前傾式離心風機葉輪設計參數對空氣凈化器性能的影響研究

藺勇智， 劉東海， 楊 輝

（1.無限極（中國）有限公司， 廣東 廣州 510663； 2.浙江星月電器有限公司， 浙江 永康 321300）

0 引言

空氣凈化器作為有效的室內空氣凈化處理設備一直被專家學者們研究及認可。離心風機應用廣泛，也是大風量空氣凈化器所采用的核心部件及動力來源。 離心風機葉輪的關鍵設計參數對風機的性能影響較大， 其中離心風機葉輪葉片的關鍵角度設計參數對空氣凈化器的CADR 值（Clean Air Delivery Rate，潔凈空氣量）、功率值、噪音值及能效等指標影響較為明顯。 當前在空氣凈化器研發制造行業內， 對于離心風機葉輪葉片角度設計參數影響整機性能的研究并不多。

多年來， 為了進一步的改善風機性能及了解離心風機內部的復雜流體情況， 國內外眾多學者進行了大量研究與試驗。 其中一部分學者通過理論計算結合試驗驗證為主要手段進行研究[1-4]。 其中有學者根據多翼離心通風機葉輪的3 個主要特征參數，即出口安裝角、進口安裝角及輪徑比作為影響因素， 每個因素取3 個水平進行正交試驗，并采用方差分析法對結果進行分析[1-2]，這種方法需要制作9 種不同的葉輪手板， 成本較高， 測試周期也較長。 也有學者主要通過變更離心風葉的單一參數來測試驗證其對產品的性能影響[3-4]，這種方法無法確認葉輪其他重要參數對產品性能的影響。 另外一部分學者利用基于流體力學的計算機輔助設計及仿真為主要手段進行研究[5-7]，隨著近些年來計算機技術和流體力學計算技術的發展， 計算機輔助設計及仿真技術在風機風道技術研究中應用的越來越廣， 其可以作為一種有效的仿真驗證工具， 輔助研究人員快速尋找風機風道設計不足點及迭代優化方向。但是單靠計算機輔助仿真還是不夠的，研究人員在確定葉輪結構優化方向后， 新葉輪仍需要做手板并通過試驗測試驗證， 反向論證計算機仿真的趨勢性結論是否與實際一致。 這樣做的好處是通過計算機輔助仿真技術來減少實際樣品的手板制作數量及試驗測試次數、降低研發成本及縮短產品的開發周期[8]。

1 葉輪建模及仿真分析

1.1 葉輪葉片參數確認

表1 為葉輪葉片非變量數據表，通過調整其卷角θ 及出口角β2來改變葉輪結構，詳細葉輪葉片變量數據表見表2。

表1 葉輪葉片非變量數據表Tab.1 Non variable data table of impeller blade

表2 葉輪葉片變量數據表Tab.2 Variable data table of impeller blade

1.2 葉輪建模及簡化

根據表1、表2 數據對#1～#5 葉輪分別建模，葉輪建模圖紙的簡化模型見圖1。

圖1 風機葉輪簡化模型Fig.1 Simplified model of fan impeller

1.3 仿真分析

將裝有5 種葉輪結構方案的整機簡化模型分別導入Flow Simulation 軟件中， 并將5 種葉輪方案仿真對象的計算域、葉輪轉速、 多孔介質、 邊界條件、目標、 網格等設置為相同的參數。其中將葉輪轉速定義為n=900rpm， 濾網作為多孔介質定義為各向同性， 通過測量濾網樣品可得知壓降與流速的關系，見圖2，從而得出濾網在不同流速下對應的濾網阻力值。

圖2 濾網壓降-流速實測曲線Fig.2 Pressure drop current velocity measured curve of filter

對5 種方案模型分別進行流體仿真分析， 其仿真分析數據包含：風機風道兩側進風口截面最大流速、流體區域聲學能量等級、 出風口最大流速及出風口最大流量5個指標。 仿真結果截圖詳見圖3-圖6。

圖3 進風口65mm 截面處最大流速仿真（電機安裝側）Fig.3 Simulation of the maximum flow velocity at the 65mm section of the air intake（motor installation side）

圖4 進風口65mm 截面處最大流速仿真（非電機安裝側）Fig.4 Simulation of the maximum flow velocity at the 65mm section of the air intake（non motor installation side）

圖5 流體區域聲學能量等級仿真Fig.5 Simulation of acoustic energy level in fluid area

圖6 出風口最大流速及流量仿真Fig.6 Simulation of maximum velocity and flow at air outlet

從表3 仿真數據可得出以下幾點結論：

表3 計算機仿真數據統計表Tab.3 Statistical table of computer simulation datas

（1）#1～#3 葉輪結構出風口最大流量未達到目標值900m3/h 要求，且兩側進風不均勻。

（2）#4 葉輪結構兩側進風口的最大流速幾乎相當，說明兩側進風均勻。

（3）#4 葉輪結構對比#3 葉輪結構， 出風口最大流量增加約90m3/h，聲學能量等級卻降低了0.68dB。

2.1.4 急性型發生在適宜的發病條件下，感病品種的葉片常產生暗綠色近圓至橢圓形的病斑，正反兩面都有大量灰色霉層，這種病斑是大流行的先兆，但若天氣轉晴、溫度小，可轉為慢性型病斑。

