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研究生: 鍾昆翰
Chung, Kun-Han
論文名稱: 微型渦輪發電系統用於無人載具之可行性評估
The Feasibility Assessment of Micro Turbine Generator System Apply to Unmanned Vehicles
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: 2021
畢業學年度: 109
語文別: 中文
論文頁數: 125
中文關鍵詞: 微型氣渦輪渦輪軸發動機微型渦輪發電無人飛行載具
外文關鍵詞: micro turbine generator, turboshaft engine, unmanned vehicles, drone
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  • 無人飛行載具除休閒娛樂外,其在許多領域上皆有大規模應用案例,然對於以電池為主要動力的大多數機種而言,電池的性能成為一重大瓶頸。目前市面上多旋翼無人載具滯空時間約25 min左右,大型植保機則多落於10~15 min上下,如何提升續航力成為該領域長期探討的議題。吾人認為結合石化燃料的混合動力系統有利於無人載具在如起飛重量及滯空時間等特定指標的性能提升,以擴展應用領域及增加使用效益。
    本研究為微渦輪發電系統發展計畫載具動力分支的先導技術評估,目標為設計製造一適配於無人載具之微渦輪發電系統。吾人將使用KingTech的K60-TP渦輪軸發動機作為動力核心並選配合適的發電機以開發相關配套技術。現階段以地面機台測試為主,旨在了解發動機運轉特性與發電輸出表現,判斷發電系統是否符合性能需求?
    分析實驗數據可知,當永磁無刷馬達做為發電機運用時,其馬達速度常數K_V會隨著發電功率上升而增加,於本研究最高功率輸出時約為標稱值1.4倍。實驗結果顯示於核心渦輪轉速160,000 rpm下,系統可輸出42.4 V、110 A,功率最高達4.6 kW,符合設定案例的起飛懸停功率需求,系統比滯空為153.51 s/kg,熱效率2.6 %,滯空時間從鋰電池10 min增加至發電系統22 min,大幅增加1倍以上。續航力分析方面,以5 kg燃油酬載計算每提升1 %熱效率則可增加約43 %續航時間。至此吾人可宣稱微渦輪發電系統用無人載具能源提供於理論及工程上皆為一可行方案。

    In addition to leisure and entertainment, unmanned aerial vehicles have widely applications in many fields. However, for most models that use batteries as their main power, battery performance becomes a major bottleneck. For the consumer drone on the market, the endurance is about 25 minutes, while that of the agricultural spraying drone usually falls within 10-15 minutes. How to improve the endurance has become a long-term topic in this field. It is believed that the hybrid power system is conducive to the performance improvement of unmanned vehicles, so as to expand the application field and increase the utilizations efficiency.
    The goal of this research is to design and manufacture a micro-turbine power generation system suitable for unmanned vehicles. K60-TP turboshaft engine is used as main power source, and appropriate generators is selected to develop related supporting technologies. The ground-based testing is mainly used to understand engine operating characteristics and power generation performance, and to determine whether the system meets performance requirements.
    According to the experimental results, the system can generate 42.4 V, 110 A at the core turbine speed of 160,000 rpm, power output is up to 4.6 kW. The system's specific endurance is 153.51 s/kg, thermal efficiency is 2.6189 %, and the endurance is increased from 10min for lipo batteries to 22 min for the power generation system, which is more than doubled. In the end, it is concluded that the micro turbine generator system apply to unmanned vehicles power supply is a feasible solution in both theory and engineering.

    中文摘要 I Extended Abstract II 致謝 VI 目錄 VII 圖目錄 X 表目錄 XV 符號及縮寫說明 XVII 第一章 緒論 1 1-1前言 1 1-2研究動機 2 1-3研究目的 5 1-4文獻回顧 6 第二章 基礎理論分析 17 2-1氣渦輪機理想熱循環原理 17 2-2轉動軸輸出分析 26 2-3基礎發電機分析 27 2-4電力系統分析 31 第三章 實驗規劃、設計與流程 36 3-1實驗規劃 36 3-2實驗目標想定 37 3-3系統設計 40 3-3-1發電系統 43 3-3-2量測系統 48 3-3-3負載系統 50 3-4實驗流程 52 3-4-1實驗步驟 52 3-4-2實驗操作問題及故障排除 58 第四章 實驗設備與儀器 61 4-1發電機組 62 4-1-1微型燃氣渦輪軸發動機 62 4-1-2無刷發電機 65 4-1-3整流器 66 4-1-4聯軸器 67 4-2量測設備 69 4-2-1扭矩感測器 69 4-2-2溫度感測器 70 4-2-3轉速感測器 71 4-2-4功率分析儀 73 4-2-5風速計 74 4-3負載設備 75 4-3-1電子負載機 75 4-3-2涵道導風扇 76 4-3-3電子變速器 77 4-3-4電熱管 78 4-4其他設備 79 4-4-1遙控器及接收機 79 4-4-2電池 80 4-4-3燃料 81 4-4-4超音波對心儀 82 第五章 結果與討論 83 5-1實驗數據分析 83 5-1-1核心轉速55,000 rpm 84 5-1-2核心轉速70,000 rpm 86 5-1-3核心轉速80,000 rpm 88 5-1-4核心轉速90,000 rpm 90 5-1-5核心轉速100,000 rpm 92 5-1-6核心轉速110,000 rpm 94 5-1-7核心轉速120,000 rpm 96 5-1-8核心轉速130,000 rpm 98 5-1-9核心轉速140,000 rpm 100 5-1-10核心轉速150,000 rpm 102 5-1-11核心轉速160,000 rpm 104 5-2實驗結果及討論 106 5-2-1系統輸出表現 106 5-2-2輸出適配性分析 109 5-2-3續航適配性分析 112 第六章 結論與未來展望 117 6.1結論 117 6.2未來工作及展望 119 參考文獻 121

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