簡易檢索 / 詳目顯示

回結果列表
研究生： 黃建維
Huang, Chien-Wei
論文名稱： 葉片形狀對小型水力發電機效率之影響
The effect of blade shape on the efficiency of small hydroelectric generator
指導教授： 周榮華
JHOU, Rong-Hua
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 工程科學系
Department of Engineering Science
論文出版年： 2014
畢業學年度： 102
語文別： 中文
論文頁數： 86
中文關鍵詞： 卡普蘭式水輪機 、水力發電 、田口方法 、葉片
外文關鍵詞： Kaplan turbine, hydraulic generator, Taguchi method, blades
相關次數： 點閱：116  下載：11 
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報

    • 水力發電是利用河流、湖泊及水庫等位於高處具有位能或者具有動能的水流至低處，將所含有的能量轉換成水輪機的動能，再藉由水輪機的原動力，轉動發電機使機械能轉為電能。故水力發電是將水的位能或動能轉變為機械能，再轉變為電能的過程。即以水的能量，有效利用流體力學及機械物理等，以產生所需之電量，提供人們無污染的電力。
    常見水力發電之水輪機中，主要可分為卡普蘭式水輪機(Kaplan turbine)以及佩爾托式水輪機(Pelton turbine)，其中卡普蘭式較適合低水位落差，且效率較為高。本研究之目的在於研製一小型水力發電系統，期能以最少的水量帶動水輪機葉片使發電機發電，並且以小負載照明設備進行照明或是平時儲存電力，使之可運用於高低水位落差的地形環境，例如:都市高樓排水系統等，將地形環境造成的能量耗損回收利用。
    研究主要分兩個項目，即發電機構本體及葉片外型的設計。葉片外型設計的部分則先透過速度三角形理論並配合田口方法，進行葉片之設計，接著利用數值模擬軟體以及實驗找出較高性能之葉片外型。發電機構本體設計部分則參考永磁式發電機的結構，將內部單層磁石轉子設計成以定子線圈為中央之內外兩層磁石轉子，使發電機在有限的空間下發電效率能提升，而能於最小流量下發電。
    本研究使用田口實驗設計的L9直交表作實驗，依葉片數量、葉片角度、葉片直徑及輪轂直徑作為控制因子，三水準，並定義發電量為品質特性，其理想機能採取望大作為指標，依實驗的結果找出能使發電機達到最大機電轉換效率的原始葉片設計，使水流量在不變的情況下，進一步提升機電轉換效率。
    透過數值模擬及配合田口實驗，依葉片數量、葉片角度、葉片直徑、及輪轂直徑作為控制因子，並使用L9直交表作為實驗的最佳分析組合結果可知：在葉片數量多、葉片角度小的葉形具有較佳之發電效率，葉片角度較大之葉片的漏流現象較嚴重。本研究中經由田口分析機電轉換效率較佳之葉片，水流量達2.5m3/hr，轉速為600rpm時，可以點亮80顆白光砲彈型LED。流量為4 m3/hr，轉速為1100 rpm時，會有最大之發電功率0.31 W左右，機電轉換效率為18.3%。

    Turbines are widely used in hydropower generations and can be categorized into Pelton and Kaplan types. Kaplan turbines are usually used in low-head applications and are more efficient than the other type. In this thesis, a small hydraulic power generator of Kaplan type for driving LEDs is designed, implemented and tested. The turbines are designed based on the theory of velocity triangle, and then the efficiency is examined by both simulations and Taguchi method. According to the principle of
    the generator, a high-speed generator using permanent magnets with a small and
    simple structure and low cost is developed.
    The results show that the optimized blade with a smaller blade angle and a smaller
    number of blades performs better whereas that the leakage flow with a larger blade
    twist angle is more serious. When the flow rate is 2.5 m3/hr, the rotation speed of the
    blades reaches 800 rpm, and the generator can produce enough power to drive 80 small white LEDs. Finally, when the flow rate is 4 m3/hr, the rotation speed of the blades reaches 800 rpm, the maximum power is 0.31 W, and the total efficiency is 18.3%.

