空調室外機軸流風葉與導流圈軸向配合尺寸影響研究

2021-06-15 11:43:00陳志偉陳英強

家電科技 2021年3期

陳志偉陳英強,2

1.珠海格力電器股份有限公司廣東珠海 519070；

2.國家節能環保制冷設備工程技術研究中心廣東珠海 519070

1 引言

隨著科技的進步及國內經濟的發展向好，消費者對于服務的需求在改變。差異化的服務和客戶定制，是未來制冷行業競爭和差異化的一個重點。隨著空調行業的板塊細分，品類多樣的、適用于各行各業、不同工況的空調器快速涌現。目前行業內競爭日益激烈，用戶要求越來越高，而空調室外機作為空調的關鍵產品，如何能夠加大風量，合理提高產品的性能成為了諸多研發者的熱點課題。

空調室外機與眾多軸流風機風道相比，其內部結構相對緊湊復雜[1]。行業內有研究表明，在相同電壓下，風葉位置的前移會帶來一定風量的增加[2]。風輪的偏心程度及風輪與導風圈的距離會顯著影響電機支架的振動噪音[3]。An Guangyao等[4]深入研究了兩相流的定性原理和定量噪聲的評估。

本文通過仿真與實驗對比，研究了空調室外機軸流風葉與導流圈軸向配合尺寸對風量和噪音的影響和規律，找出較優的軸向配合尺寸，為空調室外機風道設計提出指導性意見，以期為室外機的開發設計提供實驗依據。

2 研究背景

空調室外機的導流圈作用是使氣流在圈內入口得到加速，以便在損失很小的情況下在軸流風機的入口前側建立均勻的速度場和壓力場。通風機的入口條件對于軸流風機的性能具有很大影響，資料表明，沒有導流圈的軸流通風機要比具有優良導流圈的通風機全壓及全壓效率分別偏低10%～12%及10%～15%[5]。有導流圈的軸流通風機的流量系數也有一定增加。

在分析導流圈與風葉搭配問題前，首先需要了解一下在無限葉高的軸流風葉系統內氣流徑向受力情況。假定氣流在進入葉輪以前沒有旋繞速度，則軸流風葉徑向平衡方程如下所示：

上式進一步演化，可得到軸流風葉不發生附面層徑向遷移的徑向平衡方程為rΔcu=常數，即等環量流型。

實際應用中，由于氣流本身存在固有粘性，風機進口氣流一定存在某種程度的預旋，即進口遠處的c1u≠0，且空調室外機來流側存在不對稱的換熱器、進口格柵、電機組件等因素的干擾，以及軸流風葉本身存在的端壁問題，在葉片的外緣及輪轂區域（包括吸力面和壓力面）不可避免的會發生氣流的徑向和橫向二次流，引起氣道擁堵，降低風葉的有效擴壓空間。因此主動地控制風葉局部區域葉型，以更好地引導該位置的附面層徑向遷移，能夠有效縮小端壁區域的徑向二次流的影響范圍，降低橫向二次流的強度。

實際研究總結發現開式軸流風機沿軸向流動方向，外圍氣流在徑向方向呈徑向向內并逐漸衰減為徑向向外流動[6]。在不增加空調外機厚度的基礎上，如何有效尋找臨界位置，將徑向向外的流動限制在風葉做功區域內，而最大限度地保留前端徑向內流，同時使葉片外緣馬蹄渦的影響降到最低，是導流圈與風葉軸向搭配問題研究的關鍵所在。

3 軸向配合尺寸的影響

目前市場上諸多空調器的軸流風葉伸入導流圈的距離差異頗大，有的風葉直接伸出了導流圈出口側，有的則僅僅伸入不足1/5。

從外觀方面考慮，軸流風葉伸入導流圈的距離會影響空調室外機的殼體厚度尺寸，但更重要的是會影響風機的運行性能和運行安全性。

空調室外機的風機進風，實際分為軸向進風和徑向進風，二者進風量之和為總風量[7]。軸流風葉在運行過程中由于自身對氣流的做功作用，會在風葉的兩側形成絕對壓力異于大氣壓并周期性波動的空間，分別稱為壓力面和吸力面。

風葉在旋轉過程中，壓力面區域的氣流，存在周向和軸向速度分量，徑向速度在葉面表面呈沿徑向向外流動的趨勢，該特征遍布整個壓力面，并且該分量大小沿徑向向外逐漸增大。風葉壓力面以外的氣流主要為較小的徑向向內流動趨勢，并隨著半徑的增加，該趨勢逐漸減弱。在靠近風葉的葉頂附近時，氣流徑向速度分量則沿徑向向外，該分量大小沿著弦線方向逐步增加，并在葉頂2/3～3/4的位置達到最大，如圖1和圖2所示。

吸力面側，靠近輪轂區域氣流呈沿徑向向外流動趨勢，沿弦線方向該趨勢逐漸增強，總體徑向速度分量較小。隨著徑向半徑逐漸增加，該分量減小并逐步轉變為沿徑向向內流動，且到達葉頂區域時，該徑向向內速度分量最大，如圖3和圖4所示。

綜上，空調室外機的軸流風葉壓力面區域的氣流呈徑向向外流動，而吸力面區域的氣流呈徑向向內流動。適當遮擋壓力面外圍空間，可以限制外流流量，但同時會少量阻礙吸力面的徑向入流。因此，風葉保持適當的導流圈伸入距離，可以較好的提升風機風量，改善風機效率。

圖1 輪轂角區氣流矢量圖（壓力面）

圖2 葉頂區氣流矢量圖（壓力面）

圖3 輪轂角區氣流矢量圖（吸力面）

圖4 葉頂區氣流矢量圖（吸力面）

3.1 模型介紹及參數修正

為了嚴謹的分析該問題，針對實際室外機殼體建立模型，簡化電機支架、出風格柵，而保留含銅管的單排換熱器結構及導流圈局部細節等特征。通過基于研究的室外機的風量噪音實驗進行風量及功率方面的對比校核及仿真分析，修正換熱器模型的過流參數。仿真模型示意圖如圖5所示，仿真參數可靠性驗證如圖6所示。

圖5 仿真模型示意圖

圖6 仿真參數可靠性驗證

3.2 仿真方案

空調室外機的軸流風葉軸向移動距離，進風方向受電機支架及換熱器的限制，出風方向受出風格柵電氣安全距離的限制，因此無限制的討論風葉伸入伸出的意義并不大。本文根據具體的實際使用情況，主要在軸流風葉距離電機支架的最小安全距離（規定風葉距離電機支架最小距離必須大于風葉直徑的2.5%）到風葉與導流圈的安全距離要求之間進行研究[8]。定義風葉伸入導流圈的軸向長度S，導流圈軸向深度L=62 mm，本文研究方案如圖7所示。

圖7 實驗方案示意圖

3.3 結果分析

對比不同方案的在不同轉速下的葉片靜壓、全壓、風量、功率和湍動能分布情況。結果顯示，隨著S/L值的逐漸增加，即風葉伸入導流圈距離逐漸增加，軸流風機在該范圍內軸功先增大后減小，軸功與風量的比值逐步增加，反映為風機效率有一定提升。仿真可以得到軸流風葉葉面靜壓趨勢線，如圖8所示。軸流風葉與導流圈不同軸向相對位置的仿真計算結果如表1所示。