吸油煙機(jī)進(jìn)風(fēng)口氣流預(yù)旋增壓技術(shù)的研究及應(yīng)用

陳建偉

【摘 要】本文以一款吸油煙機(jī)用的多翼離心風(fēng)機(jī)為基礎(chǔ)研究對象，通過在其進(jìn)風(fēng)口處增加環(huán)狀百葉窗導(dǎo)流葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計改進(jìn)，減小了氣流在進(jìn)入風(fēng)機(jī)蝸殼前的進(jìn)氣攻角，改善風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口氣流的流動分離，降低進(jìn)風(fēng)口處的回旋渦流，使氣流在進(jìn)入蝸殼前具有預(yù)旋增壓能力，從而達(dá)到提高風(fēng)機(jī)整體性能、降低整機(jī)噪音的目的，并在模具樣機(jī)上得到實驗驗證。

【關(guān)鍵詞】多翼離心風(fēng)機(jī) 預(yù)旋增壓 進(jìn)氣損失 導(dǎo)流器 全壓效率 降噪

1 前言

吸油煙機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)已于2013年起開始實施，新國標(biāo)的出臺對吸油煙機(jī)的設(shè)計和制造提出了更高的要求。為使產(chǎn)品能符合國家一級能效標(biāo)準(zhǔn)的要求，取得風(fēng)機(jī)性能的提升，各大廠商均投入了大量的人力、物力進(jìn)行開發(fā)研究。由于目前交流電機(jī)技術(shù)已經(jīng)較為成熟，效率很難再提高，而改用直流電機(jī)則會大大增加成本。作為離心風(fēng)機(jī)的核心部件，蝸殼的設(shè)計原理必須基于阿基米德螺旋線方程，很難有新的突破。本文將介紹一種新的吸油煙機(jī)進(jìn)風(fēng)口結(jié)構(gòu)方式，可在不大幅度增加成本的前提下，使吸油煙機(jī)的產(chǎn)品性能得到提升。

2 現(xiàn)有吸油煙機(jī)進(jìn)風(fēng)口設(shè)計缺陷分析

大多數(shù)吸油煙機(jī)均采用多翼離心風(fēng)機(jī)作為核心部件，其進(jìn)風(fēng)圈邊緣基本采用圓弧造型進(jìn)行過渡，如圖一所示。氣流通過該圓弧曲面引導(dǎo)過渡后直接進(jìn)入風(fēng)機(jī)內(nèi)部，氣體流動主要靠葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的負(fù)壓來完成。風(fēng)機(jī)周圍的氣體在流動過程中首先要克服自身當(dāng)前的運(yùn)動狀態(tài)，然后跟隨風(fēng)機(jī)周邊氣流的運(yùn)動軌跡，在葉輪產(chǎn)生負(fù)壓的驅(qū)動下加速后進(jìn)入蝸殼內(nèi)部。

為更好地促進(jìn)氣流加速運(yùn)動，葉輪采用了多葉片加速葉道的設(shè)計方案，目的是利用加速葉道改善葉道內(nèi)的流動分離，加速葉道要求要有較大的葉片進(jìn)口氣流角（該角度α1>60°）以及較小的葉片出口氣流角（該角度α2<30°），進(jìn)口氣流角越大，會使葉片進(jìn)口氣流產(chǎn)生較大的進(jìn)氣攻角，帶來進(jìn)風(fēng)口氣流產(chǎn)生流動分離，最終導(dǎo)致進(jìn)氣損失加大。而現(xiàn)有的進(jìn)風(fēng)口導(dǎo)流圓弧結(jié)構(gòu)簡單，難以改善葉片進(jìn)口氣流的進(jìn)氣攻角。

3 導(dǎo)流葉片設(shè)計原理說明

進(jìn)風(fēng)口導(dǎo)流器調(diào)節(jié)是風(fēng)機(jī)常用的調(diào)節(jié)方式，原理是在進(jìn)風(fēng)口處增加導(dǎo)流器，通過調(diào)整導(dǎo)流器的葉片安裝角度，可調(diào)節(jié)氣流進(jìn)入葉輪的進(jìn)氣角度，使之與風(fēng)機(jī)系統(tǒng)相匹配，從而達(dá)到合理調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)各個工況點(diǎn)的目的。

