貫流風(fēng)機(jī)風(fēng)道系統(tǒng)的抗風(fēng)阻性能試驗(yàn)與分析

金 龍，黃鑒良，黎金強(qiáng)，段華鋒

（珠海三友環(huán)境技術(shù)有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引言

隨著科技創(chuàng)新生產(chǎn)力不斷發(fā)展，消費(fèi)者的生活質(zhì)量、生活品質(zhì)有了大步提升，對(duì)使用的產(chǎn)品功能、性能等要求也越來越高，為了提高空調(diào)產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力，設(shè)計(jì)的深入點(diǎn)不止于整機(jī)的性能，還在深入到產(chǎn)品使用體驗(yàn)上?？照{(diào)運(yùn)行過程中通過兩器與外界的氣流進(jìn)行熱交換來實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的溫度的調(diào)節(jié)，其內(nèi)部風(fēng)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)啟到了很大的作用，貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)是家用空調(diào)器中應(yīng)用最為廣泛的一種[1]。

貫流風(fēng)機(jī)工作氣流從風(fēng)葉一端進(jìn)入從另一端排出，氣流在葉輪內(nèi)被強(qiáng)制轉(zhuǎn)向，能量損耗大，且內(nèi)部氣流存在一部分回流并產(chǎn)生了非穩(wěn)態(tài)的偏心渦區(qū)域，當(dāng)使用環(huán)境、風(fēng)道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變都將會(huì)對(duì)風(fēng)道系統(tǒng)的風(fēng)量、噪聲有著不同程度的影響，但貫流風(fēng)機(jī)風(fēng)道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、噪聲低、風(fēng)量變化范圍大，其特點(diǎn)十分滿足家用電器的要求，因此在家用內(nèi)機(jī)壁掛空調(diào)得到了廣泛的應(yīng)用[2ˉ3]。目前對(duì)貫流風(fēng)機(jī)偏心渦、貫流風(fēng)葉幾何形狀的特性有不少實(shí)驗(yàn)研究，也發(fā)展了很多不同的降低氣動(dòng)噪聲的方法和技術(shù)，已有相應(yīng)的試驗(yàn)裝置用于這方面的研究。本文以風(fēng)機(jī)系統(tǒng)氣動(dòng)特性為基礎(chǔ)，研究了空調(diào)內(nèi)機(jī)運(yùn)行過程中的風(fēng)道抗風(fēng)阻性能，模擬了機(jī)器由于安裝空間不夠、濾網(wǎng)臟堵、電機(jī)反饋較慢等情況下的喘氣噪聲，以試驗(yàn)為依據(jù)分析其過程中風(fēng)道系統(tǒng)對(duì)其影響因素，得出了提高抗風(fēng)阻性能的方法以及抗風(fēng)阻性能的評(píng)估指數(shù)。

1 貫流風(fēng)機(jī)風(fēng)道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文主要研究了VINO 牌家用空調(diào)內(nèi)機(jī)的貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，如圖1 所示為貫流風(fēng)道系統(tǒng)截面，其由進(jìn)風(fēng)口、蒸發(fā)器部件、貫流風(fēng)葉、蝸殼、蝸舌、出風(fēng)口等結(jié)構(gòu)組成，其中風(fēng)葉直徑?98，葉片數(shù)量35，風(fēng)葉葉片的內(nèi)外直徑比為0.8，葉片的外周角為26°、內(nèi)周角為90°。風(fēng)道系統(tǒng)采用前、后蝸舌方案，其中前蝸舌與風(fēng)葉的距離為4.5 mm，后蝸舌與風(fēng)葉的間隙為5.5 mm。風(fēng)道系統(tǒng)出風(fēng)口上端面與下端面的風(fēng)口夾角為20°[4]。本文將對(duì)以上部分因素通過試驗(yàn)測(cè)試方法分析對(duì)整機(jī)的抗風(fēng)阻性能的影響。

圖1 空調(diào)內(nèi)機(jī)貫流風(fēng)機(jī)風(fēng)道截面Fig.1 The cross section of cross flow fan duct in air conditioner

