二葉圓弧線型魯式鼓風機設計 - feu.edu.tw

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中國機械工程學會第二十八屆全國學術研討會論文集 國立中興大學 台中市 中華民國一百年十二月十日、十一日 論文編號: C07-040 二葉圓弧線型魯式鼓風機設計 王福壽 1 、陳維亞 2 、陳維方 1* 、王安民 1 1 遠東科技大學機械工程系 2 德霖技術學院機械工程系 Email: [email protected] 國科會計畫編號 NSC 98-2622-E-269 -031 -CC3 摘要 魯式鼓風機是一種重要的工業裝備,廣泛應用 於工業領域的各種流體輸送。葉輪是魯式鼓風機最為 關鍵的元件,葉輪的設計製造與品質高低直接影響到 魯式鼓風機的工作性能。在魯式鼓風機中葉輪轉子是 一個主要的零組件,轉子型線的設計是否合理將直接 關係到魯式鼓風機的性能的優劣。因此,在魯式鼓風 機的設計過程中,設計轉子的型線是非常重要的。 本文對二葉圓弧型的型線方程式進行分析研 究,結合動態嚙合技術及理論分析的基礎上建立二葉 圓弧型線的方程式。利用動態圖形模擬技術,建立葉 輪參數化設計流程。 關鍵字:魯式鼓風機,葉輪 1. 前言 二氧化碳、甲烷和臭氧等氣體的增加,在地球表 面引起溫室效應,對全球的生態造成很大的破壞,因 此對節能和環境保護的要求也日益增加,使得我們需 要設計和製造出效率更高、噪音更小的鼓風機,以滿 足市場的需求。從 1854 年美國人魯氏(Francis Philander Roots)兄弟倆發明魯氏鼓風機,台灣 1960 1970 年代由大豐機械開始研製魯氏鼓風機,並陸 續進口各種國外品牌魯氏鼓風機以應市場須求,二十 世紀起魯氏鼓風機技術開發活動更趨活躍,魯氏鼓風 機的產量增加,國外對魯氏鼓風機的各項研究正方興 未艾,一年發表魯氏鼓風機的相關文章有數百篇之 多,國內黃淳康,鄭益志對魯氏鼓風機發表多篇文章 [1-5] ,極具參考價值,但只在已有的理論上探討,未 實際加以應用,魯氏鼓風機的發展趨勢,主要是進一 步提高效率、增強可靠性、降低輸出脈動雜訊、減少 振動與噪音、性能參數的改善及擴大應用範圍等。 魯式鼓風機是一種旋轉式容積泵,為壓縮和輸送 流體的機械,具有承壓能力強、耗能低、結構緊湊、 運行可靠、容易製造等優點,不但可用於非氣體的流 體並發展到真空領域魯式真空泵,目前用途極廣應用 於鋼鐵、冶金、礦場、化工、電力、汙水處理、建材、 環保等各個工業部門的經濟領域,例如常使用於海產 店、釣蝦場、魚池、外海養殖、大樓污水槽曝氣處理、 焚化爐、粉粒生產線輸送、紡織纖維集塵設備、隧道 工程壓送空氣、電鍍槽循環等民生需求的各行各業 中。 魯氏鼓風機為處理流體類之升壓、輸送等之裝 置。就一般產業應用中之壓縮及輸送氣體機械而言, 通常分為通風機、鼓風機及壓縮機等類別。通風機之 升壓較小,著重於輸送目的;壓縮機之升壓較高,主 要作用是壓縮;鼓風機之性能則介於上述兩者之間, 並與通風機合稱為風機。 魯氏鼓風機葉面加工精度直接影響鼓風機的使 用性能。由於兩葉輪相嚙合來實現鼓風進氣,通過葉 輪嚙合壓縮氣體而實現氣體的鼓風換氣,其葉面加工 的品質直接影響嚙合過程中葉面之間的間隙,當間隙 過大時,無法完成氣體的壓縮,從而影響風機的鼓風 量,甚至不能進行鼓風。如果間隙過小,在鼓風的過 程中風機葉面會在工作的過程中發熱而升溫,這樣葉 面在溫升膨脹後產生干涉,使風機不能正常工作或者 使鼓風機損壞。 魯式鼓風機的核心元件是葉輪,葉輪與軸即為轉 子負責流體的壓縮及運送,設計葉輪的好壞關係到整 機的工作性能,包括耗能、噪音、效率和使用壽命等。 但是葉輪轉子的設計主要是優化葉輪型線,改善葉輪 嚙合間隙的密封效果,提高鼓風機的製造精度,改善 轉子間隙的均勻程度並盡可能縮小間隙,使流體減少 洩漏,運動平穩,提高容積效率。 轉子橫斷面的圖形稱為葉形,其輪廓線稱為型 線,型線由一組特定曲線組合而成,通常按其中某段 曲線的名稱給葉形命名。常用葉形的型線特徵為圓弧 線葉形[6]。 葉輪的計算主要包括葉輪型線方程式[7-9] 、性能 參數[10]、設計[11]、製造[12]、振動噪音[3]、效率 [13]、強度分析[14]、及熱流分析[15-16]等的計算。 本文利用Mathematics 軟體進行計算分析與模擬探 討,並將分析模擬的轉子線型以PRO/E軟體進行動態 運動分析。 2. 魯式鼓風機二葉圓弧線型設計 魯氏鼓風機的關鍵技術為轉子的設計,而轉子型 線將直接影響魯氏鼓風機的性能優劣。轉子橫截面的 外輪廓線即為轉子的型線,轉子表面之間不接觸,但