本方案通過設(shè)計一個帶有傾斜葉片的導(dǎo)流器，并將該導(dǎo)流器安裝在風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口處，可使氣流在進(jìn)入風(fēng)機(jī)前先產(chǎn)生預(yù)旋，經(jīng)過預(yù)旋的氣流具有切向速度v1，由于導(dǎo)流葉片的傾斜方向與葉輪的運(yùn)轉(zhuǎn)方向相同，均為順時針方向，因此v1為正值。根據(jù)葉片式風(fēng)機(jī)的能量方程式[1]：pth=p（u2v2-u1v1）

公式中：pth——葉片式風(fēng)機(jī)的理論全壓；

u1、u2——風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口圓周速度；

v1、v2——風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口速度的切向分速。

綜上所述，當(dāng)導(dǎo)流器的傾斜葉片設(shè)計角度β越大，氣流的正預(yù)旋速度就越大，此時pth將減小，氣流壓力的下降將導(dǎo)致風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動氣體的密度ρ減小，造成進(jìn)氣損失，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)整體性能下降；反之，當(dāng)導(dǎo)流器的傾斜葉片設(shè)計角度β越小時，風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口面積將變小，此時出風(fēng)口若未能及時調(diào)整，則容易造成進(jìn)、出風(fēng)口面積比例失調(diào)，風(fēng)機(jī)氣流補(bǔ)充不足，最終導(dǎo)致pth值異常，即風(fēng)機(jī)性能下降。理論上傾斜葉片的設(shè)計優(yōu)選角度為：45°≤β≤85°。

4 技術(shù)方案與實驗驗證

4.1 設(shè)計方案

為解決現(xiàn)有吸油煙機(jī)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)氣攻角較大，降低進(jìn)風(fēng)口氣流的流動分離，減少風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣損失，進(jìn)而提高風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的整體性能，本方案在進(jìn)風(fēng)口導(dǎo)流器調(diào)節(jié)工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一款帶環(huán)狀百葉窗導(dǎo)流葉片的新進(jìn)風(fēng)圈，如圖二所示，并定義導(dǎo)流葉片與進(jìn)風(fēng)圈徑向平面的夾角為θ。根據(jù)進(jìn)風(fēng)口導(dǎo)流器調(diào)節(jié)工作原理[2]，當(dāng)θ=90°時，進(jìn)口氣流絕對速度產(chǎn)生的圓周切向分量C1u=0，導(dǎo)流葉片基本不起作用，氣流仍然保持徑向流入狀態(tài)；當(dāng)θ<90°時，進(jìn)口氣流絕對速度產(chǎn)生的圓周切向分量C1u≠0，氣流在進(jìn)風(fēng)口處將獲得切向速度v1，產(chǎn)生進(jìn)風(fēng)口氣流預(yù)旋增壓現(xiàn)象。通過多次手板打樣與現(xiàn)有風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的匹配測試，本方案最終確定θ=75°時風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的性能最優(yōu)，符合導(dǎo)流葉片傾斜角理論優(yōu)選角度45°≤θ≤85°的要求，導(dǎo)流葉片的設(shè)計方案圖三所示。

圖一 改進(jìn)前風(fēng)機(jī)外形圖 圖二 改進(jìn)后風(fēng)機(jī)外形圖

圖三 新進(jìn)風(fēng)圈基本尺寸圖

4.2 生產(chǎn)制造可行性分析及方案

環(huán)狀百葉窗導(dǎo)流葉片的設(shè)計雛形較為復(fù)雜，在實際生產(chǎn)制造過程中遇到了不少難題，比如如何保證26個百葉窗導(dǎo)流葉片的傾斜角度在裝配后保持一致，其裝配誤差不能超過1°，因為導(dǎo)流葉片安裝角度誤差較大時，容易導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)口氣體流動不穩(wěn)定，導(dǎo)致局部渦流現(xiàn)象。另外，如何解決導(dǎo)流葉片安裝到進(jìn)風(fēng)圈輪轂時，不會在進(jìn)風(fēng)口處因為結(jié)構(gòu)安裝需要而帶來其他進(jìn)氣障礙，破壞了風(fēng)機(jī)系統(tǒng)整體的流體力學(xué)結(jié)構(gòu)。

