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研究生:洪錡炫
論文名稱:渦輪增壓器性能分析與測試
論文名稱(外文):Performance analysis and testing of a turbocharger
指導教授:蔣小偉蔣小偉引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:動力機械工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2003
畢業學年度:91
語文別:中文
中文關鍵詞:渦輪增壓器壓縮機渦輪機旋轉機械
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壓縮機與渦輪機為旋轉機械中最重要的二個零組件,本研究分別從渦輪增壓器之壓縮機葉輪及微水流量發電機之渦輪葉片二個案例探討流場與性能關係,
渦輪增壓器係利用排放廢氣的高溫、高壓能量,轉換為動能,衝擊渦輪葉片,產生軸功,以帶動同軸的空氣壓縮機轉子,壓縮吸入的氣流,並經由渦卷器送往汽缸。由基本的熱力學計算可以得知在相同輸入能量的情形下,進入燃燒器的空氣密度愈高,將有助於提升整體效率。在渦輪增壓器的性能測試上,本研究從氣源系統、燃燒系統及數據擷取三方向規畫渦輪增壓器測試實驗架置。在渦輪增壓器的模擬上,分別使用逆向工程、六面體網格生成、CFD流場分析及後處理來模擬壓縮機的流場,在比對了三組不同流量下的CFD流場分析,壓縮比最大誤差在2%以下。
微水流發電機係為利用微流水流沖擊下方渦輪葉片以帶動上方之電磁感應線圈。本研究將原先葉形,經由實體的量測,在不影響其空間限制下,根據葉形子午面的定義,修改成渦輪葉形,並透過CFD模擬其流場,得知質量流率與壓力損失關係,並與廠商提供的規格表比對,結果顯示,操作條件在10000轉以下的修改後渦輪葉形能有效的改善其效率。
誌謝 I
Abstract II
摘要 III
目錄 IV
表目錄 VII
圖目錄 VIII
符號說明 XIII
第1.章 緒論 1
1-1. 前言 1
1-2. 文獻回顧 2
1-2-1. 實驗部份 2
1-2-2. 數值模擬部份 5
1-3. 研究方法 7
第2.章 理論推導 9
2-1. 統御方程式 9
2-2. 紊流模型 10
2-3. 速度-壓力校正 12
2-4. 靜壓上昇原理 14
第3.章 實驗設備規劃 18
3-1. 氣源供應系統 18
3-2. 燃燒器系統 19
3-3. 數據擷取 20
3-4. 實驗步驟 20
第4.章 渦輪增壓器壓縮機流場分析 32
4-1. 模型建立 32
4-2. 網格生成與驗証 33
4-3. 流場特性、邊界條件 35
4-4. 結果與討論 37
4-4-1. 結果討論_壓力 37
4-4-2. 結果討論_葉片負載(Bladeloading) 38
4-4-3. 結果討論_速度 39
4-4-4. 結果討論_密度 40
第5.章 微水流發電機流場分析 72
5-1. 微水流發電機簡介 72
5-2. 前處理 73
5-3. 求解流場與參數化分析 73
5-4. 結果與討論 74
第6.章 結論與未來目標 84
參考文獻 87
附錄A 分析軟體簡介 91
表格 3—1:空氣壓縮機規格表 22
表格 3—2:燃料比較表 23
表格 3—3:感測設備 23
表格 4—1:網格加密表 34
表格 4—2:不同網格比較 34
表格 4—3:(不同流量下模擬結果比較) 35
圖 1—1:Quasi-3D分析(S1-S2平面表示法) 7
圖 1—2:TD07壓縮機研究流程 8
圖 1—3:微型發電機轉子研究流程 8
圖 2—1:平均與擾動速度圖 9
圖 2—2:控制體積與相鄰節點示意圖 13
圖 2—3:simple演算法示意圖 14
圖 2—4:旋轉機械能量與角動量關係 14
圖 3—1:測試台架構示意圖 24
圖 3—2:渦輪增壓器測試台 24
圖 3—3:氣源供應系統 25
圖 3—4:氣源供應系統(側) 25
圖 3—5:單迴路氣源 26
圖 3—6:雙迴路氣源 26
圖 3—7:渦輪段廢氣排放 27
圖 3—8:壓縮機段廢氣排放 27
