風(fēng)管機(jī)的風(fēng)葉和蝸殼優(yōu)化研究

胡 銳 黃 強(qiáng) 楊 健

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

目前市面上的戶式中央空調(diào)主要有三種，一是風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組，俗稱水機(jī)；二是多聯(lián)機(jī)，俗稱一拖多；三是風(fēng)管送風(fēng)式空調(diào)熱泵機(jī)組，俗稱風(fēng)管機(jī)[1-2]。在目前家用中央空調(diào)市場(chǎng)日趨增長(zhǎng)的情況下，風(fēng)管機(jī)因其價(jià)格較低、具有較高的機(jī)組能效比、隱藏安裝高檔美觀、同時(shí)便于引入新風(fēng)，空氣品質(zhì)能得到較大改善等優(yōu)點(diǎn)，受到廣大消費(fèi)者的青睞。但由于風(fēng)管機(jī)采用的是離心風(fēng)葉，通常會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，容易受到用戶的投訴，是現(xiàn)階段亟需解決的問(wèn)題之一。

針對(duì)某系列風(fēng)管機(jī)噪聲較大的問(wèn)題，改進(jìn)風(fēng)管機(jī)的離心風(fēng)葉和蝸殼，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法解決了噪聲較大的難題。為研發(fā)新型的風(fēng)管機(jī)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及參考意見(jiàn)。

1 風(fēng)管機(jī)噪聲產(chǎn)生機(jī)理

1.1 噪聲形成機(jī)理

風(fēng)管機(jī)的噪聲來(lái)源[3-4]主要有風(fēng)機(jī)振動(dòng)噪聲、電機(jī)噪聲和氣動(dòng)噪聲這三個(gè)方面，離心風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的噪聲是主要來(lái)源。離心風(fēng)機(jī)噪聲又包括風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)噪聲和渦旋噪聲。

旋轉(zhuǎn)噪聲又稱之為離散頻率噪聲。風(fēng)葉在轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，通過(guò)蝸舌會(huì)擠壓空氣進(jìn)而形成周期性的壓力和速度脈動(dòng)，擴(kuò)散之后就會(huì)形成噪聲。在給定空間位置產(chǎn)生的壓力，并不按正弦規(guī)律隨時(shí)間變化，而是按脈沖形式。除基頻外還有許多諧波成分，其頻率為基頻的整數(shù)倍。如果壓力脈沖很尖銳，在聲頻范圍內(nèi)可以有許多諧波成分。旋轉(zhuǎn)噪聲的頻率為

公式（1）中，

n—每分鐘的轉(zhuǎn)速；

z—葉片數(shù)；

i—頻率諧波序號(hào)，i=1時(shí)的頻率為基頻。

渦旋噪聲又稱為紊流噪聲。風(fēng)葉在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，空氣受到風(fēng)葉的阻擋，進(jìn)而在風(fēng)葉的另一側(cè)會(huì)存在一個(gè)相對(duì)靜止的區(qū)域。空氣在切向粘滯力的作用下會(huì)逐漸形成一個(gè)渦旋胚，然后沿著風(fēng)葉背面滑脫，最終發(fā)展形成空氣旋渦。在這個(gè)過(guò)程中，風(fēng)葉要不斷向周?chē)諝馐┘右粋€(gè)周期性的反向作用力，造成了空氣的壓縮和稀疏的過(guò)程，從而向四周輻射聲波，產(chǎn)生了渦旋噪聲。渦旋噪聲的頻率為

公式（2）中，

β—斯特勞哈爾（Strouhal）系數(shù)；

β=0.14～0.2，一般隨著雷諾數(shù)的增加而增加，計(jì)算中一般可取β=0.185；

v—?dú)饬髋c葉片的相對(duì)速度；

L—葉片正表面的寬度在垂直于速度平面上的投影；

i—頻率諧波序號(hào)。

1.2 離心風(fēng)機(jī)的噪聲控制

從文獻(xiàn)[5-7]中可知，控制葉片通過(guò)頻率噪聲是離心風(fēng)機(jī)降噪的研究重點(diǎn)。風(fēng)管機(jī)離心風(fēng)機(jī)降噪的研究方法表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①增加蝸舌與離心風(fēng)機(jī)之間的間距；②優(yōu)化蝸舌邊緣的曲率半徑；③讓風(fēng)葉與蝸舌邊緣處形成一定的傾斜角；④在進(jìn)、出口周?chē)惭b金屬網(wǎng)格；⑤不規(guī)則的葉片間距；⑥在蝸殼內(nèi)部裝合適的襯料；⑦離心風(fēng)機(jī)本身的在聲學(xué)方面的優(yōu)化等。

