家用空调器离心风机系统的优化设计

1家用空调器离心风机系统的优化设计前言在家用窗式、柜式空调器中，制冷（热）量、能效比、噪声一直是设计者、消费者关注的三大基本指标。作为决定以上指标的一个关键部件—离心风机系统，如何对它进行合理优化设计，对空调器的整体性能的提高有着十分重要的意义。在设计中，我们追求较高的制冷（热）量、能效比和较低的运转噪声。但是噪声往往和另外两个指标形成矛盾关系，要想提高制冷（热）量和能效比，在一定程度上要提高风量，提高了风量意味着噪声要有所增加。因此通过对离心风机系统的优化设计，在满足低噪声、大风量的前提下，提高以上指标才能成为可能。家用空调器离心风机系统一般由多翼离心风扇、蜗壳、进风风道和出风风道组成。在本文中，我们就多翼离心风扇、蜗壳、进出风风道以及相互之间的优化设计和匹配进行了研究，并成功地应用于我公司某一型号的家用空调器的设计中。优化设计措施根据以往设计经验，我们首先选择高效的离心风扇，通过对离心风扇参数的优化选择，确认了一款离心风扇A作为优化设计的基本模型，其主要参数如表一所示：表一外径（D1）内径（D2）叶片型式及翼形进口安装角（β1）出口安装角（β2）风扇高度h前盘形式340mm285mm前弯翼形90°143.5°130mm平直前盘一、增加风扇高度和蜗壳宽度根据离心风扇的工作机理，气流在进入叶轮之前，由于负压效应和预旋效应的存在，就家用空调器而言，气流一般存在2～8m/s范围内进入速度。由于惯性的存在，气流进入叶轮肯定会沿着叶片高度方向继续运行一段距离，才进入叶道，由叶轮做功，获得一定的动能和静压能流出风扇。因此增加风扇的高度，可以有效加长叶片的作功长度，叶片的负载得到较为均匀的分布，减少气流在叶片和后盘中的冲击和紊流损失。据此，我们设计了风扇B，与风扇A相比，只是风扇高度增加了22mm，其他参数完全一致。在相同的负载和输入功率的条件下，比较了相互的作功能力，结果如表二所示：表二序号风扇高度（mm2）电机输入功率（W）风量（m3/h）增加值风扇A1301108880风扇B152110942+6%由于风扇高度的增加，相应地蜗壳的宽度也有所增加。同时为了减少蜗壳前后壁与风扇前后盘之间的泄漏损失，对相互之间的安装间隙作了相应的调整。试验表明，缩短蜗壳后壁和风扇后盘的间隙，既可以降低风机系统的内泄漏，又可以有效地降低风扇运转时的紊流噪声，如果间隙大，一方面会造成泄漏损失，同时也会使从叶轮出流的气流产生突然的扩流，形成局部的紊流区，在家用空调离心风机系统该间隙通常限定在5～15mm之间。离心风扇和蜗壳前壁通过集流圈2安装成对口的形式，导致一部分高压气流通过对口间隙回流到离心风扇的进口处，对主气流有所破坏，导致了较大的损失。通常设计较小的间隙来降低这种损失。为此，我们对蜗壳宽度只增加了20mm，使对口间隙进一步缩小。二、优化蜗壳结构参数1、加长蜗壳扩压区就家用空调器离心风机系统而言，衡量其性能的指标是风量和噪声。从能量的角度来看，存在以下关系：N=P*Q；其中N—电机输出功率；（W）P—风机全压；（Pa）P=Pst+P0，Pst为风机静压，P0为风机动压；Q—风机流量；（m3/s）其中Pst表现为空调器换热器的风阻，如果风机运行的效率不高，风机系统提供的静压小于换热器风阻，必然要求风机系统提高转速，利用更多的动压能来转变成静压，同时在转速增加的同时，换热器对流体的阻力随速度的平方成正比增加，在一定程度上形成了恶性循环。而且从离心风机的噪声机理来看，风机运行噪声声功率与风机转速的6次方成正比。因此，要能够降低噪声，就必须提高离心风机系统的静压，提高风机的效率。在合适的动压下，以较低的全压来获得更大的流量。但是，由于家用空调器结构的限制，蜗壳的设计往往不能按照理想的阿基米德螺旋线进行设计，只能采用近似型线设计，这就使得从离心风扇出来的高速、高压气流不能很好地在蜗壳中获得更多地静压能。在国内空调厂家空调风机系统的蜗壳设计中，蜗壳的型腔设计得都比较窄，而日本的松下、大金等厂家大都采用大的型腔设计，再配以合适的出口扩压区设计，使得离心风扇和蜗壳相互配合达到比较理想的程度，能够在较低的转速条件下，获得所需的风量，达到了低噪声、大风量的要求。为此，我们提出在窄型腔蜗壳的基础上，加长蜗壳的扩压器设计。分别制作了蜗壳I、蜗壳II，其中蜗壳I，基本没有扩压器，蜗壳整个长度比较短，蜗壳II，设计了一稍微向蜗舌方向偏斜（12°）长度为H（H≥150mm）的扩压器。在负载条件相同，风量恒定（750m3/h）的情况下比较噪声、转速的结果如表三所示：表三序号电机转速（rpm）噪声（dB（A））蜗壳I42545.5蜗壳II36043.5由试验结果可知，采用加长蜗壳扩压器的设计，可以使静压效率提高10%左右，降低了风机的运转噪声。2、蜗舌及蜗舌与离心风扇距离的优化离心风机蜗壳的蜗舌，其作用就是防止气流在蜗壳内循环流动。