5.3. 多層風機 多層風機 多層風機 多層風機
5.3.2. 風機層數與性能之比較
圖 5.29 為單層與多層風機的 Cm-TSR 比較圖，從圖中可以發現，與單 層風機相似，多層風機的 Cm 與 TSR 亦呈線性關係，且在相同 TSR 值下，
不論風機層數如何，其 Cm 值之變化不大。圖 5.30 則為單層與多層風機的 Cp-TSR 比較圖，圖中亦可發現，多層風機與單層風機之變化曲線相當類似，
且數值上的變化也相當的小，此現象應與單層或多層風機的總受風面積間 差異極小有關，因為受風面積相似，所以同一 TSR 下的單層與多層風機之 Cp 並沒有明顯差異，但隨著層數改變 Cp 值仍略有變化，不同層數的風機 之最大 Cp 值與最佳 TSR 值的比較見表 5.3。
1-stage 2-stage 3-stage 4-stage
| 0.115 0.131 0.131 0.136
'$|()*%+,+ 0.448 0.462 0.475 0.491
表 5. 3 不同層數風機的最大 Cp 值與最佳 TSR 值
從表 5.3 可以發現，對與此四種風機配置，Cp 極值最大的是四層風機，
最小的是單層風機，但兩者的 Cp 極值差值僅為 0.021，對於效能提昇並沒有 顯著的效果，而最佳 TSR 值也只相差 0.043，對於改變操作條件亦沒有明顯 的效果，但多層風機之總和扭矩曲線的振幅明顯較單層風機的小，對於改善 風機旋轉的穩定度有相當大的助益。
43
5.3.3. 流場結構
圖 5.31 到圖 5.39 為二層、三層與四層風機個別階層葉輪之中央平面在 Cm 為極值時的流線圖，其入口風速為 8 m/s，風機轉速則為 60 rpm。
由二層風機的第一階與第二階葉輪的流線圖(圖 5.31 與圖 5.32)可以發現，
除翼形葉片在左上方的狀況外(如第一階在 10.332 秒與第二階在 10.082 秒)，
葉輪內部的流體直接流過葉輪，向葉輪後方流去，在有葉片阻擋的區域則有 小渦流產生，流出葉輪後有向下方流去且與流過葉輪下緣的流體混和的趨勢，
而翼形葉片在左上方的情況，流體則是隨著葉輪以順時針方向旋轉，自左上 方流入葉輪的流體則在右下方流出，與流過葉輪下緣的流體混和，在整個週 期中，不論葉輪位置為何，流體皆有向下方流去而與流過葉輪下緣的流體混 和，進而產生小渦流的趨勢。
三層風機的第一階與第二階葉輪的流線圖(圖 5.33 與圖 5.34)大致與二層 風機相似，除翼形葉片在左上時，流體在葉輪內以順時針方向旋轉，葉片在 其餘位置時流體則是直接流過葉輪，在葉片阻擋的區域後方有小渦流產生，
流出葉輪後則與流過葉輪下緣的流體混和，但第一階在 10.060 秒、10.149 秒 與 10.499 秒時流經或流過葉輪上緣的流體向下流動之趨勢較不明顯，在 10.499 秒時甚至在葉輪上緣後方有小渦流產生。三層風機的第三階葉輪的流 線圖(圖 5.35)則與其餘兩階層不同，雖然葉輪內部流線與其他兩階層相似，
但流過葉輪的流體向下流動的趨勢較不明顯，在葉輪後方形成的渦流數量較
44
多，部份渦流的位置也較高，整體而言，第三階葉輪後方的流場結構較第一 階與第二階的複雜。
而四層風機個別階層的流線圖(圖 5.36 到圖 5.39)大致與二層風機相似，
在葉輪內部的流體依葉片的位置不同，有隨葉輪旋轉與流過葉輪並在有葉片 阻擋處產生小渦流兩種狀況，除第一階在 10.074 秒、10.466 秒與 10.502 秒以 及第四階外，流過葉輪的流體皆有向下方流去而與流過葉輪下緣的流體混和，
進而產生渦流的趨勢，而第一層在 10.074 秒、10.466 秒與 10.502 秒以及第四 階，流過葉輪上緣的流體向下流動的趨勢較不明顯。
與不隨葉片位置而有大改變的單層風機流場不同，多層風機的流場較有 變化，好比單層風機的葉輪內部流體皆是隨葉輪轉動，而多層風機的葉輪內 部流體依葉片位置不同，有隨葉輪旋轉與流經葉輪兩種，流經葉輪的情況中，
也有因葉片阻擋而產生渦流的情形，但多層風機葉輪後方的流場大多與單層 風機相同，皆是流出葉輪後與下方流體混和，偶有渦流產生，不過，也有部 份例外，如三層風機的第三階葉輪，其後方流場較為複雜，此外，也有部份 流場向下流動的現象較不明顯。
45
46
