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研究生：	廖智群 Liao, Chih-Chiun
論文名稱：	微型渦輪發電系統測試與驗證研究 Design and Verification of Micro Turbine Power Generator System
指導教授：	賴維祥 Lai, Wei-Hsiang
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：	2013
畢業學年度：	101
語文別：	中文
論文頁數：	82
中文關鍵詞：	氣體產生器、動力渦輪、渦輪增壓器、高轉速發電機
外文關鍵詞：	Gas Generator, Power Turbine, Turbocharger, High -Speed Generator
相關次數：	點閱：147 下載：9
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本研究主要為建立一組微型渦輪引擎發電機系統，利用TF-035渦輪增壓器來建立氣體產生器，並在後端加裝TD-08動力渦輪來帶動高速發電機。發電機部分使用本實驗室自行製作的高速型發電機。由於渦輪擎幾何尺寸越小，其運轉的速度就越高，微型渦輪一般的轉速都高達每分鐘十餘萬轉，而目前的發電機並無法承受如此高的轉速。因此本系統採用幅流式動力渦輪的方式連接發電機，不與氣體產生器同軸，以降低發電機轉速，且可隔離渦輪排出的高溫氣體。
本實驗的微型渦輪轉速最高可達每分鐘175,000轉，利用連接動力渦輪的方式，成功將發電機轉速降低至每分鐘40,000轉左右，且在全轉速運轉下，動力渦輪並不會影響前段氣體產生器的性能。利用電子負載機在定電流6安培的設定下，產生最高發電量為260W。驗證了微型渦輪引擎加裝動力渦輪發電的可行性。

The purpose of this research is to establish the micro gas generator by using turbocharger. This system combined a power turbine and a high speed generator. The power turbine is driven by the high exhaust gas temperature from the micro gas generator.
Due to the small size of the gas generator (compressor diameter = 1.5 inch), the operating speed is very high, usually up to 100,000RPM.The generator cannot afford such a high speed. Therefore, this system use the power turbine to drive the generator. This design will not only reduce the generator speed, but also isolate the heat from exhaust gas.
In this study, gas generator was built and ignited successfully. The turbine speed can be achieved175,000 RPM and the power turbine speed 41,000 RPM. The installation of power turbine does not affect the gas generator. The generator could provide 260 Watt when the current is set at 6 Amps. It successfully prove the feasibility of micro turbine power generator.

目錄
簽署人須知	I
摘要	III
ABSTRACT	IV
致謝	V
目錄	VI
圖目錄	VIII
表目錄	XII
符號說明	XIII
下標	XIV
第一章緒論	1
1-1 前言	1
1-2研究動機與目的	4
1-3 文獻回顧	5
第二章系統規劃與設計流程	9
2-1 系統概念設計	9
2-2 系統架設	10
2-3 氣體產生器設計	12
2-3-1渦輪增壓器	12
2-3-2 燃燒室設計	14
2-3-3 燃燒室修改	15
2-3-4 連接管件	17
2-4 動力渦輪選用	18
2-5 高轉速發電機	19
第三章理論分析	23
3-1氣體產生器理想熱循環	23
3-2 氣體產生器性能理論分析	27
3-3 系統性能模擬分析	29
第四章實驗儀器與設備	36
4-1 測試平台	36
4-1-1氣體產生器	36
4-1-2 動力渦輪	37
4-1-3 發電機	38
4-2 量測設備	40
4-2-1 溫度量測設備	40
4-2-2 壓力量測設備	41
4-2-3 轉速量測	42
4-2-4 燃油流量計	42
4-2-5數據擷取系統	43
4-3 其他設備	45
4-3-1 滑油冷卻系統	45
4-3-2 電子點火器	46
4-3-3 供油設備	47
4-3-4 霧化噴頭	49
4-3-5 電子負載機	50
4-4 整體設備組裝圖	50
第五章 實驗步驟與方法	51
5-1氣體產生器操作程序	51
5-2氣體產生器故障排除	53
5-3氣體產生器運轉測試	54
第六章結果與討論	57
6-1氣體產生器性能分析	57
6-2 動力渦輪性能測試	63
6-3 發電機性能測試	69
第七章結論與未來工作	77
7-1結論	77
7-2 未來工作	78
參考文獻	80
自述	82
 
