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浮游式黑潮發電渦輪機於垂向剪切流場下之流體動力分析

摘要"

台灣大學、海洋大學及台經院團隊在第二期能源國家型計畫(NEP II)及台灣國際造船公司共同贊助的產學合作計畫下執行如圖1所示的浮游式黑潮發電先導機組設計開發關鍵技術研發。由於實際海域洋流流動並非均勻流,通常隨著水深會有流速變化,亦即垂向剪切流(vertical shear flow)。當全尺寸海流發電渦輪機在垂向剪切流中運作時,轉子葉片所受的流體動力將隨旋轉所在位置而變動,亦即會是時變動力,不僅會影響性能,也可能導致葉片結構共振而發生破壞,長期也可能發生疲勞破壞;對於錨繫中的浮游式機組也可能引發穩定性的問題,因此有必要對垂向剪切流引致機組及葉片的時變流體動力進行探討與掌握。

關鍵詞:洋流、浮游式黑潮發電渦輪機、垂向剪切流、計算流體力學

Xia & Takagi[1]以葉片元素法(BEM)及水槽模型試驗探討了垂向剪切流對轉子葉片的效應,然而在葉片根部負荷的計算與實驗結果之間仍有相當的差異而仍有待釐清。Hanson[2]也針對預期置於墨西哥灣流的海流發電機組受到正向或負向的垂向剪切流時,其浮力與阻力變動對於機組錨繫穩定度的影響提出初步分析,利用牛頓運動定律與力平衡圖等簡易原理,發現垂向剪切流速度梯度為負值時(深處流速較快)系統會不穩定,而當垂向剪切流速度梯度為正值時(水面處流速較快),則雖會震盪,但系統是穩定的。
本研究以第二期能源國家型計畫及台船公司所贊助的20kW級浮游式黑潮發電渦輪機組(Floating Kuroshio Turbine;FKT)設計概念作為研究對象,以計算流體力學方法探討垂向剪切流對FKT轉子整體性能及葉片根部負荷的影響。FKT機組系統概述可詳見於呂、邱[3,4],其示意及主要尺寸分別示於圖1及表1。FKT由五個主要組件所構成,分別是:翼形浮體(Foil Float)、直柱(Vertical Support)、橫梁(Cross Beam)、機艙(Nacelle)、水平軸左右對轉轉子葉片(Rotor Blades)。

垂向剪切流設定

對於海流發電渦輪機運轉所在的實海域而言,海水流速通常是隨著深度而變化的垂向剪切流,其速度分布關係可表如下式:...更多內容,請見《機械新刊》雜誌。

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