2 試驗(yàn)與分析

2.1 喘振分析

貫流風(fēng)機(jī)風(fēng)道系統(tǒng)中的動(dòng)壓、靜壓在運(yùn)行時(shí)是處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)風(fēng)葉轉(zhuǎn)速、風(fēng)道系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口阻力發(fā)生變化后，貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)部的偏心渦的強(qiáng)度、范圍會(huì)隨之發(fā)生變化并向穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，其風(fēng)道內(nèi)部的動(dòng)壓Pbi、風(fēng)道出口動(dòng)壓Pbo兩者相互轉(zhuǎn)化，電機(jī)則通過持續(xù)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來平衡風(fēng)道內(nèi)部氣流的波動(dòng)，內(nèi)部壓差越大越易受到外界的干擾，此時(shí)出風(fēng)口就會(huì)出現(xiàn)連續(xù)不斷的喘振聲。測(cè)試發(fā)現(xiàn)風(fēng)葉運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)越小，整個(gè)系統(tǒng)累計(jì)風(fēng)量越大，反之風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中存在喘振情況會(huì)直接降低了風(fēng)機(jī)的效率。貫流風(fēng)機(jī)風(fēng)道系統(tǒng)內(nèi)部的蝸舌與風(fēng)葉之間的距離也對(duì)其性能有影響，距離越小則風(fēng)量越大[1]。出風(fēng)口的尺寸、角度可調(diào)節(jié)風(fēng)道出風(fēng)阻尼，尺寸和角度減小，風(fēng)葉也會(huì)減小。通過分析，在相同條件下，其可控且影響風(fēng)機(jī)性能的因素[5-6]應(yīng)有如下關(guān)系：

式中：Pbi為風(fēng)道內(nèi)部的動(dòng)壓；Pbo為風(fēng)道出口動(dòng)壓；N為風(fēng)葉葉片數(shù)量；Δω為風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)波動(dòng)幅度；η1為風(fēng)葉作用效率；1/ε1為風(fēng)葉與前蝸舌間隙的倒數(shù)；1/ε2為風(fēng)葉與后蝸舌間隙的倒數(shù)；1/θ為風(fēng)道出風(fēng)口開口角度的倒數(shù)；D為風(fēng)道出風(fēng)口開口距離。

式（1）描述了對(duì)其風(fēng)道系統(tǒng)性能的影響趨勢(shì)，通過更改相關(guān)參數(shù)可對(duì)風(fēng)道內(nèi)部動(dòng)壓、風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)波動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以降低實(shí)際使用過程中由于內(nèi)部氣流不穩(wěn)而造成的喘振聲，本文按照此思路對(duì)空調(diào)內(nèi)機(jī)風(fēng)道系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析試驗(yàn)[7ˉ8]。

2.2 試驗(yàn)方案與設(shè)計(jì)

進(jìn)風(fēng)口與天花板距離太近，長(zhǎng)時(shí)間使用易造成進(jìn)風(fēng)口過濾網(wǎng)臟堵，都增大了進(jìn)風(fēng)阻力，影響了風(fēng)道系統(tǒng)內(nèi)部的動(dòng)壓、風(fēng)道系統(tǒng)內(nèi)部的偏心渦。按機(jī)器安裝情況，本文設(shè)置進(jìn)風(fēng)口面與天花板之間的距離為15 cm，并采用多層60 目塑料濾網(wǎng)模擬濾網(wǎng)臟堵程度，空調(diào)出風(fēng)口導(dǎo)風(fēng)板固定到第3 定格，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置850 r/min 擋位，測(cè)試內(nèi)機(jī)在更改影響喘振聲因素后持續(xù)運(yùn)行1 min內(nèi)的喘振次數(shù)，并以此作為各因素影響強(qiáng)弱的指標(biāo)來評(píng)估現(xiàn)有機(jī)器的抗風(fēng)阻性能，測(cè)試工況設(shè)置如2所示。

圖2 抗風(fēng)阻性能模擬試驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of wind resistance performance simulation experiment

