離心式塔扇風(fēng)道仿真設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

梁 浩 柳 洲 張 馳 李文龍 單敬偉

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

目前市場(chǎng)上的塔扇，內(nèi)部采用貫流風(fēng)輪，多呈縱向柱狀，如圖1所示。由于其體積小，不占空間，吹風(fēng)舒適，越來越受到消費(fèi)者的青睞。貫流風(fēng)輪壓力低，導(dǎo)致其出口風(fēng)速低、風(fēng)量小、送風(fēng)距離短，故成為貫流式塔扇的一大痛點(diǎn)。為了提高風(fēng)壓，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)需采用壓力比貫流風(fēng)機(jī)更大的離心風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，以提升塔扇風(fēng)量和送風(fēng)距離。

圖1 塔扇及貫流風(fēng)道截面

離心風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在家電產(chǎn)品應(yīng)用廣泛，但其難點(diǎn)在于根據(jù)整機(jī)尺寸、外形、性能需求，優(yōu)化設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，以提升風(fēng)機(jī)的性能，降低噪音。韓非非[1]、張素梅[2]等，通過CFD流體仿真，對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，以提高風(fēng)機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)，其研究有一定的借鑒價(jià)值，但完全借用風(fēng)機(jī)系統(tǒng)尚存在性能、噪音等不匹配問題。在家電產(chǎn)品領(lǐng)域，孟永哲[3]等人將多翼離心風(fēng)機(jī)應(yīng)用于油煙機(jī)，通過研究發(fā)現(xiàn)采用最佳葉輪-蝸殼匹配方案時(shí)，葉輪流道內(nèi)的旋渦尺度與強(qiáng)度均有所減小，葉道內(nèi)流場(chǎng)分布更為均勻。

為進(jìn)一步提升塔扇性能，兼顧產(chǎn)品使用安全性，采用“無葉”概念，即葉輪內(nèi)置、人無法直接接觸，設(shè)計(jì)了一種新型的離心式風(fēng)道結(jié)構(gòu)的塔扇。根據(jù)產(chǎn)品尺寸，本文對(duì)蝸殼及出風(fēng)扇頭關(guān)鍵尺寸進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對(duì)多翼離心風(fēng)輪關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以提高塔扇的整機(jī)風(fēng)量和風(fēng)速，降低噪音，進(jìn)一步提升產(chǎn)品性價(jià)比和市場(chǎng)占有率。

1 蝸殼設(shè)計(jì)

風(fēng)道系統(tǒng)由主要由蝸殼、離心風(fēng)輪、扇頭三部分組成，其中蝸殼和離心風(fēng)輪組成整機(jī)的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，提供出風(fēng)動(dòng)力，如圖2所示。

圖2 離心風(fēng)機(jī)示意圖

根據(jù)整機(jī)尺寸及布局要求，蝸殼按照等邊基理論[4]，使用多段圓弧完成繪制，設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，單風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)流量500 m3/h。

表1 蝸殼型線及扇頭設(shè)計(jì)參數(shù)

2 離心風(fēng)輪仿真設(shè)計(jì)

蝸殼結(jié)合整機(jī)尺寸，與風(fēng)輪完成匹配設(shè)計(jì)后，離心風(fēng)輪優(yōu)化對(duì)整個(gè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。離心風(fēng)輪進(jìn)、出口角度、葉型、葉片數(shù)是影響性能的關(guān)鍵因素，合理優(yōu)化參數(shù)，可有效提高風(fēng)機(jī)系統(tǒng)效率，降低噪音。

2.1 進(jìn)、出口角優(yōu)化

由于離心風(fēng)機(jī)葉輪中氣體流動(dòng)比較復(fù)雜，依靠現(xiàn)有的理論設(shè)計(jì)不能完全解決流動(dòng)效率問題，還要配合仿真和實(shí)驗(yàn)研究來完成。離心風(fēng)輪進(jìn)、出口安裝角對(duì)葉輪內(nèi)部的流動(dòng)性能有一定的影響。因此，改變?nèi)~輪進(jìn)、出口角，選擇最優(yōu)角度，可有效提升風(fēng)輪氣動(dòng)性能。其中進(jìn)口角β1，出口角度β2，如圖3所示。