    目錄 摘要…………………………………………………………………………………………………………………………………………………I Extended Abstract………………………………………………………………………………………………………III 致謝………………………………………………………………………………………………………………………………………………VI 目錄……………………………………………………………………………………………………………………………………………VII 表目錄……………………………………………………………………………………………………………………………………………XI 圖目錄…………………………………………………………………………………………………………………………………………XII 符號說明……………………………………………………………………………………………………………………………………XVI 緒論……………………………………………………………………………………………………………………………1 1-1 前言………………………………………………………………………………………………………………………………………1 1-2 研究動機與目的…………………………………………………………………………………………………………………2 1-3 文獻回顧………………………………………………………………………………………………………………………………3 1-4 研究流程……………………………………………………………………………………………………………………………19 水輪機及發電機之原理與型式………………………………………………………………………20 2-1 前言…………………………………………………………………………………………………………………………………20 2-2 水輪機之原理…………………………………………………………………………………………………………………20 2-2-1 水輪機之形式…………………………………………………………………………………………21 2-3 發電機之原理……………………………………………………………………………………………………………………23 2-3-1 同步發電機之形式…………………………………………………………………………………24 2-3-2 永磁式發電機…………………………………………………………………………………………25 2-3-3 永久磁石………………………………………………………………………………………………………………………25 2-3-4 發電機性能測試…………………………………………………………………………………………………………26 2-3-5 最大功率傳輸定理………………………………………………………………………………………………………27 葉片設計理論與田口方法……………………………………………………………………………………29 3-1 前言……………………………………………………………………………………………………………………………………29 3-2 葉片設計之基本原理………………………………………………………………………………………………………29 3-3 葉片設計之參數………………………………………………………………………………………………………………31 3-4 實驗設計法………………………………………………………………………………………………………………………34 3-4-1 田口方法簡介………………………………………………………………………………………………………34 3-4-2 因子種類………………………………………………………………………………………………………………35 3-4-3 直交表……………………………………………………………………………………………………………………36 3-4-4 訊號及雜訊比………………………………………………………………………………………………………36 3-4-5 因子反應分析………………………………………………………………………………………………………38 3-4-6 變異分析………………………………………………………………………………………………………………39 數值模擬及理論……………………………………………………………………………………………………42 4-1 前言……………………………………………………………………………………………………………………………………42 4-2 邊界條件之設定……………………………………………………………………………………………………………42 4-3統御方程式…………………………………………………………………………………………………………………………43 4-4 數值方法及基本假設………………………………………………………………………………………………………45 4-4-1幾何模型之建立………………………………………………………………………………………45 4-4-2 數值網格切割…………………………………………………………………………………………45 4-4-3邊界條件之設定………………………………………………………………………………………48 4-4-4流場模型之選用………………………………………………………………………………………49 4-4-4-1紊流模型…………………………………………………………………………49 4-4-4-2壁面函數…………………………………………………………………………50 實驗方法與設備…………………………………………………………………………………………………54 5-1 實驗流程與方法………………………………………………………………………………………………………………54 5-2實驗模型………………………………………………………………………………………………………………………………55 5-2-1葉片模型……………………………………………………………………………………………………55 5-2-2 發電機機構設計…………………………………………………………………………………57 5-2-3橋式整流電路設計…………………………………………………………………………………58 5-2-4 發電系統與測試設備……………………………………………………………………………59 5-2-5 測試設備………………………………………………………………………………………………60 5-3 田口分析……………………………………………………………………………………………………………………………63 結果與討論……………………………………………………………………………………………………………65 6-1 前言……………………………………………………………………………………………………………………………………65 6-2 葉片表面壓力分佈及模擬結果之比較………………………………………………………………………65 6-3小型水力發電系統測試結果之探討………………………………………………………………………………67 6-3-1田口分析初步結果………………………………………………………………………………………………………67 6-3-2 控制因之變異分析…………………………………………………………………………………………70 6-3-3 模擬值與實驗值之誤差探討………………………………………………………………72 6-4 最佳化葉片發電效率提升之比較…………………………………………………………………………………73 6-4-1水力發電機於不同流量下發電量之比較………………………………………………73 6-4-2水力發電機於不同流量之定負載發電功率測試………74 6-4-3水力發電機之水輪機理論功率………………………………………76 6-4-4 水力發電機之機電轉換效率……………………………………………………………………………………79 結論與未來建議……………………………………………………………………………………………………80 7-1結論……………………………………………………………………………………………………………………………………………………80 7-2未來建議………………………………………………………………………………………………………………………………81 參考文獻………………………………………………………………………………………………………………………………………83 表目錄 表1-1 三種不同進出口角度葉片一欄表 [13]………………………………………………………………14 表1-2 擬穩態模擬之扭力計算及實驗結果 [9]………………………………………………………………15 表1-3 擬穩態模擬之推力計算及實驗結果 [9]………………………………………………………………15 表3-1 田口直交表[28]…………………………………………………………………………………………………………34 表5-1 實驗控制因子及水準配置…………………………………………………………………………………………64 表5-2 葉片角度組合一欄表…………………………………………………………………………………………………64 表5-3 L9直交表………………………………………………………………………………………………………………………64 表6-1 葉片表面模擬流動功率值…………………………………………………………………………………………66 表6-2 發電量實驗規劃及實驗數據……………………………………………………………………………………68 表6-3 S/N比控制因子反應表………………………………………………………………………………………………69 