多翼離心風(fēng)機(jī)葉片出口安裝角對(duì)吸油煙機(jī)性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

劉小民 湯 虎/西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院

樊 濤*/夏津一中

0 引言

前向多翼離心通風(fēng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊，壓力系數(shù)高、流量系數(shù)大的突出特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在家用電器、空氣調(diào)節(jié)及各種通風(fēng)換氣設(shè)備中[1]。多翼離心風(fēng)機(jī)作為吸油煙機(jī)風(fēng)道系統(tǒng)重要的動(dòng)力源，同時(shí)也是整個(gè)系統(tǒng)主要的噪聲源。其中，葉輪是離心風(fēng)機(jī)中的旋轉(zhuǎn)部件，對(duì)風(fēng)機(jī)中的能量轉(zhuǎn)換和傳遞起著重要作用，但是吸油煙機(jī)用多翼離心風(fēng)機(jī)具有葉輪流道短、葉片彎曲度大、葉片數(shù)多的特點(diǎn)，在葉片出口尾緣容易產(chǎn)生流動(dòng)分離渦和尾跡渦，不但會(huì)增加流動(dòng)損失，還會(huì)誘發(fā)較大的氣動(dòng)噪聲，特別是尾跡渦脫落將影響到下游蝸殼內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)，引起多翼離心風(fēng)機(jī)噪聲增加[2]。

目前國(guó)內(nèi)外很多研究者對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要著眼于風(fēng)機(jī)的葉輪，以提高風(fēng)機(jī)的性能為目標(biāo)，對(duì)葉輪的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如葉片的型線[3]，進(jìn)出口安裝角[4]，葉片數(shù)[5]，輪徑比以及相對(duì)寬度比[6]等進(jìn)行改進(jìn)。上述每個(gè)參數(shù)的改變都會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能和噪聲特性產(chǎn)生較大的影響。黃宸武等人[7]、魏文平[8]對(duì)影響多翼離心風(fēng)機(jī)性能的重要參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，指出葉片出口安裝角對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)性能的影響最大。秦國(guó)良[9]對(duì)葉片出口安裝角和風(fēng)機(jī)性能之間的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，提出了一種多翼離心風(fēng)機(jī)變?nèi)~片安裝角的設(shè)計(jì)方法。由此可見(jiàn)，葉片出口安裝角是影響多翼離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能和噪聲特性的主要參數(shù)。對(duì)葉道中葉片非工作面一側(cè)氣流分離引起的失穩(wěn)性葉輪流道流場(chǎng)而言，通過(guò)增加葉片出口角，可以加大葉道收縮系數(shù)，從而達(dá)到維持葉道流場(chǎng)穩(wěn)定性的目的，但葉輪出口角過(guò)大又會(huì)造成葉片曲率過(guò)大，誘發(fā)下游蝸殼內(nèi)渦流的產(chǎn)生，氣動(dòng)噪聲增加。因此葉片出口安裝角的設(shè)計(jì)和選用應(yīng)給以足夠的重視，使得吸油煙機(jī)用多翼離心風(fēng)機(jī)的壓力、流量和噪聲均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

以上研究以葉片出口角對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)的影響為主，這些改進(jìn)方法對(duì)吸油煙機(jī)用多翼離心風(fēng)機(jī)不一定會(huì)起到相同的效果。這是因?yàn)槎嘁黼x心風(fēng)機(jī)處于吸油煙機(jī)的箱體內(nèi)部，箱體的尺寸、風(fēng)機(jī)的安放位置和進(jìn)風(fēng)方式都有可能會(huì)影響吸油煙機(jī)的性能。為了更全面掌握和了解風(fēng)機(jī)葉片出口安裝角對(duì)吸油煙機(jī)整體性能的影響，尋求針對(duì)吸油煙機(jī)風(fēng)道系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文以某款近吸式吸油煙機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在保證吸油煙機(jī)其他設(shè)計(jì)參數(shù)不變的情況下，采用實(shí)驗(yàn)方法研究了不同葉片出口安裝角對(duì)吸油煙機(jī)風(fēng)壓、風(fēng)量以及噪聲的影響，并對(duì)吸油煙機(jī)風(fēng)道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了合理的建議。

