貫流風(fēng)葉結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)風(fēng)量的影響研究

李 磊 萬(wàn)劍峰 劉文靜

（河南理工大學(xué) 焦作 454000）

前言

貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)被大量使用在房間空氣調(diào)節(jié)器、空氣凈化器等眾多的家用電器中。其系統(tǒng)性能的優(yōu)劣嚴(yán)重影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。所以，對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)均勻送風(fēng)、提升系統(tǒng)性能及降噪來(lái)提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，有著至關(guān)重要的意義。

國(guó)內(nèi)外的很多專家和學(xué)者對(duì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了大量的理論分析和數(shù)值模擬。在十九世紀(jì)五十年代，德國(guó)學(xué)者B.Eck認(rèn)為研究貫流風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流動(dòng)特征的關(guān)鍵是要研究其內(nèi)部偏心蝸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因?yàn)槠湎到y(tǒng)內(nèi)部始終存在著偏心渦，此現(xiàn)象將耗費(fèi)大量的能量，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的效率主要取決于被吸回風(fēng)葉的能量大小占總能量的比例大小。因此，理解和掌握偏心渦的形成機(jī)理、位置及強(qiáng)弱是提升產(chǎn)品效率和性能的關(guān)鍵[1]。

基于空調(diào)外殼的幾何形狀及參數(shù)，重點(diǎn)是在外殼的蝸舌安裝角度、蝸殼 尺寸、形狀及蝸舌間隙等參數(shù)方面控制，對(duì)貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)性能提升及降噪方面有著嚴(yán)重的影響[2]，胡俊偉等在系統(tǒng)的蝸舌間隙、外圓周角及蝸舌位置方面進(jìn)行調(diào)整著重研究與系統(tǒng)出口風(fēng)速間的變化關(guān)系[3]。WuCJ等通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)家用直流變頻空調(diào)進(jìn)行氣動(dòng)和聲學(xué)特征分析，綜合分析量蝸殼、蝸舌間隙調(diào)整對(duì)系統(tǒng)性能的影響，進(jìn)行提出部分優(yōu)化方案[4]。上述所提到的貫流風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)和內(nèi)部流場(chǎng)特性對(duì)系統(tǒng)性能提升機(jī)噪音優(yōu)化的影響進(jìn)行了大量的理論分析以及數(shù)值模擬計(jì)算，同時(shí)得到一些有利于風(fēng)機(jī)系統(tǒng)性能提升及噪音優(yōu)化的可實(shí)施項(xiàng)。

但上述的研究基本上都是基于常規(guī)直葉片貫流風(fēng)機(jī)或近對(duì)某一固定扭曲角變斜式葉片貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)行的數(shù)值模擬研究和部分局部的實(shí)驗(yàn)。貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征看似簡(jiǎn)單，但是其內(nèi)部的氣體流動(dòng)卻很復(fù)雜，其內(nèi)部的氣體流動(dòng)為不穩(wěn)定流動(dòng)，因此上述的模擬及相關(guān)研究與實(shí)際情況可能存在部分差異。且目前未見(jiàn)不同扭曲角斜葉片等不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)對(duì)貫流風(fēng)機(jī)性能影響的理論分析及實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證。本文將結(jié)合前期科研人員在數(shù)值模擬及相關(guān)理論分析的基礎(chǔ)上，對(duì)家用空調(diào)用貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)與性能可能強(qiáng)相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行全面實(shí)際的實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析，找到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，這為貫流風(fēng)機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 貫流風(fēng)葉

貫流風(fēng)機(jī)是一種由蝸殼、蝸舌和貫流風(fēng)葉組成的小型通風(fēng)機(jī)。在貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中，氣體從風(fēng)葉轉(zhuǎn)子外邊緣的一側(cè)徑向進(jìn)入葉輪，接著穿過(guò)風(fēng)葉內(nèi)部從另一側(cè)葉片排出。重點(diǎn)注意的是，貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)是極其復(fù)雜的，時(shí)刻都在發(fā)生著旋渦的產(chǎn)生、脫落及耗散等現(xiàn)象，氣體在流經(jīng)風(fēng)葉時(shí)，風(fēng)葉內(nèi)部形成偏心蝸，最終貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部流場(chǎng)被分為偏心渦區(qū)域和貫穿流兩個(gè)區(qū)域。在整個(gè)內(nèi)部流場(chǎng)中偏心渦位置中心的靜壓最低（為負(fù)壓），并且?guī)缀跏峭粍?dòng)的，其作用相當(dāng)于一個(gè)集水池，誘導(dǎo)外側(cè)氣流在渦流周圍不斷流進(jìn)流出，從而形成所謂的貫穿流。