表6-4 品質特性控制因子反應表…………………………………………………………………………………………70 表6-5 輸出功率初步變異分析………………………………………………………………………………………………71 表6-6輸出功率二次變異分析…………………………………………………………………………………………………72 表6-7 各組葉片模擬值與實驗值一欄表……………………………………………………………………………73 表6-8 兩組葉片控制因子………………………………………………………………………………………………………75 圖目錄 圖1-1 低轉速輪軸發電機結構圖(a)剖面圖(b)側視圖[1]…………………………………………4 圖1-2 非對準位磁力線模擬圖[1]…………………………………………………………………………………………4 圖1-3 行星式軸向磁通發電機構圖[2]………………………………………………………………………………5 圖1-4 微型無鐵芯發電機結構圖[3]……………………………………………………………………………………6 圖1-5 微型無鐵芯發電機之定子與轉子結構圖[3]…………………………………………………………6 圖1-6 輸出功率與轉速圖[3]…………………………………………………………………………………………………6 圖1-7 無鐵芯發電機結構圖[4]……………………………………………………………………………………………7 圖1-8 線圈纏繞方式(a)波繞式(b)疊繞式[4]………………………………………………………………8 圖1-9 Well Turbine模型圖[6]………………………………………………………………………………………9 圖1-10 Flow Coefficient與壓力差圖[6]…………………………………………………………………9 圖1-11 流體流經葉片之現象(a)葉片根部(b)葉片中段(c)葉片頂部[6]……………10 圖1-12 小型水力發電機機構圖[12]…………………………………………………………………………………12 圖1-13 不同葉片數量之數值模擬圖(a) 7片葉片(b) 9片葉片[12]……………………12 圖1-14 不同葉片型態之數值模擬圖(a)曲面(b)直面[12]………………………………………13 圖1-15 三種不同角度葉片(a)small type(b)mid type(c)large type[13]……………………………………………………………………………………………………………………………………14 圖1-16 螺旋槳結圖[14]………………………………………………………………………………………………………15 圖1-17 (a)無導流葉片(b)加裝導流葉片[15]……………………………………………………………16 圖1-18 軸流風機效率變化趨勢圖[15]……………………………………………………………………………16 圖1-19 測試葉片結構 (a)radial type (b)forward type (c)backward type [16]…………………………………………………………………………………………………………………………………17 圖1-20 葉片模擬結果 (a)radial type (b)forward type (c)backward type [16]…………………………………………………………………………………………………………………………………18 圖1-21 網格品質與模擬結果圖 [17]………………………………………………………………………………19 圖1-22 流體流經葉片之現象圖 [18]………………………………………………………………………………20 圖2-1 佩爾托式水輪機結構圖[19]……………………………………………………………………………………22 圖2-2 佩爾托式水輪機結構剖面圖[19]…………………………………………………………………………22 圖2-3 卡普蘭水輪機葉片結構圖[21]………………………………………………………………………………23 圖2-4 卡普蘭式水輪機結構剖面圖[19]…………………………………………………………………………23 圖2-5 永磁發電機結構圖………………………………………………………………………………………………………25 圖2-6直流馬達連結發電機測試設備……………………………………………………………………………………26 圖2-7 直流馬達連結發電機局部示意圖……………………………………………………………………………26 圖2-8無載測試之轉速與峰對峰值電壓圖……………………………………………………………………………27 圖2-9 最大功率傳輸定理等效電路圖…………………………………………………………………………………28 圖3-1 速度三角形[13]…………………………………………………………………………………………………………30 圖3-2 葉片設計(a)mid-type(b)small-type(c)large-type……………………33 圖4-1 葉片模型計算區域………………………………………………………………………………………………………45 圖4-2立體網格類型[29]………………………………………………………………………………………………………46 圖4-3 數值模擬網格與葉片進出口靜壓差分布圖…………………………………………………………48 圖4-4 壁面函數簡化與細網格之處理示意圖[29]…………………………………………………………51 圖4-5 臨近壁面區之流體分佈圖[30]………………………………………………………………………………51 圖5-1 實驗流程圖……………………………………………………………………………………………………………………54 圖5-2 3D Printer[35]……………………………………………………………………………………………………56 圖5-3 3D列印葉片實體模型(a)mid-type(b)small-type(c)large-type……………………………………………………………………………………………………………………………………………56 圖5-4 雙層磁石轉子配置圖…………………………………………………………………………………………………57 圖5-5 定子線圈配置圖…………………………………………………………………………………………………………57 圖5-6 發電機本體組合圖………………………………………………………………………………………………………57 圖5-7 橋式整流電路圖……………………………………………………………………………………………………………58 圖5-8 發電系統測試架構………………………………………………………………………………………………………59 圖5-9 系統測試設備流程………………………………………………………………………………………………………60 圖5-10 儲水槽…………………………………………………………………………………………………………………………60 圖5-11 抽水馬達……………………………………………………………………………………………………………………61 圖5-12 中段之節流閥及壓力量錶………………………………………………………………………………………61 圖5-13 流量計…………………………………………………………………………………………………………………………62 圖5-14 輸送管路……………………………………………………………………………………………………………………62 圖5-15 葉片測試管路……………………………………………………………………………………………………………63 圖5-16 Tektronix示波器…………………………………………………………………………………………………63 圖6-1 表面壓力分佈圖…………………………………………………………………………………………………………66 圖6-2 控制因子對S/N比之反應圖……………………………………………………………………………………68 圖6-3控制因子對品質特性之反應圖……………………………………………………………………………………69 圖6-4 最佳化葉片……………………………………………………………………………………………………………………71 圖6-5 第七組葉片……………………………………………………………………………………………………………………71 圖6-6 流動功率分佈圖……………………………………………………………………………………………………………73 圖6-7 流量與發電量比較………………………………………………………………………………………………………74 圖6-8 流量與發電機功率關係………………………………………………………………………………………………75 圖6-9 裝載最佳葉片之發電機點亮白光砲彈型LED………………………………………………………75 圖 6-10 流量與轉速關係………………………………………………………………………………………………………76 圖6-11 流量與速度關係…………………………………………………………………………………………………………77 圖6-12 H_e與流量之關係……………………………………………………………………………………………………78 圖6-13 水輪機理論功率與流量關係…………………………………………………………………………………78 圖6-14 不同葉形於不同流量之機電轉換效率…………………………………………………………………79

