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軸流風機與渦輪機之流場與性能研究

為了解決工業用 渦輪風扇的問題，作者李新立 這樣論述：

工業用軸流風機 本文根據AMCA 210-85及330-86號標準建立量測風機性能與噪音之測試系統，更進一步以LDV量測市售原型風機與本文所提之改良型風機流場。在設計點下（Q = 95 CMM、N = 175010 rpm、Re = 2.8×105），LDV量測結果顯示改良型二代風機出口切線方向速度分佈較原型風機均勻，且其紊流強度較小；將紊流強度結果與效率及噪音比較後，發現紊流強度小則效率高、噪音低。在提升效率、降低噪音以及盡可能不增加製造成本的前提下，本研究改進風機葉輪（一代及二代風機）及馬達支撐板，結果顯示葉輪的改進可以大幅提升效率，而支撐板的改進則是大幅的降低噪音

。量測結果顯示二代風機在設計點下的全壓效率為54.19%、噪音為70.9 dB，比原型風機效率提升11.38個百分點、噪音降低7.2 dB，表示二代風機比原型風機更符合高效率、低噪音的要求；二代及原型風機在設計點下的馬達輸入功分別為0.49及0.73 kW，此結果顯示二代較原型風機節省能源，以目前工業用電一度需1.8元台幣計算，若以二代風機取代原型風機（國內目前約12000台）運轉一年可節省約四千六百萬元台幣，如將相同原理應用於相近機型風機，節省的經費將更可觀。此外，本研究改變馬達支撐板葉片個數，首度利用量測速度能量頻譜，確定特徵頻率90 Hz來自風機葉輪與支撐板間交互作用。本文研究結果亦顯示

將支撐板挖孔以降低葉片尾流衝擊支撐板力道可以有效的降低噪音；當進一步探討挖孔大小之影響時，發現挖孔率40% 會有最佳的效率及噪音，在設計點下的全壓效率為54.95%、噪音為58.7 dB。在現今社會越來越重視生活環境品質下，本研究所提出降低噪音的方法將對民眾的生活品質，尤其工作環境噪音改善方面有實質之助益；對風機製造業而言，文中所提挖孔減噪方式可大幅降低噪音且製造費用幾無增加，具市場競爭力。本文並歸納研究結果提出一在本文探討參數範圍內之最佳風機規格。 軸流渦輪機 近代渦輪引擎為了滿足更精巧、良好剛性、低成本與耗油量小等需求，渦輪設計已朝向低展弦比、高度轉

角葉片與高轉速等趨勢，因此相關流場極為複雜，實驗量測不易。本文旨在建立國內所缺乏的小型渦輪引擎渦輪機性能與相關熱流參數之量測能力，本研究專注於渦輪靜子出口之流場及渦輪機性能之量測分析。測試模型採用推力300公斤級之單級渦輪機（包括渦輪轉子及靜子）渦輪引擎，其外徑40公分。實驗量測冷流（25 ℃）及熱流（250 ℃）吹試下渦輪靜子出口流場分佈，兩種吹試皆改變靜子壓力比（Pr = 1.92、2.50及2.94）來探討壓力比對靜子出口流場流角、馬赫數、壓力損失、流量、葉尖與輪穀靜壓等之影響。量測結果顯示冷流與熱流吹試的熱流場特性在定性上頗為相似；渦輪效率達75〜85%，且渦輪效率隨膨脹比增加而增加；

隨壓力比增加，出口流場流角減小、馬赫數增加、壓力損失變化不明顯。又由於國內現有之渦輪引擎計算模擬，皆仰賴國外之有限實驗數據比對驗證，故本研究之量測結果乃進一步以數值計算模擬來比對，並獲致合理之一致性，因此計算結果可用於提供靜子之細部流場特性，也就是說國內小型渦輪引擎之研發中理論與實驗相輔相成之目標在本文中予以實現，數值計算結果顯示三種不同壓力比下，皆可發現進口橫截面二次流強度最弱、出口橫截面的流道渦漩及後緣渦漩亦被清楚的顯示，提供後續研究靜子/轉子交互作用之良好基礎。在量測技術方面，本文發現可利用渦輪機壁面靜壓頻譜量測渦輪轉速，這對日後高轉速之小渦輪引擎研究過程中的轉速量測提供很大的助益。