離心風輪的風葉與輪轂夾角對風機流動特性和性能的影響

鐘志堯

(廣東美的制冷設(shè)備有限公司)

離心風輪的風葉與輪轂夾角對風機流動特性和性能的影響

鐘志堯

(廣東美的制冷設(shè)備有限公司)

通過調(diào)整離心風輪風葉與輪轂之間的夾角，驗證優(yōu)化不同參數(shù)下的離心風輪的風量、電機功率、噪音的可行性分析以及相對應的試驗驗證，通過實驗的驗證對比，獲得離心風輪的風葉與輪轂夾角對風量、噪音、功率的函數(shù)曲線以及最優(yōu)的參數(shù)組合。

離心風葉；風量；噪音；電機功率；能效

1、前言

目前，在市場上常用的風管機的風機大部分都是采用塑料材質(zhì)的離心風葉和蝸殼，而在這其中，離心風葉的參數(shù)對風機的性能特性起到?jīng)Q定性的作用，在這些參數(shù)中離心風葉與輪轂的夾角的變化會對風機的風量、噪音以及電機功率等都會產(chǎn)生相應的影響，而這個影響的研究，在當前行業(yè)的研發(fā)制造過程中仍為空白，近些年來，由于流體力學和計算機技術(shù)的發(fā)展，通過流體力學仿真模擬分析離心風機機組內(nèi)部流體流動的主要手段，但是，由于離心風機機組的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復雜，通過軟件進行三維流動數(shù)值模擬時，都是通過對離心風機機組建立理想的數(shù)學模型并通過一系列的假設(shè)條件下分析得出的結(jié)果，并且將流體簡化為三維、不可壓縮、穩(wěn)態(tài)、湍流的物理過程，環(huán)境溫度為穩(wěn)定的27℃等一系列假設(shè)性條件下并通過連續(xù)性方程、能量方程、動量方程所計算得到的；不僅如此，對離心機組進行仿真分析時的網(wǎng)格數(shù)和需計算數(shù)的巨大對計算機的性能要求較為苛刻，一般的計算機無法滿足計算的需要，最后，由于實驗環(huán)境中不可控因素的影響，仿真結(jié)果與實際的測試數(shù)據(jù)會有較大的差別[1-3]。一般而言，風機的噪音和電機功率與風量的大小成正相關(guān)。為了兼顧風量、噪音[4]、電機功率等，可通過設(shè)計不同的風葉與輪轂的夾角，通過實驗驗證并尋求這一夾角的變化對風量、噪音、電機功率等的關(guān)系曲線，以獲得合適的角度并提高風機的能效比并進一步完善離心風輪的理論分析。

離心風機的結(jié)構(gòu)如圖1所示，在本文中，主要考慮離心風葉與風輪輪轂夾角β（圖2）對機組的風量、噪音和電機功率的影響。

圖1 離心風輪

圖2 風葉與輪轂夾角β

圖3 風量、電機功率、噪音測試工裝

采用JMP軟件對該探索性實驗的數(shù)據(jù)進行處理分析，同時，運用六西格瑪原則，進行DOE實驗設(shè)計，通過測試得到的數(shù)據(jù)，構(gòu)建角度β和風機流動特性和性能之間的統(tǒng)計回歸方程，深入的探索角度β對離心風機機組的風量、噪音以及電機功率的影響以及影響趨勢的分析。

2、制定實驗方案

在本次試驗中，我們通過采用角度β分別為28.4°，30.4°，32.4°，37.4°的離心風輪，安裝在如圖3所示的離心風機機組，測試同一風輪，不同轉(zhuǎn)速機組的風量、電機功率；不同風輪、相同轉(zhuǎn)速的噪音等，綜合比較分析角度β對離心風機性能參數(shù)的影響。

2.1 確定實驗標準

本文的實驗數(shù)據(jù)的測試也是一個通過測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理分析、完善方案設(shè)計以改善實際生產(chǎn)制造的過程，因此我們需要根據(jù)一定的標準對實驗獲取的數(shù)據(jù)進行評估確認。在此，為了判斷在實驗過程中采用的噪音測試實驗室和風量測試實驗機組能否滿足公差比（%P/T）＜30%的要求，我們通過采用ISO/TS16949質(zhì)量管理體系中的MSA工具（測量系統(tǒng)分析）得出了實驗所采用的實驗機組的%P/T。

2.2 確定實驗內(nèi)容

完成實驗機組的MSA分析后，根據(jù)JMP軟件制定DOE實驗設(shè)計方法，對比研究離心風葉與輪轂夾角β對離心風機性能參數(shù)的影響，并根據(jù)回歸線性原理，為以后的風輪設(shè)計提供理論依據(jù)。

2.3 確定風量的MSA系統(tǒng)方案

本實驗中，采用GB/T1236-2000，GB/T7725-20 04作為風量測試的標準；選擇的風量測試機組為FG3.5(I)，3 H P焓差室，風機轉(zhuǎn)速為8 0 0 r m p，750rmp，700rmp，650rmp，600rmp，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速后，需要等待系統(tǒng)穩(wěn)定，在本試驗中采用的穩(wěn)定時間為10min。測試初始，對機組進行一些必要的設(shè)定：控制靜壓要求為0 Pa，機組噴嘴壓差波動范圍為180-350Pa，根據(jù)預測的風量大小，選擇Φ100的噴嘴。不采用任何其他的風道，直接將測試儀器連接到風量測試機組，并采用密封膠帶將其完全密封。