    [1] 林肯編，低轉速輪軸發電機之研發，逢甲大學電機工程學系碩士論文，2005
    [2] 季宏，高功率行星式發電機構之研製與應用研究，崑山科技大學碩士論文，光電工程研究所，2011
    [3] D. A. Howey, A. Bansal, and A. S. Holmes, Design and Performance of A Centimeter - Scale Shrouded Wind Turbine for Energy Harvesting, Smart Material and Structures, vol. 20, pp.085021, 2011.
    [4] 楊文政，小型水力發電機之研製，成功大學工程科學系碩士論文，2012
    [5] J. K. Watterson and S. R. Raghunathan, Investigation of Wells Turbine Performance Using 3-D CFD, Proceedings of the 31st Intersociety, vol.3, pp.1777-1782, 1996.
    [6] L. M. C. Cato and A. F. deo. falco, Aerodynamics of the Wells Turbine, International Journal of Mechanical Sciences, vol.30, pp.383-395, 1988
    [7] C. Li, S. L. Wang and Y. Jia, The Performance of a Centrifugal Fan with Enlarged Impeller, Energy Conversion and Management, vol.52, pp.2902-2910, 2011
    [8] H. Wu, R. L. Miorini, D. Tan and J. Katz, Turbulence within the Tip-leakage Vortex of an Axial Waterjet Pump, AIAA Journal, vol.50, 2012
    [9] ZHANG Li, JIN Yingzi , JIN Yuzhen, Effect of Tip Flange on Tip Leakage Flow of Small Axial Flow Fans, Journal of Thermal Science Vol.23, 2014
    [10] J. Maunus, S. Grace, D. Sondak and V. Takhot, Characteristics of Turbulence in a Turbofan Stage, ASME Journal of Turbomachinery, vol.135,2013
    [11] 孟德化，軸流式風扇葉片設計，成功大學航太工程學系碩士論文，1995
    [12] 陳朝憶，水力動力LED照明技術之研究，成功大學工程科學系碩士論文，2007
    [13] 陳正隆，小型水力發電機之研究，成功大學工程科學系碩士論文，2013
    [14] 傅慧萍，船槳整體及螺旋槳誘導的船體表面脈動壓力計算，哈爾濱工程大學學報，第30卷第7期，2009
    [15] Z. M. Ye and T.T. Zhu, Reasearch of Guide Vane Proposals for the Single-stage Axial-flow Fans Used in the Large Generator, IEEE International Conference, SUPERGEN, 2009
    [16] J. Hurault, S. Kouidri and F. Bakir, Experimental Ivestigations on Wall Pressure Measurement on The Blade of Axial Fans, Journal of Experimental Thermal and Fluid Science, vol.40, pp.29-37, 2012
    [17] J. D. Denton, Some Limitations of Turbomachinery CFD, Proceedings of ASME Turbo Expo 2010: Power for Land, Sea and air, GT2010-22540, 2010
    [18] K. Takeishi, M. Matsuura, S.Aoki, and T. Santo, An Experimental Study of Heat Transfer and Flim Cooling on Low Aspect Ratio Turbine Nozzles, ASME, Journal of Turbomachinery, pp.488-496, 1990
    [19] G. Krivchenko,Hydraulic machines;turbines and pumps 2^nd , Lewis Publishers, 1994.
    [20] Ir. Granet,P.E., Fluid Mechanics 4^nd,Prentice Hall,1996

