TWI516967B

TWI516967B - 以電腦輔助設計離心風機外型之方法

Info

Publication number: TWI516967B
Application number: TW102141423A
Authority: TW
Inventors: 鄭詠仁; 顏鴻程; 翁英哲
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2013-11-14
Filing date: 2013-11-14
Publication date: 2016-01-11
Also published as: TW201518973A

Description

以電腦輔助設計離心風機外型之方法

本發明係有關一種以電腦輔助設計一物體之方法，尤指一種以電腦輔助設計離心風機外型之方法。

空調、冷凍設備或是機械動力馬達中，送風機(fan)乃是不可或缺的元件之一，而送風機大致可分為離心風機與軸流風機。所謂的離心風機係指氣流進入之入風口與氣流吹出之出風口不在同一軸線上。軸流風機則與離心風機相反，其氣流進入之入風口與氣流吹出之出風口係在同一軸線上。

離心風機在通風系統之設計中，會因為管路及系統設計之緣故，必須使離心風機產生直線性流通且具高靜壓之功效的氣流。為使離心風機達到此一功效，必須搭配殼體及葉輪之間的設計，方能使空氣經由入風口進入葉輪後，在葉輪之葉片通道間受離心力影響，使得空氣會從葉輪出口沿著切線方向流出，接著在葉輪與殼體之間透過葉輪下游之轉換區使氣流方向轉成軸流方向再吹出。

準此，離心風機效能的設計關鍵往往在葉輪與殼體之間的搭配上。傳統以電腦輔助設計離心風機之方法，係設定單一風量作為設計指標，進而設計出離心風機之葉輪、殼體之幾何外型。而此一單一風量之設計指標往往僅能設計出離心風機運轉時只具有一個最高效率點。請參閱第1圖所示之傳統離心風機設計之性能示意圖，此傳統離心風機設計之性能係以第一風量16作為基準設計點，設計出所需的離心風機性能曲線11及對應之第一全壓效率曲線12。此第一風量16之基準設計點即為運轉最高效率點，即第一全壓效率曲線12之第一效率點122。在100%系統阻抗141、75%系統阻抗142、50%系統阻抗143等不同負載之運作範圍下，可看出離第一風量16之第一效率點122越遠，其離心風機的效率越差。因此，傳統離心風機設計無法在不同負載下仍具有穩定且相同之流量，例如在尖峰、離峰時段運轉，其流量皆不同且差異甚大，無法有效提昇離心風機的效率。

是以，如何提供一種以電腦輔助設計離心風機外型之方法，使離心風機在不同負載下仍然具有穩定之流量，以使系統能夠經常處於較高效率進行運轉，進而能達到節能之功效，遂為目前本領域技術人員亟待解決的課題。

本發明主要在於提供一種以電腦輔助設計離心風機外型之方法，其包含下列步驟：(1)輸入該離心風機之流量、風壓及轉速之參數至一設計模組，以得到包含對應該離心風機之第一風量、第一葉片數、第一葉輪出口角、第一葉輪直徑及第一葉輪入口角之複數個第一設計參數；(2)設定一廣域係數X；(3)依據該些第一設計參數及該廣域係數X計算出包含風量範圍、第二葉片數、第二葉輪出口角、第二葉輪直徑及第二葉輪入口角之複數個第二設計參數；以及(4)令該設計模組處理該些第二設計參數，以藉之輸出該離心風機之葉輪及機殼之幾何外型。

藉由本發明之以電腦輔助設計離心風機外型之方法，能使得離心風機於不同負載之大範圍流量中，皆能具有相同且較佳的效率，因此能夠降低在低流量或高流量運轉時，效率易大幅下降之問題，而能使系統經常處於較高效率進行運轉，並具備節能之功效。

11‧‧‧離心風機性能曲線

12‧‧‧第一全壓效率曲線

121、122、123‧‧‧第一效率點

141‧‧‧100%系統阻抗

142‧‧‧75%系統阻抗

143‧‧‧50%系統阻抗

16‧‧‧第一風量

172‧‧‧第一風量範圍

174‧‧‧第二風量範圍

18‧‧‧第二全壓效率曲線

181、182、183‧‧‧第二效率點

S31~S34、S41~S48‧‧‧步驟

第1圖為傳統離心風機設計之性能示意圖；第2圖為本發明之以電腦輔助設計離心風機外型之方法之性能示意圖；第3圖為本發明之以電腦輔助設計離心風機外型之方法之一實施例之流程圖；第4圖為本發明之以電腦輔助設計離心風機外型之方法之另一實施例之流程圖；第5圖係為以傳統設計之離心風機之紊流強度分析圖；以及第6圖係為以本發明方法進行設計之離心風機之紊流強度分析圖。

以下藉由特定之具體實施例加以說明本發明之實施方式，而熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點和功效，亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用。