圖 3—9:調壓閥 28
圖 3—10:燃燒筒 28
圖 3—11:測試系統控制開關 29
圖 3—12:訊號擷取畫面 29
圖 3—13:流量量測 30
圖 3—14:壓力量測 30
圖 3—15:壓縮機性能輿圖與CFD比較 31
圖 4—1:TD07壓縮機流場分析流程 32
圖 4—2:網格驗証流程 33
圖 4—3:TD07壓縮機葉輪模型 42
圖 4—4:TD07渦輪增壓器應用實例 42
圖 4—5:單一流道模型建立 43
圖 4—6:利用高斯曲率檢測延伸剖面 43
圖 4—7:網格生成圖(Solid View) 44
圖 4—8:網格生成圖(wire frame view) 44
圖 4—9:後處理剖面說明 45
圖 4—10:後處理剖面說明-2 45
圖 4—11:流道i、j、k方向示意 46
圖 4—12:拋物線函數端點加密示意 46
圖 4—13:局部及函數加密出現錯誤-1 47
圖 4—14:局部及函數加密出現錯誤-2 47
圖 4—15:網格品質加密前後比較(Skew 、AR值) 48
圖 4—16:加密前後網格在設計點比較 49
圖 4—17:SpanWise總壓分佈(單位:pa) 50
圖 4—18: StreamWise總壓分佈-1(單位:pa) 51
圖 4—19:StreamWise總壓分佈-2(單位:pa) 52
圖 4—20:PitchWise總壓分佈(單位:pa) 53
圖 4—21:Spanwise馬赫數(相對速度)分佈 54
圖 4—22:StreamWise馬赫數(相對速度)分佈-1 55
圖 4—23:StreamWise馬赫數(相對速度)分佈-2 56
圖 4—24:PtichWise馬赫數分佈(相對速度) 57
圖 4—25:相對速度震波觀察 58
圖 4—26:絕對速度震波觀察 58
圖 4—27:StreamWise密度分佈-1 59
圖 4—28:StreamWise密度分佈-2 60
圖 4—29:0%Span葉片靜壓負載 61
圖 4—30:25%Span葉片靜壓負載 61
圖 4—31:50%Span葉片靜壓負載 62
圖 4—32:75%Span葉片靜壓負載 62
圖 4—33:100%Span葉片靜壓負載 63
圖 4—34:Hub-Shroud 之面積分佈圖 64
圖 4—35:Hub_Shroud總壓分佈 65
圖 4—36:Inlet-Outlet總壓分佈圖(單位:10^4pa) 66
圖 4—37:Inlet-Outlet靜壓分佈圖(單位:10^4pa) 66
圖 4—38:Inlet-Outlet密度分佈圖(單位:kg/m^3) 67
圖 4—39:Inlet-Outlet馬赫數分佈(絕對速度) 67
圖 4—40:Inlet-Outlet馬赫數分佈(相對速度) 68
圖 4—41:Inlet-Outlet能量(焓)分佈圖 68
圖 4—42:Inlet-Outlet:Entropy分佈圖 69
圖 4—43:Inlet-Outlet溫度分佈圖(單位:k) 69
圖 4—44:流場速度向量大小分佈 70
圖 4—45:質量流率引響擴散或加速關係 70
圖 4—46:典型離心式壓縮機示意圖 71
圖 4—47:離心式壓縮機角度與速度關係 71
圖 5—1:微水流發電機外型 75
圖 5—2:微水流發電機轉子驅動部 75
圖 5—3:微水流發電機原始轉子流道圖 76
圖 5—4:微水流發電機修改後渦輪葉片模型 76
圖 5—5:微水流發電機原始轉子尺寸量測 77
圖 5—6:渦輪葉型子午面定義 78
圖 5—7:渦輪葉型三角網格生成(50%Span) 78
圖 5—8:分析測試點與規格比較 79
圖 5—9:轉速10000rpm、流量2.3 L/min壓力分佈 81
圖 5—10:轉速5000rpm、流量2.35 L/min壓力分佈 82
圖 5—11:轉速20000rpm、流量1.85 L/min壓力分佈 83
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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