圖目錄
(圖1-1) 2002年微型渦輪發電技術發展狀態	2
(圖1-2) 65KW 渦輪發電機組	4
(圖1-3) ABB MT100熱循環圖	6
(圖1-5) MTT 發電系統之熱散失百分比	7
(圖1-6) 渦輪轉子與動力渦輪轉速	7
(圖2-1) 整體系統規劃	10
(圖2-2) 系統各站位定義	11
(圖2-3) 氣體產生器概念圖	12
(圖2-4) TF-035渦輪增壓器	13
(圖2-5) 燃燒室孔口分配比例	14
(圖2-6) 燃燒室照片	15
(圖2-7) 駐焰器擋板外型圖	16
(圖2-8) 修改後燃燒室	16
(圖2-9) 燃燒室剖面圖	17
(圖2-10) 氣體產生器零組件	17
(圖2-11) 組裝完成後	18
(圖2-12) 動力渦輪與轉接段	19
(圖2-13) 發電機磁極排列	20
(圖2-14) 發電機線圈繞組	20
(圖2-15) 轉子套筒	21
(圖2-16) MAGNEFORCE模擬軟體	21
(圖2-17) 發電機發電量模擬	22
(圖3-1) 理想布雷登熱循環圖	23
(圖3-2) 增加動力渦輪後P-V圖	24
(圖3-3) 引擎模擬選用之模型	30
(圖3-4) 引擎模擬條件輸入	30
(圖3-5) GT1544 COMPRESSOR MAP	31
(圖3-6) GARRETT GT1544 TURBINE MAP	32
(圖3-7) GARRETT GT3788R TURBINE MAP	32
(圖3-8) GASTURB 11程式模擬結果	34
(圖3-9) GASTURB 11模擬P-V圖	34
(圖3-10) GASTURB 11模擬T-S圖	35
(圖4-1) 氣體產生器與支撐架	36
(圖4-2) 氣體產生器安裝完成後	36
(圖4-3) TD-08動力渦輪	37
(圖4-4) 動力渦輪連接圖	37
(圖4-5) 發電機定子實體圖	38
(圖4-6) 發電機轉子實體圖	38
(圖4-7) 三相整流器電路圖	39
(圖4-8) 三相整流器實體圖	39
(圖4-9) 燃燒室後熱電偶位置	40
(圖4-10) 電子顯示器	40
(圖4-11) NOSHOK 100 SERIES壓力感測器	41
(圖4-12) RPM SENSOR	42
(圖4-13) LS4976-430A流量計	43
(圖4-14) SCB-68擷取盒	43
(圖4-15) 數據擷取系統	44
(圖4-16) LABVIEW程式介面	44
(圖4-17) 滑油供給系統與風扇	45
(圖4-18) 點火系統	46
(圖4-19) CR7E火星塞	46
(圖4-20) ESC 電子變速器與伺服馬達控制器	47
(圖4-21) 主供油馬達	47
(圖4-22) 供油壓力錶頭	47
(圖4-23) 供油設備圖	48
(圖4-24) 燃油霧化噴頭	49
(圖4-25) 1KW 電子負載機	50
(圖4-26) 整體設備圖	50
(圖5-1) 首次運轉T4&T5站位溫度圖	54
(圖5-2) 新燃燒室設計T4&T5站位溫度圖	55
(圖5-3) TIT & EGT& RPM關係圖	56
(圖5-4) T3 & PR壓縮比關係圖	56
(圖6-1) TF035氣體產生器在不同轉速下之壓縮比	58
(圖6-2) TF035氣體產生器在不同轉速下之油耗	58
(圖6-3) TF035氣體產生器在不同轉速下之質流率	59
(圖6-4) TF035氣體產生器在不同轉速下之TIT溫度	59
(圖6-5) TF035氣體產生器在不同轉速下之EGT尾溫	60
(圖6-6) 怠速與全轉速下之PV圖	60
(圖6-7) TF035氣體產生器與動力渦輪TD-08對應轉速圖	63
(圖6-8) 加動力渦輪TD-08後轉速與壓縮比關係圖	63
(圖6-9) 加動力渦輪TD-08後轉速與TIT溫度關係圖	64
(圖6-10) 加動力渦輪TD-08後轉速與EGT溫度關係圖	64
(圖6-11) TF-035氣體產生器配TD-08動力渦輪後P5站位壓縮比	65
(圖6-12) TD-08氣體產生器配TD-08動力渦輪後P5站位壓縮比	65
(圖6-13) 不同轉速與壓縮比比較圖	66
(圖6-14) 不同轉速與T4溫度比較圖	66
(圖6-15) 不同轉速與EGT溫度比較圖	67
(圖6-16) 加裝動力渦輪前後全轉速下之PV圖	67
(圖6-17) 不同負載下動力渦輪與氣體產生器轉速關係	69
(圖6-18) 不同負載下壓縮比與轉速關係	70
(圖6-19) 不同負載下燃燒室出口溫度	70
(圖6-20) 不同負載下渦輪出口溫度	71
(圖6-21) 不同負載下動力渦輪出口溫度	71
(圖6-22) 定電流4安培轉速與電壓關係	72
(圖6-23) 定電流4安培轉速與電壓關係	72
(圖6-24) 定電流6安培轉速與電壓關係	73
(圖6-25) 定電流7安培轉速與電壓關係	73
(圖6-26) 不同負載下轉速與發電量	74
(圖6-27) 不同負載下渦輪轉速與電壓值	75
(圖6-28) 不同負載下渦輪轉速與發電量	76