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1854 (Francis Philander Roots) 1960 1970







[13][14][15-16]
Mathematics


(1)”No.17pp.64-75 2008.05.
2. “
3. “
4. “
5. “
(3)”No.24pp.51-61 2008.12.
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7. Qi Datong, Mao Yijun, Liu Xiaoliang, Yuan Minjian, “Experimental study on the noise reduction of an industrial forward-curved blades centrifugal fan”, Applied Acoustics, Volume 70, Issue 8, pp. 1041-1050, 2009.
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10. M.H. Hablanian, “Engineering aspects of turbomolecular pump design”, Vacuum, Volume 82, Issue 1, pp. 61-65, 2007.
11. H. Z. Zhou, J. Wang, “Helium circulator design and testing”, Nuclear Engineering and Design, Volume 218, Issues 1-3, pp. 189-198, 2002.
12. Y. M. El-Sayed, “Designing desalination systems for higher productivity”, Desalination, Volume 134, Issues 1-3, pp. 129-158, 2001..
13. Derek Dunn-Rankin, Elisângela Martins Leal, David C. Walther, “Personal power systems”, Progress in Energy and Combustion Science, Volume 31, Issues 5-6, pp. 422-465, 2005.
14. L. A. M. Endres, S. V. Möller, “On the fluctuating wall pressure field in tube banks”, Nuclear Engineering and Design, Volume 203, Issue 1, pp. 13-26, 2001.
15. C. Sak, R. Liu, D.S.-K. Ting, G.W. Rankin, “The role of turbulence length scale and turbulence intensity on forced convection from a heated horizontal circular cylinder”, Experimental Thermal and Fluid Science, Volume 31, Issue 4, pp. 279-289, 2007.
16. Xuejun Zhu, Shichao Ye, Xiaoheng Pan, “The local heat transfer mathematical model between vibrated fluidized beds and horizontal tubes”, Experimental Thermal and Fluid Science, Volume 32, Issue 6, pp. 1279-1286, 2008..
Design of roots blower with two-blade circular impeller
Fu-Shou Wang 1 , Wei-Ya Chen
2 , Wei-Fang Chen
Far East University 2 Department of Mechanical Engineering,
: C07-040
De Lin Institute of Technology Email: [email protected]
NSC Project No. NSC 98-2622-E-269-031-CC3
Abstract Roots blower is important industrial equipment,
which is widely applied in the industry domain for each kind of fluid transfer. The impeller is the most essential part of Roots blower, and its design, manufacture and quality will affect the operating performance of Roots blower directly. The design of blade rotors profiles will directly affect the performance of Roots blower. It is very important to design and define rotor's profile in the design of Roots blower. Roots blower impellers have three blade profiles, which are circular profiles, involute profiles and cycloid profiles. This plan firstly analyzes and researches the equation of the three blade profiles, and select radial distances and axial distance ratios. Theoretically analysis will be made through the calculation of area utilization factors.
The paper will analyze and design the roots blower with two-blade circular impeller, and will use the technology of dynamic meshing and the theoretical analysis to set up roots blower with two-blade circular impeller of profile equations. Using dynamic graphical simulation technology, the parametric design flow of impeller is established.
Keywords: Roots blower, impeller