1 吸油煙機(jī)及多翼離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)

近吸式吸油煙機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由三部分組成：多翼離心風(fēng)機(jī)，箱體以及面板。油煙由面板上的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入煙機(jī)，在風(fēng)機(jī)的作用下被排出室外。如圖1所示。

圖1 近吸式吸油煙機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，該型吸油煙機(jī)用多翼離心風(fēng)機(jī)為雙面進(jìn)氣的結(jié)構(gòu)，由葉輪、蝸殼、導(dǎo)流罩以及內(nèi)置電動(dòng)機(jī)四部分構(gòu)成。葉輪具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3所示為：葉輪內(nèi)徑D1=204mm，葉輪外徑D2=240mm，葉片數(shù)為Z=60片，葉片為單圓弧型等厚度葉片，且沿圓周均勻分布，葉片厚度為0.5mm，葉片進(jìn)口角β1=72°，葉片出口角β2=170°，葉道中心角φ=98°，葉輪軸向?qū)挾?36mm，蝸殼寬度160mm。為了研究不同葉片出口角對(duì)吸油煙機(jī)氣動(dòng)性能和聲學(xué)性能的影響，本實(shí)驗(yàn)將葉片出口角分別減小和增大10°，即葉片出口角分別取為160°、170°、180°。

圖2 多翼離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖3 葉輪安裝角示意圖

2 吸油煙機(jī)性能測(cè)試試驗(yàn)裝置和方法

氣動(dòng)性能和噪聲試驗(yàn)測(cè)試以近吸式吸油煙機(jī)為研究對(duì)象，按照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17713-1999 外排式吸油煙機(jī)空氣性能試驗(yàn)方法和GB/T17713-1999 吸油噪聲試驗(yàn)方法進(jìn)行。其中吸油煙機(jī)氣動(dòng)性能測(cè)試的試驗(yàn)裝置如圖4 所示，主要包括：待測(cè)吸油煙機(jī)、連接器、十字整流器、擴(kuò)散段，減壓筒和數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)。

圖4 吸油煙機(jī)氣動(dòng)性能測(cè)試臺(tái)

氣動(dòng)性能試驗(yàn)是在強(qiáng)檔轉(zhuǎn)速（n=1 070r/min）下，保證吸油煙機(jī)其他結(jié)構(gòu)不變，對(duì)葉片出口角為160°、170°、180°的吸油煙機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)性能測(cè)試。通過(guò)對(duì)每個(gè)工況點(diǎn)下的室內(nèi)大氣壓力、大氣溫度、相對(duì)濕度以及減壓筒內(nèi)計(jì)示靜壓和主電機(jī)輸入功率進(jìn)行測(cè)試，將上述測(cè)量結(jié)果進(jìn)行換算，最后得到風(fēng)機(jī)在不同工況下的吸油煙機(jī)風(fēng)量，全壓以及全壓效率。

吸油煙機(jī)噪聲測(cè)試是在半消聲室中進(jìn)行的，其底部離地面高度要高于1.3m。在測(cè)試過(guò)程中，需要保證吸油煙機(jī)以及多翼離心風(fēng)機(jī)的進(jìn)出口沒(méi)有其它部件阻礙流動(dòng)，消除地面以及其它部件的振動(dòng)噪聲。試驗(yàn)測(cè)試裝置如圖5所示，噪聲測(cè)量采用手執(zhí)式聲級(jí)計(jì)。

圖5 全球包絡(luò)法噪聲測(cè)試裝置圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖6 所示為多翼離心風(fēng)機(jī)葉片出口角分別為160°，170°，180°時(shí)，在相同轉(zhuǎn)速n=1 070r/min下吸油煙機(jī)流量-全壓效率性能曲線。