6. 對於單層與多層葉輪，由於其受風面積的大小相近，因此多層風機的性 能雖較單層葉輪略有提昇，但改善幅度有限，不過多層風機的總和扭矩 變化幅度明顯較單層風機的小，因而有助於改善風機旋轉的穩定度。
47
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53
圖 1. 1 水平軸升力型風車【3】
圖 1. 2 水平軸阻力型風車【4】
54
圖 1. 3 垂直軸阻力型(Savonius)風機【5】
圖 1. 4 垂直軸升力型(Darrieus)風機【6】
55
圖 1. 5 垂直軸升力型(H 型)風機【6】
圖 1. 6 Darrieus 和 Savonius 混合型風機【7】
56
圖 1. 7 改良型垂直軸風機
圖 1. 8 垂直軸多層風機
57
圖 1. 9 各種風機之 Cp 與 TSR 關係圖【9】
圖 1. 10 斜葉片風機【26】
58
圖 1. 11 上游方向角示意圖【27】
圖 1. 12 Savonius 風機葉片重疊比例示意圖【30】
59
圖 1. 13 Zephyr Vertical axis Wind Turbine (ZVWT) 【32】
圖 1. 14 設有導流管之 Savonius 風機示意圖【34】
60
圖 1. 15 螺旋式 Savonius 風機【36】
圖 1. 16 改良式垂直軸風機示意圖【37】
61
圖 1. 17 Savonius 風機前方放置一擋板示意圖【39】
圖 1. 18 Savonius 風機前方設有一組擋板設計圖【41】
62
圖 1. 19 Savonius 風機前方放置一圓弧型擋板示意圖【43】
圖 1. 20 Savonius 風機前方裝設兩塊板子之示意圖【44】
63
圖 1. 21 Savonius 風機在 Darrieus 風機上方之複合風機【45】
圖 1. 22 Savonius 風機在 Darrieus 風機內部之複合風機【46】
圖 1. 23 複合風機之 Cm-TSR 曲線【46】
64
圖 1. 24 2D 擬暫態、暫態與實驗之 Cm-TSR 關係圖【47】
圖 2. 1 流場示意圖
65
圖 3. 1 ∆ri定義
圖 3. 2 位置向量示意圖
66
圖 3. 3 解題流程圖
67
圖 4. 1 工業用風扇
圖 4. 2 風管
68
圖 4. 3 風管尺寸
圖 4. 4 Lutron AM-4200 風速計
69
圖 4. 5 單層風機葉片
圖 4. 6 HBM T22 扭力計(50 N-m)
70
圖 4. 7 兩種不同尺寸之 coupling
圖 4. 8 Rinstrum R320 訊號擷取器
71
圖 4. 9 OMEGA HHT13 數位式轉速計
圖 4. 10 無風管實驗配置示意圖
72
圖 4. 11 有風管實驗配置示意圖
圖 5. 1 XY 平面計算區域示意圖
73
圖 5. 2 XZ 平面計算區域示意圖
圖 5. 3 U0 = 8 m/s， N 60rpm，扭矩與時間關係圖
-5 0 5 10 15 20
9 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9 10
Torque (Nm)
Time (s)
238180 406794 563560 879713
74
圖 5. 4 U0 = 8 m/s， N 60rpm，扭矩與網格數關係圖
圖 5. 5 XY 平面之計算網格
238180
406794
563560 879713
0 1 2 3 4 5 6 7
0 200000 400000 600000 800000 1000000
Torque (Nm)
網格數 網格數 網格數 網格數
75
76
10.072s 10.187s
10.322s 10.537s
圖 5. 8 在 10~10.5 秒，Cm 為極值時 3D 模擬的流線圖
10.072
10.187
10.322
10.437
-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4
10 10.05 10.1 10.15 10.2 10.25 10.3 10.35 10.4 10.45 10.5
Cm
time (s)
77