本文中優(yōu)化風(fēng)管機(jī)噪音值主要從以下四個(gè)方面開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)工作：①調(diào)整優(yōu)化蝸舌處的間距值；②優(yōu)化離心風(fēng)葉的葉片倒角；③調(diào)整風(fēng)葉徑向的尺寸，并得到最優(yōu)值；④蝸殼的邊緣增加導(dǎo)流圈的對(duì)比測(cè)試。其目的在于通過(guò)對(duì)風(fēng)葉蝸殼的優(yōu)化來(lái)降低風(fēng)管機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪聲值大小。

2 實(shí)驗(yàn)原理和方法

2.1 性能測(cè)試

焓差法空調(diào)測(cè)試系統(tǒng)具有工況穩(wěn)定快,試驗(yàn)室使用效率高等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用。本文中就是根據(jù)單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7725[8]中的空氣焓差法來(lái)計(jì)算相應(yīng)的空調(diào)器的制冷能力。即制冷量等于空氣質(zhì)量流量與進(jìn)出空調(diào)器的空氣焓差值的乘積。

2.2 噪音值測(cè)試

針對(duì)風(fēng)管機(jī)的噪聲測(cè)試，可以參考國(guó)標(biāo)GB/T 18430.1-2007[9]。一般采用半消聲室進(jìn)行噪聲測(cè)試，噪聲值的大小一般用聲功率級(jí)來(lái)表示。聲功率級(jí)單位為分貝（dB），記為L(zhǎng)w，定義如式子（6）所示。

式中，

W—聲功率，

對(duì)于風(fēng)管機(jī)，要測(cè)試的值是傳播到風(fēng)管的聲功率級(jí)。以通過(guò)風(fēng)管開(kāi)口處的輻射聲功率級(jí)來(lái)評(píng)估，由“管端修正”系數(shù)E修正。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

本文通過(guò)使用改進(jìn)之后的風(fēng)葉和蝸殼組合與某成熟風(fēng)管機(jī)3.5 kW機(jī)型進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，并分別比較不同方案下（不同的風(fēng)葉和蝸殼組合）在風(fēng)量、制冷能力以及噪聲的變化值。其中變化量包含蝸舌間距、風(fēng)葉葉片是否倒角、風(fēng)葉徑向尺寸以及是否有導(dǎo)流圈，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 風(fēng)葉和蝸殼結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)果分析

本文通過(guò)測(cè)試不同的改進(jìn)方案以期選出一最優(yōu)方案，比較分析風(fēng)量大小，性能能力大小和噪聲大小，最終與某成熟機(jī)型的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 風(fēng)量對(duì)比

首先對(duì)某風(fēng)管機(jī)3.5 kW機(jī)型測(cè)試不同電機(jī)檔位下的風(fēng)量大小，風(fēng)量的測(cè)試在空氣焓差法實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行。其測(cè)試工況如表1所示。

在工況穩(wěn)定之后，調(diào)節(jié)電機(jī)檔位（不同的電機(jī)檔位電機(jī)轉(zhuǎn)速不同），等待風(fēng)量穩(wěn)定之后，每10 min記錄一組數(shù)據(jù)。同時(shí)記錄風(fēng)管機(jī)在不同的靜壓下，風(fēng)量的變化情況。其測(cè)試結(jié)果如P-Q曲線圖（其中P表示靜壓，Q表示風(fēng)量大小）所示。

從圖2中可以看出，在電機(jī)轉(zhuǎn)速為900 rpm時(shí)，風(fēng)量大小為569.2 m3/h，隨著靜壓的增大風(fēng)量的大小也隨著減小。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的增大與減少對(duì)風(fēng)管機(jī)的風(fēng)量影響值很大。

之后對(duì)不同的風(fēng)葉與蝸殼組合進(jìn)行風(fēng)量測(cè)試，由于篇幅有限不能將所有組合的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行一一列舉，將選取有代表性的組合的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

蝸舌間距。改進(jìn)之后的蝸舌間距有兩種，分別為蝸舌間距Δt=9 mm和蝸舌間距Δt=11 mm。在保證其余參數(shù)不變的情況進(jìn)行蝸舌間距大小的判定測(cè)試，其結(jié)果圖3所示。

由圖3可以看出，在相同的轉(zhuǎn)速下，蝸舌間距Δt=11 mm的風(fēng)量要比蝸舌間距Δt=9 mm的風(fēng)量大，并且隨著靜壓的增大，也有著同樣的趨勢(shì)。

風(fēng)葉葉片倒角。在其他參數(shù)一致的情況下，選取風(fēng)葉葉片沒(méi)有倒角與葉片有倒角進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。其測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4顯示出，在風(fēng)葉葉片增加倒角之后，風(fēng)管機(jī)的風(fēng)量也隨之有一定的增長(zhǎng)，同時(shí)在靜壓增大的情況下也有相同的變化規(guī)律。