請參閱第3圖之本發明以電腦輔助設計離心風機外型之方法之一實施例之流程圖。本發明之以電腦輔助設計離心風機外型之方法係透過電腦之軟、硬體執行。詳言之，本發明係透過運作在電腦上的CAD設計軟體來進行離心風機外型之設計。離心風機包含葉輪及機殼，故本發明之目的即係設計葉輪及機殼之外型。在進行葉輪及機殼之外型設計之前，必須先輸入離心風機所欲設計之流量、風壓及轉速之參數至設計模組中，此設計模組即是CAD設計軟體。經由設計模組運算後，能夠得到離心風機之複數個第一設計參數。該些第一設計參數包含離心風機之第一風量、第一葉片數、第一葉輪出口角、第一葉輪直徑及第一葉輪入口角，如步驟S31所示。在先前技術中的離心風機設計，即是依據此些第一設計參數進行性能分析，以便能夠輸出葉輪及機殼之幾何外型。惟離心風機性能效率係有多個因素會造成影響，如入口衝擊損失、葉輪迴流損失、葉輪摩擦損失、機殼摩擦及切線損失等。為改善風機效能，必須針對此些因素作進一步的改良。請參閱步驟S32所示，必須先設定廣域係數X，爾後於步驟S33中即依據此一廣域係數X對該些第一設計參數進行計算，以得到複數個第二設計參數。該些第二設計參數包含風量範圍、第二葉片數、第二葉輪出口角、第二葉輪直徑及第二葉輪入口角。經過改良的該些第二設計參數，即可於步驟S34中，藉由設計模組進行處理，而能輸出離心風機之葉輪及機殼之幾何外型。

詳言之，由於在大風量、小風量之運作狀態中，影響離心風機性能效率皆不相同，如在大風量中，係以入口衝擊損失及摩擦損失較為嚴重，如在小風量中，係以葉輪迴流損失較為嚴重。因此，離心風機之設計方法，必須將該些第一設計參數進行改良。為調整離心風機於大範圍流量中皆能具有較佳的效率，即具有較大的風量操作範圍，必須先設定一廣域係數X。而第二設計參數即依據此廣域係數X來加以調整。

必須先說明者，在各種不同離心風機之型式中，廣域係數X所定義的值亦不相同。離心風機具有前傾、徑向、後傾等型式，而前傾、後傾型式的區別在於葉輪出口角的大小不同。葉輪出口角大於90度者，為前傾型式；小於90度者，為後傾型式；等於90度者，為徑向型式。當離心風機為前傾型式時，該廣域係數X係定義在0.8~0.95之間；當離心風機為徑向型式時，該廣域係數X係定義在0.65~0.8之間；當離心風機為後傾型式時，該廣域係數X係定義在0.55~0.65之間。

第二設計參數係依據廣域係數X來作調整。第二設計參數中的風量範圍係設定成第一風量的(1-X)倍及(1+X)倍之間，假設X為0.8，風量範圍即是0.2倍第一風量及1.8倍第一風量的兩個值之間。請參考第2圖所示，第一風量範圍172及第二風量範圍174即是依據第一風量16之數值依據上述公式所計算出。將第一葉輪直徑成以(1+X)^0.2倍即成為第二設計參數之第二葉輪直徑，將第一葉片數減少一片以上之值為第二葉片數。將第一葉輪出口角減少2.5/(1-X)度之數值，以作為第二葉輪出口角之設計參數，將第一葉輪入口角減少1/(1-X)度之數值，以作為第二葉輪入口角之數值。而設計模組則可將經調整後之第二設計參數進行處理，以輸出離心風機之葉輪及機殼之幾何外型。

據此，本發明之以電腦輔助設計離心風機外型之方法所輸出之葉輪及機殼之幾何外型，其性能示意圖如第2圖所示。第二全壓效率曲線18即是依據本發明之方法所設計出的葉輪及機殼之幾何外型所產生之效率曲線。在第一風量範圍172時，可看到第一全壓效率曲線12之第一效率點123係低於第二全壓效率曲線18之第二效率點183，顯示第二全壓效率曲線18於第一風量範圍172時效率明顯高於第一全壓效率曲線12；在第二風量範圍174時，可看到第一全壓效率曲線12之第一效率點121係低於第二全壓效率曲線18之第二效率點181，顯示依據第二全壓效率曲線18於第二風量範圍174時效率明顯高於第一全壓效率曲線12。而在第一風量16時，第二效率點182係低於第一效率點122。雖本發明之方法所設計出的葉輪及機殼，其最高效率會低於傳統離心風機設計，但是在第一風量範圍及第二風量範圍的效率則高於傳統離心風機設計。於一實施例中，最高效率降低約10%，但第一風量範圍及第二風量範圍的效率會各提昇約70%。換言之，本發明之方法能夠將在不同流量所產生的效率皆維持在一定範圍內，如第2圖所示，在不同負載之100%系統阻抗141、75%系統阻抗142、50%系統阻抗143，其效率仍會高於傳統離心風機設計。本發明之方法的高效能區較傳統離心風機設計寬廣，具備穩定流量、提昇離心風機效率、節能之功效，即便離心風機在低流量運轉時，效率亦不會受到影響。