圖6 全壓效率隨流量變化的曲線圖

由圖6 可以看出：減小葉片出口角時(shí)，在風(fēng)量為0～10m3/min 的范圍內(nèi)，吸油煙機(jī)的全壓效率比使用原葉輪有所增大，且在國(guó)標(biāo)規(guī)定的風(fēng)量7m3/min，吸油煙機(jī)全壓效率最大，提高約2.43%。當(dāng)流量大于10m3/min 時(shí)，吸油煙機(jī)的全壓效率與使用原葉輪的相比有所下降。相比之下，提高葉片出口角，吸油煙機(jī)的全壓效率在全流量區(qū)域內(nèi)比原葉輪的效率有所下降。在國(guó)標(biāo)規(guī)定的風(fēng)量7m3/min 時(shí)，效率下降了0.6%，這主要是因?yàn)槿~片出口角過(guò)大導(dǎo)致葉輪流道內(nèi)流動(dòng)速度提高，從而使氣體流動(dòng)的摩擦損失有所增加。

圖7 和圖8 為多翼離心風(fēng)機(jī)葉片出口角分別為160°，170°（原葉輪），180°時(shí)在相同轉(zhuǎn)速n=1 070r/min 下吸油煙機(jī)流量-全壓、流量-靜壓性能曲線。圖7 和圖8 表明，在大部分風(fēng)量范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的吸油煙機(jī)的靜壓和全壓會(huì)隨著葉片出口角的增加，有不同程度的提高。在國(guó)標(biāo)規(guī)定風(fēng)量7m3/min，使用θ2=180°吸油煙機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)靜壓最大，比使用原葉輪的吸油煙機(jī)提高了32Pa，比使用θ2=160°的吸油煙機(jī)提高了39Pa。根據(jù)國(guó)標(biāo)定義，吸油煙機(jī)的最大風(fēng)量為靜壓值為0 時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)輸送的氣體體積。圖7 表明，與原吸油煙機(jī)相比，改變?nèi)~輪出口后最大流量略有下降。

表1 不同葉片出口安裝角度下吸油煙機(jī)的性能比較表

由表1 得到的數(shù)據(jù)可知，在強(qiáng)檔轉(zhuǎn)速n=1 070r/min 下，減小葉片出口角時(shí)，吸油煙機(jī)A聲級(jí)與使用原葉輪的吸油煙機(jī)（θ2=170°）相比，下降約1.2dB，降噪效果較好；提高葉片出口角時(shí)，吸油煙機(jī)A聲級(jí)提高了1.1dB，分析認(rèn)為：由于葉片出口角過(guò)大導(dǎo)致葉片曲率過(guò)大，蝸殼內(nèi)流動(dòng)惡化，渦流強(qiáng)度加劇，引起較大的噪聲。

圖7 靜壓隨流量變化的曲線圖

圖8 全壓隨流量變化的曲線圖

4 結(jié)論

本文采用實(shí)驗(yàn)研究的方法，考察了吸油煙機(jī)用多翼離心風(fēng)機(jī)葉片出口角度對(duì)吸油煙機(jī)整體氣動(dòng)性能的影響。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，只考慮了葉片出口安裝角的改變，并沒(méi)有考慮葉輪設(shè)計(jì)與蝸殼的匹配以及煙道管網(wǎng)壓力的變化。研究發(fā)現(xiàn)：

1）在小流量的工況范圍內(nèi)，葉片出口角越小，吸油煙機(jī)全壓效率越高。在大流量工況范圍內(nèi)，θ2=160°的吸油煙機(jī)全壓效率略有減小。當(dāng)風(fēng)量規(guī)定為7m3/min 時(shí)，θ2=160°的吸油煙機(jī)全壓效率最高，達(dá)到了26.17%，效率提高約2.43%。

2）吸油煙機(jī)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的靜壓和全壓會(huì)隨著葉片出口角的增加而有不同程度的提高，當(dāng)葉片出口角大于170°時(shí)，隨葉片出口角的增大，吸油煙機(jī)最大風(fēng)量不再有明顯的增加；然而隨著葉片出口角的增加，吸油煙機(jī)的噪聲不斷增大。

3）盡管θ2=160°的吸油煙機(jī)最大風(fēng)量和靜壓略有減小，大流量時(shí)全壓效率亦有所降低，但總體考慮流量，噪聲和全壓效率的影響時(shí)，葉片出口角θ2=160°的吸油煙機(jī)性能較好。

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