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研究生: 林家榮
論文名稱: 微型渦輪噴射引擎燃燒系統設計與測試研究
Combustion System Design and Testing for a Micro-Turbojet Engine
指導教授: 蔣小偉
口試委員: 蔡博章
郭啟榮
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年: 2012
畢業學年度: 100
語文別: 中文
論文頁數: 48
中文關鍵詞: 微型渦輪噴射引擎燃燒室
外文關鍵詞: Micro-Turbojet Engine, Combustor
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  • 本研究由燃燒室內外襯筒孔口設計理論出發,以市售KingTech K170-F微型渦輪噴射引擎規格為設計目標,進行燃燒室之設計。將設計之燃燒室加工後裝配至K170-F渦輪引擎上進行性能量測,以分析吾人設計之燃燒室燃燒情形。
    研究分為三個階段:第一階段為量測K170-F渦輪引擎之性能參數,並利用渦輪分析軟體計算引擎各站位之條件,提供吾人設計燃燒室之條件及限制,並作為往後與吾人設計之燃燒室比較之依據。第二階段則利用上述之條件,從理論出發進行燃燒室設計,例如燃燒室幾何尺寸、燃燒室內外襯筒之孔口直徑及位置安排、各燃燒區空氣流量分配。第三階段將設計之燃燒室加工成型,裝配至K170-F渦輪引擎進行實際運轉量測,藉由量測所得之數據與原始數據進行比較,分析吾人設計之燃燒室燃燒情形。
    實驗結果得知吾人設計之燃燒室可實際應用在渦輪引擎上,性能表現與原始燃燒室差異極小,提供一成功之燃燒室設計經驗。


    This study starts from the design theory of the holes on the combustion chamber liners . I designed the combustion chamber to reach the standards of KingTech K170-F micro-turbojet engines. The designed chamber was then assembled onto the K170-F turbo-engine in order to test the performance and analyze the combustion in the chamber.
    This study had three stages: (1) The performance of the K170-F turbo-engine was measured, and the turbine analysis program was used to calculate the conditions inside the turbo-engine, which in later stages would be referred to as the basics and restrictions; (2) Those conditions measured in last stage and the related theories were used to design a combustion chamber, in which details were all covered, including the geometrical chamber size, the positions and the diameters of the chamber liner holes, and the air flow rates of all combustion areas; (3) The chamber was assembled onto the K170-F turbo-engine, the performance of the running turbo-engine was measured, and then the testing results of the turbo-engine was compared with the designed chamber with the original ones in order to further analyze the combustion inside the chamber.
    The experimental results show that the chamber I designed can be applied to real turbo-engines and that the performing difference between the designed chamber and the original one is not significant. This study serves as a successful attempt to design a combustion chamber for a micro turbo-engine.