圖3 離心風(fēng)葉進(jìn)、出口角示意圖

進(jìn)口角β1由55 °增加到80 °，出口角由30 °增加到40 °，如表2所示，通過流體仿真分析得到不同進(jìn)口角和出口角時(shí)氣動(dòng)性能數(shù)據(jù)。

表2 不同進(jìn)、出口角對(duì)應(yīng)的性能數(shù)據(jù)

從以上數(shù)據(jù)可以看出，隨葉片進(jìn)口角β1增大，風(fēng)量、出口風(fēng)速先增加后減小；隨著進(jìn)口角的增大，扭矩先減小，后增加，再逐漸減小，當(dāng)進(jìn)口角β1為60 °時(shí)，風(fēng)量達(dá)到最大，扭矩滿足要求。增大出口角β2，風(fēng)量變化小，但扭矩增大；減小出口安裝角，流量、風(fēng)速呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。因此，出口角對(duì)風(fēng)量影響不大，但對(duì)扭矩有重要影響，因此安裝角β2取35 °。

從不同進(jìn)、出口角對(duì)應(yīng)的仿真速度矢量圖可以看出，如圖4所示，隨著進(jìn)口角增加，蝸舌附近葉片流道內(nèi)漩渦增加，過大的進(jìn)口角度會(huì)使蝸舌附近的流場(chǎng)惡化，增加渦流耗散，不利于性能的提升。

圖4 不同進(jìn)、出口角速度矢量圖

2.2 鋸齒葉型優(yōu)化

葉型對(duì)離心風(fēng)輪氣動(dòng)性能及噪音有重要的影響。尾緣鋸齒能夠加強(qiáng)尾跡區(qū)低速流與主流間的摻混，尾跡區(qū)域面積擴(kuò)大，尾跡區(qū)域內(nèi)速度分布更加均勻。鋸齒結(jié)構(gòu)加寬了尾跡區(qū)域并加快了大渦的破碎，將渦能量擴(kuò)散到展向和垂直方向，使湍流脈動(dòng)的減弱，可以有效降低噪音，如圖5所示，鋸齒1是在吸力面進(jìn)口處做鋸齒，鋸齒2是在吸力面出口處做了鋸齒。

圖5 風(fēng)輪及不同葉型示意圖

通過對(duì)比不同葉型內(nèi)部流場(chǎng)速度矢量圖，如圖6所示，鋸齒1在吸力面進(jìn)口附近做成鋸齒形后，葉片流道內(nèi)出現(xiàn)了大量漩渦，湍流脈動(dòng)增強(qiáng)，在葉片流道內(nèi)的損失增加，流量減??；鋸齒2在吸力面出口附近做成鋸齒形后，葉片間漩渦得到一定抑制，且在出口將大漩渦破碎成小渦，降低湍流強(qiáng)度，減小流動(dòng)損失，流量基本無變化。因此，對(duì)比兩種鋸齒葉型后，鋸齒2為優(yōu)化后相對(duì)較優(yōu)的葉型。

圖6 不同葉型內(nèi)部速度矢量圖

2.3 最佳葉片數(shù)確定

風(fēng)輪的葉片數(shù)過多或者過少都會(huì)影響風(fēng)輪的氣動(dòng)性能。因此，為了研究風(fēng)輪的最佳葉片數(shù)，使其達(dá)到最佳氣動(dòng)性能，以鋸齒2為基礎(chǔ)葉型，將風(fēng)輪葉片數(shù)從47片，依次增加，仿真對(duì)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同葉片數(shù)時(shí)整機(jī)氣動(dòng)性能

從以上數(shù)據(jù)可以看出，風(fēng)量隨著葉片數(shù)的增加并不是線性的增加，在50片時(shí)流量達(dá)到最大；隨著葉片數(shù)繼續(xù)增加，流量開始減小。這是因?yàn)樵黾尤~片數(shù)可以提高進(jìn)風(fēng)量，但繼續(xù)增加，由于葉片數(shù)沿著圓周緊密排布，氣流通道減小，氣體閉塞，流量減小。隨著葉片數(shù)的增加，扭矩在50片時(shí)達(dá)到最大，葉片數(shù)繼續(xù)增加，扭矩逐漸減小。