1.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

本次實(shí)驗(yàn)采用被廣泛使用的某家用空調(diào)型號(hào)KFR-32GW配置作為研究對(duì)象，其整個(gè)風(fēng)道系統(tǒng)部件主要有：面板（格柵）部分、蒸發(fā)器部分、蝸殼、蝸舌、接水盤、風(fēng)葉及掃風(fēng)葉片。本次所用貫流風(fēng)葉共用參數(shù)為外徑Φ98 mm，內(nèi)徑Φ85 mm，葉片數(shù)量32片，葉片為圓弧型直葉片，風(fēng)葉軸長(zhǎng)450 mm，葉輪轉(zhuǎn)速為 600 r/min。扭曲葉片沿圓周方向角度不變（等間距分布），在軸向上沿圓周方向整個(gè)葉片扭曲的角度即為扭曲角。風(fēng)葉系統(tǒng)涉及其他相關(guān)參數(shù)（扭曲角、蝸殼、蝸舌間隙、葉片內(nèi)外圓周角等）根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整制作，實(shí)際參數(shù)均在下文中指出。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

本次所有實(shí)驗(yàn)測(cè)試均在同一試驗(yàn)臺(tái)以及相同工況下進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。在自然送風(fēng)模式下，對(duì)可能影響風(fēng)機(jī)系統(tǒng)風(fēng)量的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)逐一進(jìn)行控制測(cè)試。貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的葉輪、蝸舌、蝸殼間隙大小等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)風(fēng)量均有不同程度的影響。

2 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2.1 蝸殼間隙α

分別制作蝸殼間隙為1～4 mm的風(fēng)機(jī)底殼及扭曲角度為60 °、90 °的不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)風(fēng)葉（蝸舌間隙3 mm、內(nèi)圓周角90 °、外圓周角50 °）進(jìn)行風(fēng)量測(cè)試對(duì)比，蝸殼間隙α對(duì)扭曲角分別為60 °和90 °貫流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口體積流率的影響如圖1、表1所示。橫坐標(biāo)蝸殼間隙單位為mm，縱坐標(biāo)出風(fēng)口風(fēng)量為 m3/h，即每小時(shí)通過(guò)貫流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口端面的空氣體積。通過(guò)圖1可看出，隨著α的增大，90 °扭曲角貫流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)量為先增加后減小，并且變化不大；而 60 °扭曲角貫流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)量隨之減小。同時(shí)90 °扭曲角貫流風(fēng)機(jī)出風(fēng)量基本大于 60 °扭曲角出風(fēng)量，在蝸殼間隙為2 mm時(shí)出風(fēng)量一致；90 °扭曲角受蝸殼間隙影響風(fēng)量變化不大，60 °扭曲角受蝸殼間隙影響較大，且蝸殼間隙為3 mm時(shí)，出風(fēng)量最大。

表1 不同蝸殼間隙狀態(tài)下的出風(fēng)量

2.2 蝸舌間隙

分別制作蝸舌間隙為2～7 mm的風(fēng)機(jī)底殼及扭曲角度為60 °、90 °的不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)風(fēng)葉進(jìn)行風(fēng)量測(cè)試對(duì)比（蝸殼間隙3 mm、內(nèi)圓周角90 °、外圓周角50 °），蝸舌間隙 b對(duì)貫流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口體積流率的影響，如圖2、表2所示?？梢员容^看出，隨著b的增大，60 °、90 °扭曲角出風(fēng)量均出現(xiàn)先增大后下降趨勢(shì)，且在蝸殼間隙為3 mm時(shí)，兩種狀態(tài)的扭曲角出風(fēng)量最大，同時(shí)出風(fēng)量差異最?。?0 °扭曲角出風(fēng)量稍大于60 °扭曲角出風(fēng)量）。蝸舌間隙在3～6 mm范圍內(nèi)，60 °扭曲角風(fēng)量變化較穩(wěn)定。從總體來(lái)看，90 °和 60 °扭曲角貫流風(fēng)機(jī)性能相差不大。根據(jù)貫流風(fēng)葉內(nèi)部流場(chǎng)偏心蝸形成原理、流場(chǎng)模擬分析及湍流分析，蝸舌間隙的減小，會(huì)增加風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的回風(fēng)量，但同步會(huì)增大風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)噪聲[5]。