78
79
80
23.075s 23.175s
23.297s 23.528s
圖 5. 14 在 23~23.5 秒，Cm 為極值時 2D 模擬的流線圖
23.075
23.175
23.297
23.428 -0.6
-0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8
23 23.1 23.2 23.3 23.4 23.5
Cm
time (s)
81
82
83
圖 5. 19 風速量測示意圖
圖 5. 20 0.5HP 風扇距離風機 0.7 公尺情況下的等風速線圖
84
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80
Cm
85
overall Stage 1 Stage 2
86
overall Stage 1 Stage 2 Stage 3
-2
overall Stage 1 Stage 2 Stage 3 Stage 4
87
1-stage 2-stage 3-stage 4-stage
5
88
89
10.082s 10.194s
10.332s 10.444s
圖 5. 31 在 10~10.5 秒，Cm 為極值時，二層風機第一階的流線圖
10.082
10.194
10.332
10.444
0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45
10 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9 11
Cm
Time (s)
90
10.082s 10.194s
10.332s 10.444s
圖 5. 32 在 10~10.5 秒，Cm 為極值時，二層風機第二階的流線圖
10.06
10.149
10.246
10.334 10.377
10.499
0.25 0.27 0.29 0.31 0.33 0.35 0.37
10 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9 11
Cm
Time (s)
91
10.060s 10.149s
10.246s 10.334s
10.377s 10.499s
圖 5. 33 在 10~10.5 秒，Cm 為極值時，三層風機第一階的流線圖
92
10.060s 10.149s
10.246s 10.334s
10.377s 10.499s
圖 5. 34 在 10~10.5 秒，Cm 為極值時，三層風機第二階的流線圖
93
10.060s 10.149s
10.246s 10.334s
10.377s 10.499s
圖 5. 35 在 10~10.5 秒，Cm 為極值時，三層風機第三階的流線圖
94
10.074s 10.137s
10.182s 10.279s
10.074 10.137
10.182
10.279
10.341 10.378
10.466 10.502
0.28 0.3 0.32 0.34 0.36 0.38
10 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9 11
Cm
Time (s)
95
10.341s 10.378s
10.466s 10.502s
圖 5. 36 在 10~10.5 秒，Cm 為極值時，四層風機第一階的流線圖
10.074s 10.137s
96
10.182s 10.279s
10.341s 10.378s
10.466s 10.502s
圖 5. 37 在 10~10.5 秒，Cm 為極值時，四層風機第二階的流線圖
97
10.074s 10.137s
10.182s 10.279s
10.341s 10.378s
98
10.466s 10.502s
圖 5. 38 在 10~10.5 秒，Cm 為極值時，四層風機第三階的流線圖
10.074s 10.137s
10.182s 10.279s
99
10.341s 10.378s
10.466s 10.502s
圖 5. 39 在 10~10.5 秒，Cm 為極值時，四層風機第四階的流線圖