此外，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出，風(fēng)葉徑向長(zhǎng)度126 mm和增加導(dǎo)流圈的情況下，風(fēng)量的大小為較大值。

表1 試驗(yàn)工況條件

圖2 風(fēng)管機(jī)3.5 kW機(jī)型P-Q曲線圖

圖3 蝸舌間距風(fēng)量對(duì)比測(cè)試

圖4 風(fēng)葉葉片倒角對(duì)比測(cè)試

3.2 性能對(duì)比

在確定最優(yōu)風(fēng)葉和蝸殼組合，在同一焓差實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行性能測(cè)試，減少因?qū)嶒?yàn)臺(tái)而引起的誤差。風(fēng)管機(jī)的制冷測(cè)試工況如表3所示。

在工況穩(wěn)定后，開(kāi)機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，在能力穩(wěn)定1 h后記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。其測(cè)試結(jié)果如表4所示。從表4中，可以看出3.5 kW機(jī)型高風(fēng)檔以及最優(yōu)方案的三個(gè)電機(jī)檔位都能滿足該機(jī)型下的3.5 kW的制冷量。但是比較其能效比（EER）可以發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)方案的三個(gè)檔位下的能效比都要比成熟的3.5 kW機(jī)型的能效比高。說(shuō)明，在相同轉(zhuǎn)速下，最優(yōu)方案的風(fēng)管機(jī)的制冷能力要優(yōu)于該成熟機(jī)型，同時(shí)提高了其能效比。

3.3 噪聲對(duì)比

本文的目的是通過(guò)改進(jìn)風(fēng)葉和蝸殼的組合，在達(dá)到相同能力的情況降低風(fēng)管機(jī)的噪聲值大小。因此，將成熟的3.5 kW機(jī)型與最優(yōu)方案的風(fēng)管機(jī)在半消音實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行噪聲測(cè)試。其測(cè)試結(jié)果如表5和表6所示。

針對(duì)風(fēng)葉蝸殼改進(jìn)前后的兩種方案，對(duì)相同風(fēng)量下的噪聲值大小進(jìn)行對(duì)比分析，如圖5所示。

從圖5可以看出，在相同轉(zhuǎn)速的情況下，最優(yōu)方案的噪聲值還要大于3.5 kW成熟機(jī)型的噪聲值，這是由于最優(yōu)方案在相同轉(zhuǎn)速下風(fēng)量值增大的緣故。但是由前文性能比較分析可以知道，兩種方案在保持相同的風(fēng)量大小的情況下，風(fēng)管機(jī)的制冷能力同樣可以得到保證。因此，對(duì)比分析兩種方案下，相同風(fēng)量情況下噪聲值大小的比較。圖5中虛線標(biāo)示了最優(yōu)方案的風(fēng)量與成熟機(jī)型高風(fēng)檔風(fēng)量一致的情況下的噪聲，成熟機(jī)型高風(fēng)檔的噪聲值大小為32.85 dB，而最有方案相同風(fēng)量下噪聲值大小為30.46 dB，噪聲降低了2.39 dB。說(shuō)明了在達(dá)到相同風(fēng)量和制冷能力的前提下，改進(jìn)后的風(fēng)葉蝸殼組合要優(yōu)于該成熟機(jī)型的風(fēng)葉蝸殼組合， 能夠降低風(fēng)管機(jī)噪聲值大小。

表2 實(shí)驗(yàn)得到的最佳方案

表3 額定制冷運(yùn)行試驗(yàn)工況

表4 制冷能力測(cè)試結(jié)果

表5 3.5 kW機(jī)型噪聲測(cè)試結(jié)果

表6 最優(yōu)方案噪聲測(cè)試結(jié)果

圖5 風(fēng)葉蝸殼改進(jìn)前后噪聲—風(fēng)量曲線圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)改進(jìn)了風(fēng)管機(jī)的風(fēng)葉和蝸殼組合來(lái)解決當(dāng)前風(fēng)管機(jī)運(yùn)行時(shí)噪聲值較大的問(wèn)題。通過(guò)與某成熟3.5 kW機(jī)型在風(fēng)量、制冷能力、噪聲三個(gè)方面的對(duì)比測(cè)試，得出一最優(yōu)方案，并且該最優(yōu)方案能夠降低風(fēng)管機(jī)的噪聲值。具體的結(jié)論為：

1）在相同轉(zhuǎn)速的情況下，最優(yōu)風(fēng)葉和蝸殼的方案下的風(fēng)管機(jī)風(fēng)量和制冷能力都有了很大程度上的提高；

2）在達(dá)到相同風(fēng)量和制冷能力的情況下，最優(yōu)的風(fēng)葉和蝸殼的方案下的風(fēng)管機(jī)能夠降低噪聲2.39分貝。為研發(fā)新型的靜音型風(fēng)管機(jī)提供了一定的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。