（4）#5 葉輪結構對比#4 葉輪結構， 雖然出風口最大流量達到984.6m3/h，但是其兩側進風不均勻，且聲學能量等級比#4 葉輪結構升高0.92dB。

（5）卷角θ 從0.2°到3.88°逐漸微調的同時，出口角β2值在研究區間內并非越小越好，當β2值從28°變為25°時，產品性能參數由優轉差。

不論從目標風量值、兩側進風均勻性還是流體域聲學能量大小來綜合評估，#4 葉輪均占優。 所以，從仿真結果來看，初步可以確認#4 葉輪是比較理想的結構設計方案。

由于計算機輔助仿真較易受風機風道內部流體環境的復雜性、邊界條件設置、模型簡化、網格劃分數量以及對計算機性能要求高等因素的影響及限制， 可能會導致其仿真結果與實際測試數據有差異， 計算機輔助仿真一般僅能找到規律性的趨勢及結構設計迭代優化方向，并不能代表產品性能的實際測試值。 為了進一步驗證仿真趨勢及結果的準確性，需要制作葉輪手板實際測試驗證。

結合仿真結論， 為節省手板樣品制作成本及縮短測試周期， 考慮到#1 葉輪結構產品出風口風量最小及#5葉輪結構產品噪音最大， 所以將#1 葉輪與#5 葉輪先淘汰。 將#2、#3 及#4 葉輪制作結構手板及試驗測試驗證，通過試驗測試數據與仿真結果進行對比及分析。

2 手板制作與試驗測試

2.1 確定試驗測試方法

（1）顆粒物CADR 測試方法。顆粒物的過濾效果測量參考GB/T 18801-2015《空氣凈化器》[9]中要求的方法，以香煙煙霧中的顆粒物作為污染源。采集測試數據后使用GB/T 18801-2015《空氣凈化器》中要求的流程計算該空氣凈化器的CADR。

（2）整機噪音測試方法。整機噪音測試依據GB/T 4214.1-2017《家用和類似用途電器噪聲測試方法通用要求》[10]中要求的方法，測量表面為帶有9 個測點的矩形六面體。采集測試數據后使用各測點平均聲壓級的計算方法計算出該空氣凈化器的噪音值，再換算為聲功率級。

圖7 葉輪手板樣品Fig.7 Sample of impeller hand board

2.2 試驗測試結果及分析

根據測試標準及方法，記錄裝有#2、#3 及#4 風輪的整機試驗數據如表4 及圖8 所示。

表4 試驗測試結果數據表Tab.4 Data table of test results

圖8 三種出口角對應的顆粒物CADR、噪音及電機功率數據圖（定轉速900rpm）Fig.8 Data diagram of particle CADR，noise and motor power corresponding to three outlet angles （constant speed 900rpm）

從表4 及圖8 可以更加清晰的看到，當風機轉速n=900rpm，出口角β2=28°時，即裝有#4 葉輪的整機顆粒物CADR 值較高，噪音值較低，這說明裝有#4 葉輪的整機結構設計較為合理，產品出風更加順暢，也同時說明了實際測試數據與仿真趨勢基本一致。

通過計算機仿真設計及試驗測試驗證，印證#4 葉輪是產品較優的葉輪結構，從而可以較為精準的評估#4 葉輪結構可以進入模具開發階段。

3 結論

本文以享優樂空氣凈化器為例， 葉輪結構設計過程中通過調整其葉片卷角θ 及出口角β2兩項參數，依據計算機仿真結果分析來減少葉輪手板制作數量， 并結合試驗測試裝有不同參數手板離心風機葉輪的空氣凈化器的性能指標，用實際測試結果與仿真結果進行比對，印證了#4 葉輪是該產品較優的結構設計方案。

本文通過計算機仿真技術及試驗測試驗證相結合的方法對享優樂空氣凈化器的葉輪結構設計進行研究、設計優化與測試驗證。 研究結果表明： 針對此款空氣凈化器，當轉速恒定為900rpm 時，在葉輪的入口角不變的情況下，卷角在0.2°-2.95°以內逐漸增加，出口角在55°-28°以內逐漸減小時，空氣凈化器出風口風量逐步提升，同時非穩態出風噪音逐漸減小，風聲聽感越舒適。

通過此方式設計及優化的葉輪結構可以做到較為精準匹配性能目標值， 而且還可以縮短開發周期及降低手板結構件制作費用， 對空氣凈化器品類產品風機風道研發設計有一定的借鑒意義。