為解決上述生產(chǎn)制造難題，本方案需要對導(dǎo)流葉片的安裝方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的設(shè)計方案采用五金模具一體沖壓成型工藝，為保證導(dǎo)流葉片在沖裁成型后整體平面度的高要求，制造時需要對進(jìn)風(fēng)圈進(jìn)行2次拉伸成型，拉伸后按照葉片外形進(jìn)行修邊沖孔。為保證各個導(dǎo)流葉片成型角度一致，導(dǎo)流葉片折邊工序的模具被設(shè)計成凹凸模鑲拼結(jié)構(gòu)，并采用旋轉(zhuǎn)沖壓2次成型，沖壓過程首先對導(dǎo)流葉片進(jìn)行預(yù)彎折邊，葉片第一次折邊后成型角度為θ=45°，然后采用模具旋轉(zhuǎn)沖壓方式將葉片的成型夾角固定在θ=75°±1°。采用沖壓一體成型的新進(jìn)風(fēng)圈尺寸穩(wěn)定、外形整潔，導(dǎo)流葉片與進(jìn)風(fēng)圈為一體結(jié)構(gòu)，無需再考慮導(dǎo)流葉片的安裝問題，可直接在現(xiàn)有的吸油煙機(jī)產(chǎn)品上安裝，大大提高了產(chǎn)品零部件的通用化率。

4.3 模具樣機(jī)實驗測試結(jié)果

設(shè)計方案在開模后，將帶有百葉窗導(dǎo)流葉片的新進(jìn)風(fēng)圈和原來未做結(jié)構(gòu)改進(jìn)的舊進(jìn)風(fēng)圈依次安裝在同一臺吸油煙機(jī)上，進(jìn)行整機(jī)空氣動力實驗對比。為保證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性與可比性，實驗過程的額定電壓為220V，電源頻率為50Hz，空氣動力實驗室的環(huán)境溫度為15.4℃，環(huán)境大氣壓為101.85kPa，實驗設(shè)備采用外排式吸油煙機(jī)空氣性能實驗裝置。實驗結(jié)果如圖四、圖五所示，其中噪音是在半消聲實驗室測試所得，實驗方法為全球包絡(luò)法。

圖四 原進(jìn)風(fēng)圈風(fēng)機(jī)性能曲線圖及其核心參數(shù)

圖五 新進(jìn)風(fēng)圈風(fēng)機(jī)性能曲線圖及其核心參數(shù)

根據(jù)上述測試結(jié)果，帶導(dǎo)流葉片的進(jìn)風(fēng)圈實驗測試結(jié)果明顯優(yōu)于原來的進(jìn)風(fēng)圈，吸油煙機(jī)各個核心的空氣性能參數(shù)均得到提高，特別是節(jié)能減排方面關(guān)注度較高的全壓效率指標(biāo)，改善后達(dá)到國家一級能效標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的≥23%的要求，噪音更低，改善效果顯著。

5 結(jié)語

通過對吸油煙機(jī)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)口結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計改善，利用百葉窗導(dǎo)流葉片對進(jìn)口氣流的進(jìn)氣角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了產(chǎn)品性能的提升。成本方面，本設(shè)計改進(jìn)是將進(jìn)風(fēng)圈中間的圓形沖孔的廢料進(jìn)行利用，因此該零件的材料成本并無太大變化，進(jìn)風(fēng)圈零件的模具制造費(fèi)用約13.5萬。零部件通用化方面，由于百葉窗導(dǎo)流葉片是直接在原有風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)圈的設(shè)計基礎(chǔ)上增加的，不用對進(jìn)風(fēng)圈與整機(jī)的安裝結(jié)構(gòu)做出任何調(diào)整，整體方案易于實現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳民強(qiáng) 專著.泵與風(fēng)機(jī)節(jié)能技術(shù)[M].中國電力出版社，1993.

[2]續(xù)魁昌，王洪強(qiáng)，蓋京方 主編.風(fēng)機(jī)手冊.機(jī)械工業(yè)出版社，2011.