    中文摘要 I 英文摘要 II 誌謝 III 目錄 IV 表目錄 VII 圖目錄 VIII 第1章 緒論 1 1-1、 前言 1 1-2、 研究動機 2 1-3、 文獻回顧 2 1-4、 研究目的 5 第2章 燃燒室設計方法 6 2-1、 引擎各站位條件計算 6 2-1-1、 GasTurb軟體介紹 6 2-1-2、 理論數學模式 7 2-1-3、 分析結果 12 2-2、 燃燒室設計 14 2-2-1、 燃燒室幾何尺寸 14 2-2-2、 燃料空氣比 16 2-2-3、 燃燒室空氣流量分配 16 2-2-4、 孔口尺寸及位置安排 17 2-2-5、 燃油霧化系統 19 第3章 實驗系統架設 21 3-1、 實驗設備 21 3-1-1、 渦輪引擎本體 21 3-1-2、 電力及控制系統 22 3-1-3、 啟動點火系統 24 3-1-4、 燃油供應系統 25 3-2、 量測設備及校正方法 26 3-2-1、 溫度量測 26 3-2-2、 轉速量測 28 3-2-3、 推力量測 30 3-2-4、 燃油流量量測 31 3-2-5、 實驗不準度 33 第4章 實驗方法 34 4-1、 引擎操作程序 34 4-1-1、 運轉前檢查 34 4-1-2、 冷運轉檢查 35 4-1-3、 啟動檢查 35 4-1-4、 慢車檢查 35 4-1-5、 引擎加速性檢查 36 4-1-6、 停車檢查 36 4-1-7、 引擎故障排除 36 4-2、 引擎性能參數量測 37 第5章 結果與討論 39 5-1、 引擎發動情形 39 5-2、 轉速v.s.推力 40 5-3、 轉速v.s.排氣溫度 40 5-4、 轉速v.s.燃油消耗率 41 5-5、 燃燒後之燃燒室外觀 42 5-5、 小結 45 第6章 結論與未來建議 46 參考文獻 47 表目錄 表 2 1 K170-F引擎設計點參數 13 表 2 2燃燒室外襯筒孔口直徑及位置 19 表 2 2燃燒室內襯筒孔口直徑及位置 19 表 3 1 K170-F渦輪引擎基本性能規格 22 表 3 2 儀器實驗不準度誤差 33 圖目錄 圖 1 1 模型飛機及微型渦輪引擎 2 圖 1 2 微型發電機組 2 圖 2 1 GasTurb渦輪噴射引擎理論模式分析圖 7 圖 2 2 K170-F引擎設計點性能參數 13 圖 2 3燃燒室外筒尺寸 15 圖 2 4燃燒室內筒尺寸 15 圖 2 5燃燒室各區空氣流量分配 17 圖 2-6蒸發管座裝配情形 20 圖 3 1 KingTech K170-F微型渦輪噴射引擎 21 圖 3 2離心式壓縮機 22 圖 3 3軸流式渦輪 22 圖 3 4電子控制單元 23 圖 3 5 ECU閉迴路控制流程圖 23 圖 3 6啟動馬達 24 圖 3 7預熱塞 24 圖 3 8燃油幫浦 25 圖 3 9小型電磁閥 26 圖 3 10燃油濾淨器 26 圖 3 11 K型熱電偶 27 圖 3 12 K型熱電偶校正配置圖 28 圖 3 13光學轉速計 29 圖 3 14數位轉速計 29 圖 3 15光學轉速計校正配置圖 29 圖 3 16荷重元校正配置圖 31 圖 3 17流量計 32 圖 3 18流量計校正配置圖 32 圖 4 1研究流程圖 37 圖 4 2實驗操作流程圖 38 圖 4 3性能量測位置圖 38 圖 5 1轉速-推力圖 40 圖 5 2轉速-排氣溫度圖 41 圖 5 3轉速-油耗圖 42 圖 5 4轉速-TSFC圖 42 圖 5 5原始燃燒室上視圖 43 圖 5 6原始燃燒室下視圖 43 圖 5 7吾人設計燃燒室之上視圖 44 圖 5 8吾人設計燃燒室之下視圖 44

    【1】http://www.kingtech-jet.com/
    【2】http://cogen.aidc.com.tw/
    【3】Batt, Gordon, “Jet Flight Triumph,” Radio Control Modeler, pp. 148-150, 1983.
    【4】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, 2001年3月.
    【5】黃一民, “超小型噴射引擎之性能研究,” 國立清華大學碩士論文, 2002年7月.
    【6】K.S. Kaddah, “Discharge Coefficients and Jet Deflection Angles for Combustor Liner Air Entry Holes,” College of Aeronautics MSc thesis, Cranfield, England, 1964.
    【7】B.C. Freeman, “Discharge Coefficients of Combustion Chamber Dilution Holes,” College of Aeronautics MSc thesis, Cranfield, England, 1965.
    【8】Ralph T. Dittrich, “Discharge Coefficients for Combustor-liner Air-entry Holes II – flush rectangular holes, step louvers,” Technical Note 3924, National Advisory Committee for Aeronautics, 1975.
    【9】Arthur H. Lefebvre, “Gas Turbine Combustion,” Hemisphere Pub. Corp., 1983.

    【10】W.C. Ho, Y.C. Chao and D.B. Shiung, “Annular Combustor for Miniature Jet Engines,” International Journal of Turbo and Jet Engines, vol. 14, pp. 105-115, 1997.
    【11】賴維祥, “燃燒室冷流試驗計劃,” 中山科學研究院第一研究所研究報告, 1986年4月.
    【12】Kyung J. Choi and Giyoung Tax, “Experimental Studies of Mixing Effects on LDI Combustion,” AIAA-2002-0334, 2002.
    【13】Cong Li, Shu-zhou Fang and Ping Zhang, “Design and Study of Annular Combustor for Micro-turbine Engine,” Journal of Aerospace Power , vol. 23, pp. 1873-1877, 2008.
    【14】Stephen R. Turns, “An Introduction to Combustion: Concepts and Applications,” McGraw-Hill Higher Education, 1996.

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