    [21] S.L.Dixon and C.A.Hall,Fluid Mechanics and Thermodynamics of Turbomachinery 6^nd,Elsevier,2010
    [22] 古正信，電工機械(電機機械)，志光教育文化出版社，2012
    [23] 黃昌圳、王孟輝、鄭進興、鄭世平、曾文森，電機機械，高立圖書有限公司，2006
    [24] 蕭進松、謝承達，電機機械，全華科技圖書，2007
    [25] A. J. Stepanoff, Centrifugal and Axial Flow Pumps: Theory, Design, and Application 2^nd, John Wiley and Sons, 1957.
    [26] B. Eck, Fans, Pregamon Press, New York, 1973.
    [27] 林志遠，軸流風扇的性能提升設計與測試，成功大學航太工程學系碩士論文，1997
    [28] 李輝煌，田口方法-品質設計的原理與實務，高立圖書有限公司，2012
    [29] Huei - Huang Lee,Finite Element Simulations with ANSYS Workbench 14 Theory-Applications-Case Studies,2013
    [30] ANSYS Fluent 12.0 Theory Guide, 2009
    [31] D. Choudhury, Introduction to the Renormalization Group Method and Turbulence Modeling, Fluent Inc. Technical Menorandum, TM-107, 1993.
    [32] B. Kader, Temperature and Concentration Profiles in Fully Turbulent Boundary Layers, Int. Journal of Heat Mass Transfer, vol. 24, pp.1541-1544, 1981.
    [33]F. White and G. Ghristoph, A Simple New Analysis of Compressible Turbulent Skin Friction Under Arbitrary Condition, Technical Report AFFDL-TR-70-133, 1971.

    [34] P. Huang, P. Bradshaw, and T. Coakley, Skin Friction and Velocity Profile Family for Compressible Turbulent Boundary Layers, AIAA Journal, vol.33, pp.1600-1604, 1993.

    [35] www.mcad.com

    [36] Austin Hughes and Bill Drury, Electric Motors and Driver 4^nd : Fundamentals,Type,and Applications,Elsevier,2013

    下載圖示 校內：2019-09-02公開
    校外：2019-09-02公開
    QR CODE