2.3 抗風(fēng)阻性能試驗(yàn)與分析

（1）出風(fēng)口對(duì)風(fēng)道系統(tǒng)抗風(fēng)阻性能的影響

調(diào)節(jié)出風(fēng)口的結(jié)構(gòu)能夠調(diào)整風(fēng)道內(nèi)部氣流氣壓，當(dāng)減小出風(fēng)口角度或距離時(shí)，風(fēng)道內(nèi)部的氣壓會(huì)增大，對(duì)應(yīng)的Pbi/Pbo值會(huì)相對(duì)增大，但是風(fēng)量會(huì)降低，出風(fēng)口的氣流速度會(huì)增大，此更改提高了干擾能力，減弱了由內(nèi)部氣壓不穩(wěn)定而產(chǎn)生的喘振聲，反之出風(fēng)口尺寸增大，風(fēng)量增加，但抗風(fēng)阻性能會(huì)降低。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，減小了出風(fēng)口的尺寸或者更改了出風(fēng)口的角度都將會(huì)導(dǎo)致風(fēng)道系統(tǒng)的產(chǎn)生的風(fēng)量會(huì)有所減小，此調(diào)整需要按照實(shí)際性能要求調(diào)節(jié)風(fēng)口尺寸[9ˉ10]。本節(jié)減小了風(fēng)道系統(tǒng)出風(fēng)口上下端面之間距離以及開口角度，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在850 r/min進(jìn)行了抗風(fēng)阻性能測(cè)試，如圖3 所示更改前原樣機(jī)在1 min 內(nèi)沒有喘氣聲條件下在能夠堆疊2、3 層濾網(wǎng)，在更改了出風(fēng)口結(jié)構(gòu)后在其抗風(fēng)阻性能有一定提升，能夠做到4、5層，有一定的改善。

圖3 出風(fēng)口尺寸對(duì)風(fēng)道系統(tǒng)抗風(fēng)阻性能的影響Fig.3 Influence of outlet size on wind resistance performance of air duct system

（2）前蝸舌結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)道系統(tǒng)抗風(fēng)阻性能的影響

蝸舌的位置和結(jié)構(gòu)貫流風(fēng)道系統(tǒng)性能有顯著影響，蝸舌分割點(diǎn)與風(fēng)葉越近，產(chǎn)生的偏心渦范圍減小，風(fēng)量增大直接影響內(nèi)部的動(dòng)壓增大，風(fēng)阻性能也會(huì)增大。本節(jié)設(shè)計(jì)了加高前蝸舌、減小了蝸舌與貫流風(fēng)機(jī)的距離兩種方案進(jìn)行了抗風(fēng)阻性能測(cè)試，如圖4 所示，測(cè)試數(shù)據(jù)顯示前蝸舌加高后對(duì)抗風(fēng)阻性能沒有改善，但減小了蝸舌與貫流風(fēng)機(jī)距離風(fēng)道系統(tǒng)的抗風(fēng)阻性能相對(duì)原樣機(jī)有2 層的提高，此更改風(fēng)量有一定程度的提高，在相同情況下偏心渦的范圍減小，內(nèi)部動(dòng)壓增大，受到相同進(jìn)風(fēng)口阻尼時(shí)抗風(fēng)阻性能明顯增強(qiáng)。

圖4 前蝸舌對(duì)風(fēng)道系統(tǒng)抗風(fēng)阻性能的影響Fig.4 Influence of anterior cochlear tongue on wind resistance of air duct system

（3）風(fēng)葉葉型對(duì)風(fēng)道系統(tǒng)抗風(fēng)阻性能的影響

理論分析更換不同形式風(fēng)葉目的在于更改風(fēng)道系統(tǒng)內(nèi)部的氣流強(qiáng)度以及氣流方向。圖5 所示為原機(jī)型狀態(tài)下更換了不同形式的風(fēng)葉后測(cè)試的風(fēng)道系統(tǒng)抗風(fēng)阻性能指數(shù)，其中原風(fēng)葉1的葉型與風(fēng)葉2的葉型是一致的，區(qū)別在于風(fēng)葉2增加了中結(jié)密封結(jié)構(gòu)，風(fēng)葉2能夠很好的將每個(gè)中結(jié)內(nèi)的氣流分割，減小出現(xiàn)氣動(dòng)串動(dòng)，降低了氣壓不穩(wěn)，提高了風(fēng)葉轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性。其中風(fēng)葉3 是斜齒風(fēng)葉，旋轉(zhuǎn)過程中對(duì)氣流作用與出口方向存在一定的夾角，使內(nèi)部氣流動(dòng)存在一定方向，整個(gè)風(fēng)道內(nèi)偏向側(cè)受到氣壓作用，對(duì)應(yīng)的區(qū)域氣壓升高，相對(duì)不穩(wěn)定的區(qū)域減小，這也提高了風(fēng)葉轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，雖然相對(duì)于直齒風(fēng)葉風(fēng)量偏低，但氣動(dòng)特性相對(duì)穩(wěn)定。風(fēng)葉其匹配性要求較高，不同的風(fēng)道表現(xiàn)出的結(jié)果不同，需要通過多組試驗(yàn)才能得到與風(fēng)道系統(tǒng)最為匹配的風(fēng)葉葉型[7ˉ8]。從測(cè)試數(shù)據(jù)看，針對(duì)性更換風(fēng)葉，抗風(fēng)阻性能有1～2 層的提升，并且風(fēng)葉3 提升較風(fēng)葉2 好，斜齒風(fēng)葉帶來的氣動(dòng)特性會(huì)更好。