在大流量系数条件下，叶轮气流出流角度稍微向蜗壳螺旋形方向向外偏斜，直接流出出口。这样在蜗壳内进气口、蜗舌附近就会存在强烈的涡旋，导致蜗壳出口靠近蜗舌的部位产生负压，使该处流动恶化，产生较大的紊流噪声和压力损失；如果是小流量系数条件下，气流出流角度就会沿叶轮旋转方向向内偏斜，一部分流体重新进入蜗壳内部进行循环，导致流量的减少。在额定流量条件下，气流出流角度能够3与蜗壳壁趋于一致，损失减少。在实际运用中，离心风机的性能不仅与流量系数有较大的关系，而且与蜗舌与叶轮间的距离和蜗舌尖部的圆弧半径有较大的关系。试验表明：设计浅蜗舌时使叶轮性能曲线恶化，而采用深舌设计可以使性能曲线改善。但采用深舌会和大流量系数相似，使噪声增大。蜗舌与叶轮间距离如果过大，类似小流量系数情况，造成回风；过小，则气流涡流噪声明显增加。因此，在兼顾噪声和效率的前提下，在家用空调器小比转数的条件下，蜗舌设计成深舌可以使效率较高，噪声也不大，曲线也比较平坦。当蜗舌半径，蜗舌与叶轮间距离分别取离心风扇直径D2的0.2和0.25附近时，可以使风机运行的基频和二次谐波的声功率小，而且宽频谱的紊流噪声功率也最小。3、蜗壳出口长度结构的优化对家用空调器离心风机而言，从噪声频谱图可见，如果使蜗舌半径和蜗舌与叶轮间距离处于合理的设计值上，可以明显地减弱旋转噪声；但是在250～800Hz之间具有宽频带特性的涡流噪声。因此控制此类风机的涡流噪声就成为降噪的重要途径，当然对于大型离心风机，可以在风机叶片的进出口处加整流装置，使风机叶轮进气口气流变得均匀，出气口紊流脱落程度减弱；也可以在流道内设置导流装置使流道内流动的主气流一部分能量转移到边界层上，促使边界层稳定而不分离。对家用空调器离心风机来说，前一方法的可行性较差，我们采用对蜗壳出口长度和扩压器倾斜角度优化技术，改善蜗壳出口处气流分布状况，降低蜗舌右侧出气气流的速度，使蜗舌侧出口速度有所增加，抑制蜗舌侧的涡流脱落。为此，我们通过如下两种蜗壳出口结构（图一），测量了二者的出口气流速度（测点沿长度尺寸L等分分布，并处于蜗壳宽度的1/2位置处，风机系统处于自由进出气状况），结果如图二所示：蜗壳I蜗壳II4图一图二由图二可以看出，虽然蜗壳I的总体出口截面积有所减少，但通过L1、L2的增加，迫使一部分主气流向蜗舌侧流动，改善了蜗舌侧的气流流动状态，使气流呈现较为均匀的流动状态，并且总体风量保持不变。同时试验结果表明，这种改进对紊流噪声的降低也有好处，在同等条件下测试噪声，蜗壳I的噪声要比蜗壳II的噪声低0.3～0.5分贝左右。三、改善离心风机系统的进、出气流流动状况在家用空调器中，在风机系统的进口处通常采用面板来遮挡系统与外界的联系，起到安全和美观的作用。面板通常设计成带有格栅条状的塑料件，气流通过格栅进入风机系统。在实际设计中，设计者通常只考虑美观和安全的效果，忽略了面板的进气、导流要求，设计的面板格栅有时间隙太小，进气速度相对较高，气流相互摩擦以及气流和格栅的摩擦，造成较大的进气附加噪声；有时设计的格栅导流角度相反，使入口气流紊流加剧，通过叶轮的作用，紊流噪声得到进一步的放大。我们根据试验结果得出：在保证进气面积和间隙的条件下，进气气流速度≤4m/s，可以使面板不产生明显的附加噪声；另外格栅的导流角度必须设计成与气流流动的轨迹趋于一致，避免产生多重折流，改善气流的入口紊流程度。我们曾用面板I、面板II论证了上述分析。其中面板I格栅条角度斜向上倾斜，倾斜角度为45°，格栅较密，间隙较小，直线距离只有8mm；面板II格栅条角度稍微斜向上倾斜，倾斜角度只有5°，间隙略放大，为10mm。采用蜗壳A，在同一机组上比较了在相同转速条件的噪声大小，试验结果如表四所示：表四序号噪声（dB(A)）面板I47.5面板II46.7同样对出气口也要避免设计直弯结构，采用适当的圆弧过渡和阻尼处理，使气流流阻损失降低，避免产生较大的摩擦发声，并考虑出风口的大小和形状。出风口过小，会使气流速度较高，感觉出口噪声较高，出风口过大，气流速度较低，无法满足房间气流输出气流距离的要求。因此使出口气流速度限制在3～8m/s，带有一定的静压，既保证气流能够吹出合适的距离，又能满足出风口寂静的要求。结论①、采用适当增加风扇叶片高度和蜗壳宽度，可以有效地加大风量，使风机蜗壳出口速度分布0246812345678测点位置速度（m/s）蜗壳II蜗壳I5叶轮冲击损失降低；②、采用加长扩压器设计，可以使叶轮出流的高速、高压气流能够在蜗壳内有效地把动能转变成静压能，提高风机的效率；采用合适的蜗舌半径和蜗舌与叶轮距离设计，既能降低蜗舌处的紊流噪声，又能保证风机的性能曲线得到改善；对于蜗壳出口结构的改进，能够改变蜗壳出口气流的分布状态，改善边界层的脱流，使紊流噪声进一步降低。③、进风面板设计不仅要考虑美观、安全的要求，同样必须注意进风能力和导流的要求，避免产生附加的紊流噪声。出风口气流速度要合适，保证静压余量，满足吹气距离的要求。