論文名稱:八十磅級微型渦輪引擎性能分析及測試研究
Performance Analysis and Test Verification of a Eighty-Pound Grade Micro Gas Turbine Engine
研究生:高嘉臨
Chia-lin Kao
指導教授:賴維祥
Wei-Hsiang Lai
口試委員:洪嘉宏
none
王覺寬
Muh-Rong Wang
郭正山
none
學位類別:碩士
學院:工學院
College of Engineering
系所名稱:航空太空工程學系碩博士班
Department of Aeronautics & Astronautics
畢業學年度:97
學期:2
論文出版年:98
語文別:中文
論文頁數:84
中文關鍵詞:燃燒室、渦輪轉子、壓縮器、微型渦輪引擎、馬赫數
英文關鍵詞:Micro gas turbine engine、Mach number、Turbine、Combuster、Compressor
本研究利用熱力學及空氣動力學的理論公式,以似一維流場方法來分析一具推力H-80八十磅級微型渦輪引擎性能,並詳細探討其理論分析方法與站位計算流程,並以八十磅微型渦輪引擎實體測試數據,驗證性能分析之有效性。引擎全程控制由電子控制單元(ECU)操作,透過ECU數據顯示器,控制不同轉速,並分別量測引擎基本性能參數,如引擎推力(lb)、壓縮比、油耗、燃燒室溫度T4、排氣溫度EGT(℃)、尾管壓力等。在引擎分析方面,首先分析渦輪引擎在設計點轉速及離點轉速下的對應空氣質流量、各站位組件的工作參數及流道數據,進一步計算各站位的流體工作馬赫數,並求得各站位的流體熱力性質。在引擎量測方面,根據分析計算的站位結果比照實體站位所量測的數據,驗證引擎理論分析架構及各站位估計的組件工作效率。八十磅級微型渦輪引擎量測實驗證明,推力在93000rpm設計點下可達80磅足推力,壓縮比為3.49,壓縮器及渦輪的效率分別是67%跟80%,燃燒室的壓力降在設計點為2.3%,TSFC值為1.5。
The purpose of this research is to analyze the performance of an eighty-pound micro gas turbine engine. With FADEC electrical control, it shows the basic engine test data, such as thrust, exhaust temperature and rpm were examined also. The turbine engine type is H-80. With quasi-one-dimensional, aerothermodynamics theory analysis, the station Mach number of turbine engine can be calculated. The experiment of this research is to measure the engine mass flow, station fluid property, combustion T4, engine fuel consumption at design point and off-design point. According to the measurement, verify the theoretical property of each station, Mach number and turbine engine efficiency. The engine design point is 93000rpm ,thrust 81.42lb ,compressor pressure ratio 3.49 ,efficiency 67% ,combustor pressure drop 2.3% , turbine efficiency 80% and TSFC 1.5.
目 錄
中文摘要 …………………………………………………………………...I
英文摘要 …...........................................…………………………………..II
誌謝 ....................................................................................................III
目錄 ...................................................................................................IV
表目錄 ..................................................................................................VII
圖目錄 .................................................................................................VIII
符號 ………………………………………………………………..XII

第一章 緒 論 2
1.1 前言 2
1.2 微型渦輪引擎發展回顧 3
1.3 研究動機與目的 6
第二章 理論分析與計算方法 8
2.1 微型渦輪引擎設計規格 8
2.2 微型渦輪引擎理想循環(Brayton Cycle) 9
2.3 各站位氣動力分析 10
2.3.1 微型渦輪引擎轉子核對 10
2.3.2 壓縮器進出入口特性分析 11
2.3.3 擴散器特性分析 14
2.3.4 燃燒室的特性分析 15
2.3.5 渦輪段特性分析 16
2.3.6 尾管噴嘴特性分析 19
2.4 離點引擎性能分析 20
2.4.1 離點理論計算參數輸入 20
2.4.2 離心式壓縮器特性圖 21
2.4.3 渦輪轉子特性圖 22
2.4.4 離點引擎性能分析結果 22
第三章 實驗儀器設備 23
3.1 試車台(Test Stand) 23
3.2 電子控制單元(Electronic Control Unit) 23
3.3 起動馬達 24
3.4 點火系統 25
3.5 煤油啟動模組 25
3.6 主燃油幫浦 26
3.7 推力量測系統 27
3.8 轉速量測系統 27
3.9 溫度量測系統 28
3.10 壓力量測系統 28
第四章 引擎試車安全性步驟 29
4.1 微型渦輪引擎測試安全檢查程序 29
4.2 引擎故障排除 32
第五章 實驗方法與測試結果 34
5.1 渦輪引擎站位量測點設置 34
5.2 H-80實體運轉測試 34
5.3 實體站位溫度量測結果 35
5.4 實體站位壓力量測結果 36
5.5 渦輪引擎性能實體分析結果與討論 36
第六章 結論與未來工作 40
6.1 結論 40
6.2 未來工作 41
【1】 Batt, G., “Jet Flight Triumph,” Radio Control Modeler , pp. 148-150, September 1983.
