貫流風葉結構參數對系統風量的影響研究

李 磊 萬劍峰 劉文靜

（河南理工大學 焦作 454000）

前言

貫流風機系統被大量使用在房間空氣調節器、空氣凈化器等眾多的家用電器中。其系統性能的優劣嚴重影響著產品的質量。所以，對于如何實現風機系統均勻送風、提升系統性能及降噪來提升產品競爭力，有著至關重要的意義。

國內外的很多專家和學者對風機系統進行了大量的理論分析和數值模擬。在十九世紀五十年代，德國學者B.Eck認為研究貫流風機的內部流動特征的關鍵是要研究其內部偏心蝸的運動規律，因為其系統內部始終存在著偏心渦，此現象將耗費大量的能量，風機系統的效率主要取決于被吸回風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理、位置及強弱是提升產品效率和性能的關鍵[1]。

基于空調外殼的幾何形狀及參數，重點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方面控制，對貫流風機系統性能提升及降噪方面有著嚴重的影響[2]，胡俊偉等在系統的蝸舌間隙、外圓周角及蝸舌位置方面進行調整著重研究與系統出口風速間的變化關系[3]。WuCJ等通過數值模擬的方法對家用直流變頻空調進行氣動和聲學特征分析，綜合分析量蝸殼、蝸舌間隙調整對系統性能的影響，進行提出部分優化方案[4]。上述所提到的貫流風機的結構狀態參數和內部流場特性對系統性能提升機噪音優化的影響進行了大量的理論分析以及數值模擬計算，同時得到一些有利于風機系統性能提升及噪音優化的可實施項。

但上述的研究基本上都是基于常規直葉片貫流風機或近對某一固定扭曲角變斜式葉片貫流風機進行的數值模擬研究和部分局部的實驗。貫流風機系統的結構特征看似簡單，但是其內部的氣體流動卻很復雜，其內部的氣體流動為不穩定流動，因此上述的模擬及相關研究與實際情況可能存在部分差異。且目前未見不同扭曲角斜葉片等不同結構參數的風機系統對貫流風機性能影響的理論分析及實驗測試驗證。本文將結合前期科研人員在數值模擬及相關理論分析的基礎上，對家用空調用貫流風機系統與性能可能強相關的結構參數進行全面實際的實驗測試分析，找到最優的結構參數，這為貫流風機葉片的結構優化設計提供了理論基礎和實驗支撐。

1 實驗研究

1.1 貫流風葉

貫流風機是一種由蝸殼、蝸舌和貫流風葉組成的小型通風機。在貫流風機系統中，氣體從風葉轉子外邊緣的一側徑向進入葉輪，接著穿過風葉內部從另一側葉片排出。重點注意的是，貫流風機系統內部流場運動是極其復雜的，時刻都在發生著旋渦的產生、脫落及耗散等現象，氣體在流經風葉時，風葉內部形成偏心蝸，最終貫流風機系統內部流場被分為偏心渦區域和貫穿流兩個區域。在整個內部流場中偏心渦位置中心的靜壓最低（為負壓），并且幾乎是停滯不動的，其作用相當于一個集水池，誘導外側氣流在渦流周圍不斷流進流出，從而形成所謂的貫穿流。

1.2 實驗對象

本次實驗采用被廣泛使用的某家用空調型號KFR-32GW配置作為研究對象，其整個風道系統部件主要有：面板（格柵）部分、蒸發器部分、蝸殼、蝸舌、接水盤、風葉及掃風葉片。本次所用貫流風葉共用參數為外徑Φ98 mm，內徑Φ85 mm，葉片數量32片，葉片為圓弧型直葉片，風葉軸長450 mm，葉輪轉速為 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葉片扭曲的角度即為扭曲角。風葉系統涉及其他相關參數（扭曲角、蝸殼、蝸舌間隙、葉片內外圓周角等）根據實際情況調整制作，實際參數均在下文中指出。

1.3 實驗方案

本次所有實驗測試均在同一試驗臺以及相同工況下進行對比測試。在自然送風模式下，對可能影響風機系統風量的系統結構參數逐一進行控制測試。貫流風機系統的葉輪、蝸舌、蝸殼間隙大小等參數對系統風量均有不同程度的影響。