圖5 風(fēng)葉結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)道系統(tǒng)抗風(fēng)阻性能的影響Fig.5 Influence of blade structure on wind resistance performance of air duct system

（4）電機(jī)參數(shù)對(duì)風(fēng)道系統(tǒng)抗風(fēng)阻性能的影響

為了減小由氣流氣壓不穩(wěn)而導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，本節(jié)換大扭矩電機(jī)，同時(shí)還縮短了調(diào)節(jié)了控制電機(jī)反饋的周期，將電機(jī)反饋周期縮短一半，對(duì)以上兩種方案也進(jìn)行了抗風(fēng)阻性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6 所示，其上述更改抗風(fēng)阻性能指數(shù)只有1 層濾網(wǎng)的提升，效果不明顯[11]。

圖6 電機(jī)、控制邏輯對(duì)風(fēng)道系統(tǒng)抗風(fēng)阻性能的影響Fig.6 Influence of motor and control logic on wind resistance performance of air duct system

（5）試驗(yàn)樣機(jī)優(yōu)化前、后的抗風(fēng)阻性能指數(shù)分析

通過對(duì)各因素抗風(fēng)阻性能的更改方案實(shí)施成本分析，在滿足性能的要求下，更改風(fēng)道系統(tǒng)中前蝸舌結(jié)構(gòu)、更換風(fēng)葉以及調(diào)整電機(jī)控制邏輯成本最低。圖7 所示為樣機(jī)按此方案調(diào)整前后4 臺(tái)樣機(jī)抗風(fēng)阻性能指數(shù)，數(shù)據(jù)顯示更改前后的抗風(fēng)阻性至少有4 層濾網(wǎng)性能提升，且進(jìn)風(fēng)口濾網(wǎng)堆疊數(shù)量都能夠達(dá)到7 層，也說明了優(yōu)化方案是有效的。

圖7 樣機(jī)優(yōu)化前、后的抗風(fēng)阻性能指數(shù)Fig.7 The wind resistance performance index of the prototype before and after optimization

對(duì)抗風(fēng)阻性能達(dá)到7 層濾網(wǎng)的樣機(jī)，更換上已經(jīng)嚴(yán)重臟堵的濾網(wǎng)和蒸發(fā)器部件后運(yùn)行時(shí)沒有出現(xiàn)喘振聲，這說明了可將7層60目濾網(wǎng)堆疊在進(jìn)風(fēng)口處1 min內(nèi)不產(chǎn)生喘振聲的要求作為貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的抗風(fēng)阻性能評(píng)估指數(shù)，滿足此要求的空調(diào)內(nèi)機(jī)，長(zhǎng)時(shí)間使用出現(xiàn)喘振聲的概率更低。

3 結(jié)束語

本文通過分析了貫流風(fēng)葉方案的空調(diào)內(nèi)機(jī)前蝸舌結(jié)構(gòu)、更換不同葉型風(fēng)葉等參數(shù)對(duì)抗風(fēng)阻性能的影響，設(shè)計(jì)了能夠評(píng)估貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的抗風(fēng)阻性能測(cè)試方案。通過多組試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，在空調(diào)內(nèi)機(jī)進(jìn)風(fēng)口堆疊7 層60 目濾網(wǎng)且1 min 內(nèi)出風(fēng)口沒有出現(xiàn)喘振聲可作為新開發(fā)的貫流分析風(fēng)道系統(tǒng)抗風(fēng)阻性能評(píng)估指數(shù)，此不僅為出現(xiàn)喘振問題的已定形的機(jī)器提供解決方案，還為以后貫流風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的抗風(fēng)阻性能評(píng)估提供參考依據(jù)。