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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

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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。

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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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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 。

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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。

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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。

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史托爾數 (Strouhal number)

St =V

nD

30,000 400,000

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葉片翼形截面參數定義

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

Chord Length

VV r

θα

ψ

L

D

rΩα ：攻角θ ：節距角ψ ：相對風速角

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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： 葉片長度葉片長度 = 0.70 m= 0.70 m

額定轉速 額定轉速 = 70.57 rad/s= 70.57 rad/s

W 10ratV m/s

3,

1

2rat P rat ratP C V A2A Rrat rat

rat

V

R

10

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) ：

8rat 57.70rad10ratV m/s rad/s

1tan ( )ratp rat rat

rat

V

r

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翼弦長 (Chord)

翼弦長 (c) 隨著各截面旋轉半徑 (r) 而改變。2

0 2

16 ( / )

9 ( )rat

R r Cc

B r

0 1( )c r a a r 0

1

0.3057

0.4491

a

a

where 1

2

0.0698

0.698

r

r

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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.

Chord

Camber

LengthMidline

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角速度範圍

操作

點

發電機輸入性能曲

線

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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：

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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：

1tan ( )ratp rat rat

rat

V

r

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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。

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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：

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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。

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研究方法 以 XFOIL 觀察後部流場示意圖。

c

d

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研究方法

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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結果與討論 利用已寫好的程式語言用 Cygw

in 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 。

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結果與討論

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

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結果與討論 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 。

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結果與討論

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

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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。

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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。

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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。

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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。

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THE END