2 不同結構參數實驗結果對比

2.1 蝸殼間隙α

分別制作蝸殼間隙為1～4 mm的風機底殼及扭曲角度為60 °、90 °的不同結構狀態風葉（蝸舌間隙3 mm、內圓周角90 °、外圓周角50 °）進行風量測試對比，蝸殼間隙α對扭曲角分別為60 °和90 °貫流風機出風口體積流率的影響如圖1、表1所示。橫坐標蝸殼間隙單位為mm，縱坐標出風口風量為 m3/h，即每小時通過貫流風機出風口端面的空氣體積。通過圖1可看出，隨著α的增大，90 °扭曲角貫流風機出風口風量為先增加后減小，并且變化不大；而 60 °扭曲角貫流風機出風口風量隨之減小。同時90 °扭曲角貫流風機出風量基本大于 60 °扭曲角出風量，在蝸殼間隙為2 mm時出風量一致；90 °扭曲角受蝸殼間隙影響風量變化不大，60 °扭曲角受蝸殼間隙影響較大，且蝸殼間隙為3 mm時，出風量最大。

表1 不同蝸殼間隙狀態下的出風量

2.2 蝸舌間隙

分別制作蝸舌間隙為2～7 mm的風機底殼及扭曲角度為60 °、90 °的不同結構狀態風葉進行風量測試對比（蝸殼間隙3 mm、內圓周角90 °、外圓周角50 °），蝸舌間隙 b對貫流風機出風口體積流率的影響，如圖2、表2所示。可以比較看出，隨著b的增大，60 °、90 °扭曲角出風量均出現先增大后下降趨勢，且在蝸殼間隙為3 mm時，兩種狀態的扭曲角出風量最大，同時出風量差異最小（90 °扭曲角出風量稍大于60 °扭曲角出風量）。蝸舌間隙在3～6 mm范圍內，60 °扭曲角風量變化較穩定。從總體來看，90 °和 60 °扭曲角貫流風機性能相差不大。根據貫流風葉內部流場偏心蝸形成原理、流場模擬分析及湍流分析，蝸舌間隙的減小，會增加風機系統的回風量，但同步會增大風機系統的風機噪聲[5]。

表2 不同蝸舌間隙狀態下的出風量

2.3 葉片內圓周角α

分別制作內圓周角為40～100 °及扭曲角度為60 °、90 °的不同結構狀態風葉進行風量測試對比（蝸殼、蝸舌均間隙3 mm、外圓周角50 °），葉片內圓周角 α對貫流風機出風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°扭曲角貫流風機出風口風量基本是先增大后減小，并且數值相差不大。且兩種不同扭曲角風葉基本都在外圓周角為80度時出風量最大。可以看出外圓周角變化是影響風機系統出風量大小的重要因素。

表3 不同內圓周角度狀態下的出風量

2.4 葉片外圓周角β

分別制作內圓周角為20～70°及扭曲角度為60 °、90 °的不同結構狀態風葉進行風量測試對比（蝸殼、蝸舌間隙均為3 mm、內圓周角為80 °），葉片外圓周角β 對貫流風機出風口體積流率的影響如圖3、表4所示。通過圖3可以看出，隨著 β 的增大，90 °和 60 °扭曲角貫流風機出風量趨勢均為先增大后減小，同時均在外圓周角為40 °左右出風量達到最大，兩者在不同外圓周角情況下，出風量基本保持一致，外圓周角是影響風機系統出風量的重要因素。

表4 不同外圓周角度狀態下的出風量

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構狀態的風葉（蝸殼、蝸舌間隙均為3 mm、內圓周角為80 °，外圓周角為50°）見表5，同時測試上述四種狀態的風葉在不同轉速下的出風量表現。本輪實驗的風葉其他參數均是在根據前面實驗參數對出風量影響較小的前提下設定的。通過圖4可出，隨著從直葉片到扭曲角度的增大，且在不同的轉速下，出風量均出現先增大后減小的趨勢，且在扭曲角為60 °附近時，出風量達到最大，在0 °（直葉片）與斜葉片其他扭曲角度出風量對比變化不大。何時采用不等距分布葉片和斜葉輪以及其當時的工作條件還需進一步探討。在測試中發現直葉片風機系統的風口出風更均勻。

表5 不同扭曲角度狀態下的出風量

3 結論

1）通過上述對不同結構狀態的風機系統結構參數的調整對比測試發現，風機系統的蝸殼、蝸舌間隙、風葉自身結構狀態是影響風機系統風量的主要因素。

2）在其他參數相同的條件下，斜風葉風機系統較直風葉風機系統具有較高的出風量。較小的蝸舌間隙（3 mm左右）、斜葉片內圓周角約80 °，外圓周角為約40 °，扭曲角度約60 °時，風機系統風量達到最大，同步需考慮在此條件下風機系統的氣動噪音變化，需要在風機系統的風量及噪音之間進行權衡，選取部分合適的參數變量去優化風機結構。

3）同步需要注意，不同的增加風量優化風機結構的方法的疊加并不等于各方法單獨增加風量的總和，應針對具體實際情況選用相應的優化風量措施。采用何種增加風量的方法，應綜合考慮噪聲、氣動特性、工藝、結構、成本等各方面因素，統籌衡量才能達到預期的效果。