初次啟動儀器時，需要等待測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，才能開始記錄數(shù)據(jù)，在本實驗中所需的穩(wěn)定時間約為30min。在數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)中，風量、電機功率、靜壓、噴嘴壓差、電壓、電流、溫度等數(shù)值的采集區(qū)間系統(tǒng)穩(wěn)定后5分鐘，最終得到的實驗數(shù)據(jù)是所采集數(shù)值的算數(shù)平均值。風量測試的實驗記錄表如表1所示。

表1 風量測試數(shù)據(jù)記錄表（空白）

2.4 確定噪音的MSA系統(tǒng)方案

采用GB/T6882-2008，GB/T7725-2004，GB/19606-2004作為噪音測試的標準，在配備有調(diào)節(jié)電源電壓的裝置以及B&K頻譜分析儀的半消音室中進行噪音測試，采用的噪音機組為【BK】FG3.5(I)，測試風輪在不同轉(zhuǎn)速中的噪音值，為了與分量數(shù)值相對應，采用與風量測試相同的轉(zhuǎn)速，測試環(huán)境的溫度為27℃，相對濕度為60%，使用精度等級為1級的麥克風，噪音量程為16～120dB，麥克風中心位置放置于出風口中心點下方0.8m左右的位置，噪音數(shù)據(jù)的采集區(qū)間為10s，重復測試之間的時間間隔小于5s，由于半消音室中的噪音是時刻變化著的，因此，重復測試時不應間隔太長時間，使得各次測試之間相互獨立，不互相干涉。噪音測試的實驗記錄表如表2所示。

表2 噪音測試數(shù)據(jù)記錄表（空白）

圖4 風葉與輪轂夾角β=28.4°的離心風輪的風量、電機功率、噪音測試數(shù)據(jù)

圖5 風葉與輪轂夾角β=30.4°的離心風輪的風量、電機功率、噪音測試數(shù)據(jù)

圖6 風葉與輪轂夾角β=32.4°的離心風輪的風量、電機功率、噪音測試數(shù)據(jù)

圖7 風葉與輪轂夾角β=37.4°的離心風輪的風量、電機功率、噪音測試數(shù)據(jù)

3、實驗測試結(jié)果及分析

風葉與輪轂夾角β為28.4°，30.4°，32.4°，37.4°的離心風輪的風量、電機功率、噪音等測試數(shù)據(jù)分別如圖4、圖5、圖6、圖7所示。為了更好的比較不同角度β的離心風輪對風量、電機功率、噪音等的影響，我們采用同一轉(zhuǎn)速（700rmp）的測試數(shù)據(jù)進行對比分析，具體結(jié)果如圖8所示。

從角度β為28.4°，30.4°，32.4°，37.4°的離心風輪的風量、電機功率、噪音等的測試數(shù)據(jù)中我們可以看出，離心風輪的風量、電機功能、噪音等與轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，其中，電機功率受轉(zhuǎn)速的影響最為明顯，而噪音曲線則隨著轉(zhuǎn)速的增多顯得上升較為平緩，而風量的大小受轉(zhuǎn)速的影響程度介于電機功率和噪音之間。在滿足需要的風量的前提下，應盡可能降低風輪轉(zhuǎn)速，這可以較大程度的降低電機的功率，提高空調(diào)的整體能效。

通過轉(zhuǎn)速為700rmp時，不同角度β的風量、電機功率、噪音曲線的對比中我們可以看出，不同角度β的風量關(guān)系為：β=37.4°＞β=28.4°＞β=30.4°＞β=32.4°；

不同角度β的電機功率關(guān)系為β=28.4°＞β=30.4°＞β=37.4°＞β=32.4°；

不同角度β的噪音關(guān)系為β=37.4°＞β=28.4°＞β=30.4°＞β=32.4°。

4、結(jié)論

根據(jù)測試數(shù)據(jù)的分析可以得出，在同一轉(zhuǎn)速的情況下，風輪風葉與輪轂夾角β=37.4°時的風量優(yōu)于其他的風輪，比β=32.4°大了約30m3/h，同時功率卻小于β=28.4°和β=30.4°的風輪功率；較大的風量以及較小的電機功率，能有效提高空調(diào)的能效，減低空調(diào)的功耗，使得空調(diào)更加環(huán)保節(jié)能。

圖8 轉(zhuǎn)速為700rmp,不同角度β的離心風輪的風量、電機功率、噪音數(shù)據(jù)對比

[1]Alder D，Krimerman Y. On the Relevance of In- viscidSubsonic Flow Calculations to Real Centrifugal Impeller Flow[J].ASME Journal of Fluids Engineering，1980，102：728 - 737.

[2]王企鯤，戴韌，陳康民.離心風機梯形截面蝸殼內(nèi)旋渦流動的數(shù)值分析[J].工程熱物理學報，2004，25：66- 68.

[3]李曉麗，楚武利，謝芳.防渦圈對離心風機性能的影響[J]. 機械科學與技術(shù)，2011，30(7)

[4]吳昌，趙軍，賽慶毅.房間空調(diào)器噪音的產(chǎn)生及防范[J].機械研究與應用，2011，06：34-37

The Effect from the Angle between the Blades and Hub to the Flow Characteristics and Performance of Centrifugal Fan

Zhong Zhirao
(Guangdong midea refrigeration equipment co., Ltd）

Adjust the angle between the blades and hub, verify and optimize the air volume, motor power and noise of the centrifugal fan under different parameters and the corresponding test.Through the experimental contrast, we can know how the angle between the blades and the hub influence the air volume, noise, motor power. Finally, we can obtain the best parameter combination.

Centrifugal blade; Air volume; Noise; Motor power；Energy Efficiency