blade design of micro-wind turbines.
論文目次 目錄
摘要……………………………………………………………………...ⅰ
Abstract………………………………………………………………….ⅱ
目錄 iii
圖目錄 vi
表目錄 xi
符號說明 xii
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 文獻回顧 8
1.3 研究目的 10
第二章 實驗設備與量測儀器 11
2.1 實驗設備 11
2.1.1 大型風洞 11
2.1.2 微型風力發電機模型 12
2.2 實驗測量儀器 12
2.2.1 扭力量測系統 12
2.2.2 速度量測系統 12
2.2.3 量測顯示與控制系統 13
2.2.4 轉速計 13
2.2.5 大氣狀態量測裝置 13
第三章 研究方法 18
3.1 數值方法 18
3.1.1 數值模擬流程 18
3.2 風洞系統實驗方法 19
3.2.1 風洞實驗流程 19
3.3 扭轉葉片製作方法 21
3.3.1 葉片製作流程 21
3.4 平板葉片製作方法 22
3.4.1 葉片製作流程 22
第四章 實驗結果與討論 30
4.1 外罩效率之數值模擬 30
4.2 扭轉葉片具擴散外罩之空氣動力特性實驗 33
4.2.1 扭轉葉片具外罩之增益效應 33
4.2.2 數值模擬與實驗比較與結果 35
4.2.3 扭轉葉片具不同擴散外罩比較 35
4.3 平板葉片具擴散外罩不同位置比較 51
4.4 平板葉片具不同螺距角之比較 55
4.5 不同葉片根部與尖部比例之比較 60
4.6 比較相同葉片阻塞比(Solidity),不同葉片數效應 64
4.7 比較不同葉片阻塞比(Solidity),相同葉片數效應 70
第五章 總結與未來展望 78
5.1 本文總結 78
5.2 未來展望 79
參考文獻 80
附錄 82

圖目錄
圖1-1 荷蘭式風車 6
圖1-2 圖旋翼型風車 6
圖1-3 水平軸式風機構造 7
圖1-4 世界小型風力發電裝置分佈[1] 7
圖2-1 大型風洞 14
圖2-2 微型八葉片水平軸式風力發電機 14
圖2-3 皮托管 15
圖2-4 位移平台 15
圖2-5 顯示與量測系統 16
圖2-6 轉速計 16
圖2-7 大氣狀態量測儀器 17
圖3-1 NACA4415翼型轉成上下異面之葉片雛形 23
圖3-2 線切割機之程式編輯介面 23
圖3-3 葉片模擬、加工介面 24
圖3-4 CNC放電線切割機 24
圖3-5 工件床台 25
圖3-6 扭轉葉片切割製作過程 25
圖3-7 CNC銑床操作平台 26
圖3-8 CNC銑床機台 26
圖3-9 平板葉片切削過程 27
圖3-10 CFD之求解流程 27
圖3-11 小型風力發電機效率實驗流程圖 28
圖3-12 扭轉葉片製作流程 29
圖3-13 平板葉片製作流程 29
圖4-1 30度外罩模擬 31
圖4-2 21.8度外罩模擬 31
圖4-3 具平行段擴散外罩模擬 32
圖4-4 三種外罩模擬速度比較圖 32
圖4-5 具平行段外罩示意圖(側面) 39
圖4-6 具平行段外罩示意圖(正面) 39
圖4-7 擴散外罩21.8度示意圖(正面) 40
圖4-8 擴散外罩21.8度示意圖(側面) 40
圖4-9 30度擴散外罩側面示意圖 41
圖4-10 30度擴散外罩示意圖 41
圖4-11 A型-直筒外罩示意圖 42
圖4-12 B型-梯形外罩示意圖 42
圖4-13 C型-擋風玻璃外罩示意圖 43
圖4-14 D型-擋風玻璃加收縮段外罩示意圖 43
圖4-15 E型-直筒加收縮段外罩示意圖 44
圖4-16 F型-直筒收縮段加擴散段外罩示意圖 44
圖4-17 G型-圓環加擴散段外罩示意圖 45
圖4-18 H型-圓環收縮段加擴散段外罩示意圖 45
圖4-19 I型-圓環加收縮段外罩示意圖 46
圖4-20 扭轉46度葉片之30度外罩以及具平行段外罩Cp-RPM比較 46
圖4-21 扭轉46度葉片之30度外罩與21.8度外罩Cp-RPM比較 47
圖4-22 扭轉46度葉片之不同外罩Cp-RPM比較 47
圖4-23 扭轉46度葉片之30度外罩與具平行段外罩Power-RPM比較 48
圖4-24 扭轉46度葉片之30度外罩與21.8度外罩power-RPM比較 48
圖4-25 扭轉46度葉片之不同外罩Power-RPM比較 49
圖4-26 扭轉46度葉片之30度外罩與具平行段外罩Torque-RPM比較 49
圖4-27 扭轉46度葉片之30度外罩與21.8度外罩Torque-RPM比較 50
圖4-28 扭轉46度葉片之不同外罩Torque-RPM比較 50
圖4-29 擴散外罩不同位置示意圖 52
圖4-30 風速12m/s下不同外罩位置之Cp-TSR比較 53
圖4-31 風速12m/s下不同外罩位置之Ct-TSR比較 53
圖4-32 風速12m/s下不同外罩位置之Power-RPM比較 54
圖4-33 風速12m/s下不同外罩位置之Torque-RPM比較 54
圖4-34 螺距角15度示意圖 57
圖4-35 螺距角20度示意圖 57
圖4-36 螺距角30度示意圖 58
圖4-37 螺距角40度示意圖 58
圖4-38 不同風速下不同螺距角之Power比較 59
圖4-39 不同風速下不同螺距角之Torque比較 59
圖4-40 不同Cr/Ct示意圖(左:0.3;右:0.2) 62
圖4-41 不同Cr/Ct之Cp-TSR比較圖 62
圖4-42 不同Cr/Ct之Ct-TSR比較圖 63
圖4-43 不同Cr/Ct之Power-RPM比較圖 63
圖4-44 不同Cr/Ct之Torque-RPM比較圖 64
圖4-45 60%六葉片示意圖 66
圖4-46 60%八葉片示意圖 67
圖4-47 60%十二葉片示意圖 67
圖4-48 相同Solidity不同葉片數Cp-TSR比較 68
圖4-49 相同Solidity不同葉片數Ct-TSR比較 68
圖4-50 相同Solidity不同葉片數Power-RPM比較 69
圖4-51 相同Solidity不同葉片數Torque-RPM比較 69
圖4-52 八葉片阻塞比40%示意圖 74
圖4-53 八葉片阻塞比50%示意圖 74
圖4-54 八葉片阻塞比60%示意圖 75
圖4-55 八葉片阻塞比70%示意圖 75

表目錄
表4-1 八葉片具不同外罩 38
表4-2 葉片阻塞比40%八葉片不同風速下有無外罩比較 76
表4-3 葉片阻塞比50%八葉片不同風速下有無外罩比較 76
表4-4 葉片阻塞比60%八葉片不同風速下有無外罩比較 77
表4-5 葉片阻塞比70%八葉片不同風速下有無外罩比較 77
參考文獻 參考文獻
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