隨著葉片數(shù)的增加，全壓效率在50片時(shí)達(dá)到最高，且隨著葉片數(shù)的增加，全壓效率開始逐漸降低。因此葉片數(shù)為50片時(shí)，該葉型的風(fēng)輪氣動(dòng)性能相對(duì)最右的。

3 扇頭出口寬度仿真設(shè)計(jì)

扇頭，即頂部出風(fēng)系統(tǒng)，采用“跑道型”環(huán)形出風(fēng)口，環(huán)形扇頭置于風(fēng)機(jī)系統(tǒng)上部，與蝸殼出口銜接，如圖7所示。風(fēng)機(jī)系統(tǒng)提供將風(fēng)送進(jìn)扇頭后，從扇頭出口流出。由于扇頭有一定的阻力，且扇頭出風(fēng)口寬度a直接影響整機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)速。仿真對(duì)比同一風(fēng)機(jī)系統(tǒng)下不同出風(fēng)口寬度對(duì)整機(jī)氣動(dòng)性能的影響，取出口寬度a=25 mm和出口寬度a=20 mm。

圖7 扇頭示意圖

從整機(jī)流線圖及出口速度云圖可以看出，兩種狀況下，整機(jī)的流場(chǎng)分布規(guī)律基本一致，出口寬度20 mm的速度要略高于出口寬度25 mm，兩種狀態(tài)下，出口環(huán)面的速度分布基本均勻，如圖8為出口25 mm的流線及速度云圖。

圖8 出口25 mm流線及速度云圖

從仿真數(shù)據(jù)得出，出口寬度在25 mm時(shí)，出風(fēng)量為463 m3/h，平均風(fēng)速約8.27 m/s；寬度為20 mm時(shí)，其出風(fēng)量有一定的下降，出口風(fēng)速略高。綜合風(fēng)量及風(fēng)場(chǎng)，采用出口寬度為25 mm，風(fēng)量和風(fēng)速可以滿足設(shè)計(jì)要求。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將風(fēng)道最優(yōu)方案制作功能樣機(jī)，對(duì)整機(jī)性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下：

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示，樣機(jī)最高檔測(cè)試風(fēng)量為484.6 m3/h，仿真風(fēng)量為463 m3/h，仿真誤差為4.45 %，小于5 %；鋸齒風(fēng)葉噪音聲功率總值小于63 dB，噪音值較非鋸齒風(fēng)葉降低1 dB。

表4 整機(jī)性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

為解決貫流式塔扇風(fēng)速低、風(fēng)量小問題，提出了離心式塔扇風(fēng)道設(shè)計(jì)。離心風(fēng)道系統(tǒng)主要由蝸殼、離心風(fēng)輪、扇頭三部分組成，本文對(duì)蝸殼及出風(fēng)扇頭關(guān)鍵尺寸進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對(duì)多翼離心風(fēng)輪關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高了整機(jī)風(fēng)量和風(fēng)速，降低噪音。通過研究得出如下結(jié)論：

1）離心式風(fēng)道塔扇可提高整機(jī)風(fēng)速和風(fēng)量，提升風(fēng)感。

2）離心風(fēng)輪隨葉片進(jìn)口角增大，風(fēng)量、出口風(fēng)速先增加后減??；隨著進(jìn)口角的增大，扭矩先減小，后增加，再逐漸減小。出口角對(duì)風(fēng)量影響不大，但對(duì)扭矩有重要影響。

3）離心風(fēng)輪吸力面出口附件尾緣采用鋸齒能夠加強(qiáng)尾跡區(qū)低速流與主流間的摻混，降低湍流強(qiáng)度。與非鋸齒風(fēng)輪相比，可降低噪音1 dB。

4）風(fēng)量隨著葉片數(shù)的增加并不是線性的增加，在50片時(shí)流量達(dá)到最大；隨著葉片數(shù)繼續(xù)增加，流量開始減小。因此，存在一個(gè)最佳葉片數(shù)，使風(fēng)量、扭矩達(dá)到最佳。

5）扇頭采用“跑道型”圓環(huán)設(shè)計(jì)，出口寬度25 mm，可有效減小扇頭帶來的風(fēng)阻，保證出風(fēng)量及出口風(fēng)速，滿足風(fēng)扇的性能體驗(yàn)。