表2 不同蝸舌間隙狀態(tài)下的出風(fēng)量

2.3 葉片內(nèi)圓周角α

分別制作內(nèi)圓周角為40～100 °及扭曲角度為60 °、90 °的不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)風(fēng)葉進(jìn)行風(fēng)量測(cè)試對(duì)比（蝸殼、蝸舌均間隙3 mm、外圓周角50 °），葉片內(nèi)圓周角 α對(duì)貫流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口體積流率的影響如圖3、表3所示。可以看出，隨著 α 的增大，90°和 60°扭曲角貫流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)量基本是先增大后減小，并且數(shù)值相差不大。且兩種不同扭曲角風(fēng)葉基本都在外圓周角為80度時(shí)出風(fēng)量最大?？梢钥闯鐾鈭A周角變化是影響風(fēng)機(jī)系統(tǒng)出風(fēng)量大小的重要因素。

表3 不同內(nèi)圓周角度狀態(tài)下的出風(fēng)量

2.4 葉片外圓周角β

分別制作內(nèi)圓周角為20～70°及扭曲角度為60 °、90 °的不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)風(fēng)葉進(jìn)行風(fēng)量測(cè)試對(duì)比（蝸殼、蝸舌間隙均為3 mm、內(nèi)圓周角為80 °），葉片外圓周角β 對(duì)貫流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口體積流率的影響如圖3、表4所示。通過(guò)圖3可以看出，隨著 β 的增大，90 °和 60 °扭曲角貫流風(fēng)機(jī)出風(fēng)量趨勢(shì)均為先增大后減小，同時(shí)均在外圓周角為40 °左右出風(fēng)量達(dá)到最大，兩者在不同外圓周角情況下，出風(fēng)量基本保持一致，外圓周角是影響風(fēng)機(jī)系統(tǒng)出風(fēng)量的重要因素。

表4 不同外圓周角度狀態(tài)下的出風(fēng)量

2.5 扭曲角度

分別制作0 °（直葉片）、30 °、60 °及90 °四種不同扭曲角度結(jié)構(gòu)狀態(tài)的風(fēng)葉（蝸殼、蝸舌間隙均為3 mm、內(nèi)圓周角為80 °，外圓周角為50°）見(jiàn)表5，同時(shí)測(cè)試上述四種狀態(tài)的風(fēng)葉在不同轉(zhuǎn)速下的出風(fēng)量表現(xiàn)。本輪實(shí)驗(yàn)的風(fēng)葉其他參數(shù)均是在根據(jù)前面實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)出風(fēng)量影響較小的前提下設(shè)定的。通過(guò)圖4可出，隨著從直葉片到扭曲角度的增大，且在不同的轉(zhuǎn)速下，出風(fēng)量均出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且在扭曲角為60 °附近時(shí)，出風(fēng)量達(dá)到最大，在0 °（直葉片）與斜葉片其他扭曲角度出風(fēng)量對(duì)比變化不大。何時(shí)采用不等距分布葉片和斜葉輪以及其當(dāng)時(shí)的工作條件還需進(jìn)一步探討。在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)直葉片風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的風(fēng)口出風(fēng)更均勻。

表5 不同扭曲角度狀態(tài)下的出風(fēng)量

3 結(jié)論

1）通過(guò)上述對(duì)不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整對(duì)比測(cè)試發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的蝸殼、蝸舌間隙、風(fēng)葉自身結(jié)構(gòu)狀態(tài)是影響風(fēng)機(jī)系統(tǒng)風(fēng)量的主要因素。

2）在其他參數(shù)相同的條件下，斜風(fēng)葉風(fēng)機(jī)系統(tǒng)較直風(fēng)葉風(fēng)機(jī)系統(tǒng)具有較高的出風(fēng)量。較小的蝸舌間隙（3 mm左右）、斜葉片內(nèi)圓周角約80 °，外圓周角為約40 °，扭曲角度約60 °時(shí)，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)風(fēng)量達(dá)到最大，同步需考慮在此條件下風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的氣動(dòng)噪音變化，需要在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的風(fēng)量及噪音之間進(jìn)行權(quán)衡，選取部分合適的參數(shù)變量去優(yōu)化風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)。

3）同步需要注意，不同的增加風(fēng)量?jī)?yōu)化風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的方法的疊加并不等于各方法單獨(dú)增加風(fēng)量的總和，應(yīng)針對(duì)具體實(shí)際情況選用相應(yīng)的優(yōu)化風(fēng)量措施。采用何種增加風(fēng)量的方法，應(yīng)綜合考慮噪聲、氣動(dòng)特性、工藝、結(jié)構(gòu)、成本等各方面因素，統(tǒng)籌衡量才能達(dá)到預(yù)期的效果。