於本發明之另一實施例中，本發明之以電腦輔助設計離心風機外型之方法如第4圖所示，於本實施例中部份步驟及技術特徵相同於前揭實施例，於此不再贅述。於步驟S41中，係輸入離心風機所欲之流量、風壓及轉速之參數至設計模組，以得到包含對應該離心風機之複數個第一設計參數。該些第一設計參數包含第一風量、第一葉片數、第一葉輪出口角、第一葉輪直徑、第一葉輪入口角及第一機殼尺寸。

於步驟S42中，係設定廣域係數X，廣域係數X依據離心風機的型式而有所不同，詳如前述。接著設定風量範圍(步驟S43)，係依據廣域係數X將第一風量的(1-X)倍及(1+X)倍設定為風量範圍的區間。接著於步驟S44中，進一步設定第二葉片數及第二葉輪出口角，第二葉片數係為第一葉片數減少至少一片之數值，第二葉輪出口角係為第一葉輪出口角減少2.5/(1-X)度之數值。於步驟S45中，則是設定第二葉輪直徑為該第一葉輪直徑的(1+X)^0.2倍。於步驟S46中，則是設定第二機殼尺寸係為第一機殼尺寸的(1+X)^0.5倍。接著於步驟S47中，進一步設定第二葉輪入口角係為第一葉輪入口角減少1/(1-X)度之數值。於步驟S48中，藉由設計模組處理包含風量範圍、第二葉片數、第二葉輪出口角、第二葉輪直徑、第二機殼尺寸及第二葉輪入口角之第二設計參數，以進一步輸出離心風機之葉輪及機殼之幾何外型。

利用本發明之方法所設計之離心風機，更具備減少紊流強度之功效。請同時參閱第5圖及第6圖，第5圖係為以傳統設計之離心風機之紊流強度分析圖，第6圖係為以本發明方法進行設計之離心風機之紊流強度分析圖。由上述二圖比較後可知，第6圖中的紊流強度明顯低於第5圖之傳統設計之離心風機。

綜上所述，本發明之以電腦輔助設計離心風機外型之方法，所設計出的葉輪及機殼能夠讓離心風機在不同負載下，仍具有穩定的流量，使得系統運轉能夠經常處於高效率，而不會有傳統離心風機設計所具有在低、高流量運轉時效率易大幅下降之問題。換言之，本發明之以電腦輔助設計離心風機外型之方法所輸出的葉輪及機殼，在不同流量之可操作區域中，其效能皆能穩定不受影響，能有效提昇離心風機效率，並具備節能之功效。

上述實施形態僅為例式性說明本發明之技術原理、特點及其功效，並非用以限制本發明之可實施範疇，任何熟習此技術之人士均可在不違背本發明之精神與範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。然任何運用本發明所教示內容而完成之等效修飾及改變，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。而本發明之權利保護範圍，應如下述之申請專利範圍所列。

S31~S34‧‧‧步驟

Claims

一種以電腦輔助設計離心風機外型之方法，其包含下列步驟：(1)輸入該離心風機之流量、風壓及轉速之參數至一設計模組，以得到包含對應該離心風機之第一風量、第一葉片數、第一葉輪出口角、第一葉輪直徑及第一葉輪入口角之複數個第一設計參數；(2)設定一廣域係數X；(3)依據該些第一設計參數及該廣域係數X計算出包含風量範圍、第二葉片數、第二葉輪出口角、第二葉輪直徑及第二葉輪入口角之複數個第二設計參數，其中，該風量範圍係為該第一風量的(1-X)倍及(1+X)倍之間，且其中，該第二葉輪直徑為該第一葉輪直徑的(1+X)^0.2倍；以及(4)令該設計模組處理該些第二設計參數，以藉之輸出該離心風機之葉輪及機殼之幾何外型。
如申請專利範圍第1項所述之以電腦輔助設計離心風機外型之方法，其中，該第二葉片數係為該第一葉片數減少至少一片之數值。
如申請專利範圍第1項所述之以電腦輔助設計離心風機外型之方法，其中，該第二葉輪出口角係為該第一葉輪出口角減少2.5/(1-X)度之數值，該第二葉輪入口角係為該第一葉輪入口角減少1/(1-X)度之數值。
如申請專利範圍第1、2或3項所述之以電腦輔助設計離心風機外型之方法，其中，當該離心風機為前傾型式時，該廣域係數X係定義在0.8~0.95之間。
如申請專利範圍第1、2或3項所述之以電腦輔助設計離心風機外型之方法，其中，當該離心風機為徑向型式時，該廣域係數X係定義在0.65~0.8之間。
如申請專利範圍第1、2或3項所述之以電腦輔助設計離心風機外型之方法，其中，當該離心風機為後傾型式時，該廣域係數X係定義在0.55~0.65之間。
如申請專利範圍第1項所述之以電腦輔助設計離心風機外型之方法，其中，該些第一設計參數復包含第一機殼尺寸，依據該第一機殼尺寸計算出第二機殼尺寸，以藉由該設計模組處理該第二機殼尺寸輸出該葉輪及該機殼之幾何外型。
如申請專利範圍第7項所述之以電腦輔助設計離心風機外型之方法，其中，該第二機殼尺寸係為該第一機殼尺寸的(1+X)^0.5倍。