【2】 Barrie, D. N., “Turbo Jet,” Radio Control Modeler, pp. 222-226, December 1988.
【3】 Harris, M. M. and Jones, A. C. and Alexander, E. J., “Miniature Turbojet Development At Hamilton Sundstrand,” AIAA 2003-6568, 2003.
【4】 Kovasity, Joseph J., Brooks, Vern E. “Turbine Machine,” US Patent 2005/0193713 A1, Sep. 8, 2005.
【5】 Benini, Ernesto and Giacometti, Stefano, “Design Manufacturing And Operation Of A Small Turbojet-Engine For Research Purposes,” Applied Energy, Vol.84, pp. 1102-1116, November 2007.
【6】 賴維祥, “貧油預混燃燒室研發、整合與測試期中報告,” 國立成功大學, 2002。
【7】 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所碩士論文, 2003年6月。
【8】 Ho, W.C., Chao, Y.C. and Shiung, D.B. “Annular Combustor For Miniature Jet Engine,” International Journal of Turbo and Jet Engines,Vol.14,pp.105-115,1996.
【9】 Epstein, Dr. Alan H., “Millimeter-scale, MEMS Gas Turbine Engines,” ASME Turbo Expo 2003, pp.16-19 June 2003。
【10】 Treager, Irwin E., “Aircraft Gas Turbine Engine Technology,” McGraw Hill, Third Edition, 1997.
【11】 Kaddah, K.S., “Discharge Coefficients and Jet Deflection Angle for Combustor Liner Air Entry Hole ,”College Of Aeronautics M.Sc. Thesis, Cranfield, England, 1964.
【12】 “Miniature Air-Launched Decoy (MALD),” http://www.fas.org/man/dod-101/sys/ac/equip/mald.htm.
【13】 “SWB TURBINES, ” http://www.swbturbines.com/Default.htm
【14】 郭正山、謝政道, “微型渦輪引擎在飛彈之設計與發展,” 新新季刊, 第三十五卷第二期, 96年4月。
【15】 “JPX,” http://www.jpx.fr/Jpx/english/pg_nvE.htm
【16】 劉思平, “航太中心小型渦輪噴射引擎百分之百自製,” 工業技術與資訊, pp. 16-25, 2001年3月。
【17】 “M-DOT AEROSPACE, ” http://www.m-dot.com/
【18】 Freeman, B.C., “ Discharge Coefficients of Combustion Chamber Dilution Holes,” College Of Aeronautics M.Sc. Thesis, Cranfield, England, 1965.
【19】 Çengel, Yunus A. and Boles, Michael A. “Thermodynamics an Engineering Approach,” McGraw-Hill, Fifth Edition. 2005
【20】 Mattingly, Tack D., “Elements of Gas Turbine Propulsion,” McGraw-Hill, 1996.
【21】 Philip Hill, Carl Peterson, “Mechanics and Thermodynamics of Propulsion,” Addison Wesley, Second Edition. 1991
【22】 John D. Anderson, Jr. “Fundamentals of Aerodynamics,” McGraw-Hill, Third edition. 2006
【23】 Baskharone, Erian A., “Principles of Turbomachinery in Air-Breathing Engines,” Cambridge, pp.29-43, 2006.
【24】 Burton, Mike, “The Professional Pilot's Study Guide-Gas Turbine Engines, ”Airlife Publishing Ltd, vol.2 pp.20-21, 1991.
【25】 Cohen, H. Rogers, G.F.C., and Saravanamuttoo, H.I.H., “Gas Turbine Theory,” Longman 4th edition, 1996.
【26】 Kamps, Thomas, “Model JET ENGINES,” Third edition, Traplet Publications Ltd, 2005.
【27】 侯曉春、季鶴鳴、劉慶國、嚴傳俊、越堅行, “高性能航空燃氣輪機燃燒技術,” 國防工業出版社, 北京, 2002。
【28】 “Jet CAT P60 / P70 / P80 / P120 / TITAN / P180 / P200Instruction manual V5.1E ECU,” Jet CAT USA, 2006.
【29】 “FADEC System-Autostart 06 User Guide,” Xicoy Electrónica S.L. , 2007.
【30】 Kurt, S. “Gas Turbine Engines for Model Aircraft,” Traplet Publications Ltd, 2000.
【31】 Leong, C.H, Jacob, J, and Liou, W.W., “Development of a Turbojet Engine Lab For Propulsion Education,” 40thAIAA/ASME/SAE/ ASME Joint Propulsion Conference and Exhibit, AIAA paper 2004-4085. 2004.
  • 同意授權校內瀏覽/列印電子全文服務,於2011-07-31起公開。
  • 同意授權校外瀏覽/列印電子全文服務,於2011-07-31起公開。