表目錄
(表2-1) JP-8燃油規格	10
(表2-2) TD-08渦輪增壓器規格	18
(表3-1) 海平面標準大氣條件	27
(表3-2) 渦輪增壓器比較	31
(表3-3) 模擬條件	33
(表4-1) 霧化噴頭流量表	49
(表6-1) 氣體產生器各站位溫度壓力值	61
(表6-2) TF-035 壓縮機與渦輪作功量	61
(表6-2) 加動力渦輪後各站位溫度壓力值	68
(表6-3) 不同負載下之發電量	75
                                    

【1】 W. G.Scott,“Micro-Turbine Generator for Distribution Systems,”IEEE Industry Applications Magazine, Vol. 4, May-June, pp.57-62, 1998.
【2】 S. L.Hamilton,“Project Title: Micro Turbine Generator Program,”Proceedings of the 33rd Annual Hawaii International Conference on System Science, Jan. 4-7, pp.1-4, 2000.
【3】 P. A.Pilavachi,“Mini- and Micro-Gas Turbines for Combined Heat and Power,”Applied Thermal Engineering, Vol.22, pp.2003-2014, 2002.
【4】 http://cogen.aidc.com.tw/mturbine/mtdefault.asp
【5】 Ola Aglén, “A High-Speed Generator for Microturbines”KTH, Royal Institute of Technology.
【6】 W. P. J. Visser, S. A. Shakariyants and M. Oostveen, “Development of a 3 kW Microturbine for CHP Applications,” ASME ,Vol. 133, APRIL 2011
【7】洪偉稜，“高轉速渦輪發電系統之設計與驗證研究”，國立成功大學航空太空工程系碩士論文，2012年6月。
【8】蔡亞融，“無渦輪之微型噴射引擎設計與實驗驗證之研究”，國立成功大學航空太空工程系碩士論文，2011年6月。
【9】李彥慶，“微型渦輪引擎環狀燃燒室設計與實驗驗證之研究”，國立成功大學航空太空工程系碩士論文，2003年6月。
【10】 Jack D. Mattingly, William H. Heiser, Daniel H. Daley,“Aircraft Engine Design,”AIAA-87-1175, 1987.
【11】 Joseph J. Keenan, Jing Chao and Joseph Kaye,“Gas Table : international version : thermodynamic properties of air products of combustion and component gases, compressible flow functions 2nded (SI unit),” Wiley, 1983
【12】 http://www.turbobygarrett.com/turbobygarrett/
【13】龔冠誌，“高轉速發電機設計與研究”，國立成功大學航空太空工程系碩士論文，2011年6月。
【14】高嘉臨，“八十磅級微型渦輪引擎性能分析及測試研究”，國立成功大學航空太空工程系碩士論文，2009年6月。
【15】 Michael J. Moran, Howard N. Shapiro, “Fundamentals of Engineering Thermodynamics,6th Edition,” John Wiley & Sons, INC. 2007

校內：2015-08-16公開
校外：2018-08-16公開

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