家用空調室外風扇氣動數值優化與應用

劉忠民,鄭學利,鹿紅偉

(廣東科龍空調器有限公司,順德528303)

1 前言

目前我國的空調產量占全球的80%左右,是世界重要空調生產基地,但是在核心技術的掌握上,與國外先進制造企業還存在較大的差距。對于與性能、噪音改善有關的空調器風機葉輪的優化設計,在國內空調制造企業中尚缺乏系統的研究。良好的內流結構要求與空調器幾何結構的限制所產生的矛盾與不相匹配性,是從事低壓風扇研究的重大難題,需要持續開展這方面的研究。

伴隨著數值方法和試驗研究的技術進步,一直鼓勵著人們對流體機械內部復雜的流動現象進行苦心研究,以適應日益苛刻的能源環境的時代要求。作為量大面廣、耗能巨大的空調器及其風機系統,不僅因為這類低壓風機系統在空調器上不可缺少并在工程中有著十分廣泛地應用,而且從學科上來看,這類風機與動力用風機相比,一方面在結構配置、設計方法和內流機制上都有著很不同的自身特點;另一方面它雖然風壓低但風量范圍變化大,對低噪聲有很高的要求,氣動及聲學的綜合性能要求高,故這類低壓風機系統內流的研究及其機制的把握上也并非易事,特別是在它內流中的渦-聲現象及其相互作用問題不少方面都還不清楚,需要進行更深入的研究。

本文針對目前海信科龍空調室外機W1D箱體的結構特點,在導風圈等尺寸不變的情況下,應用CFD數值模擬手段對目前的葉輪進行性能優化,運用葉輪的葉片彎掠、尾緣修正等理論來實現室外風道系統氣動性能的優化設計。

2 葉輪優化的理論與方法

2.1 葉輪附近的旋渦流動和流動損失

旋渦流動現象是影響流體機械性能的重要因素之一。渦是流動的驅動力也是損失產生的根源,流體機械內部流動的旋渦流動主要包含以下幾種:

(1)刮擦渦:轉子的刮擦作用而產生的;

(2)通道渦和馬蹄渦:端壁邊界層產生的;

(3)葉頂泄漏渦:由葉頂和機殼間隙內部的泄漏流動以及環壁邊界層、壁面邊界層的綜合作用而產生的;

(4)葉片前緣分離渦:由葉片前緣形狀影響和壓力變化導致氣流分離而產生的;

(5)葉片尾緣脫落渦:由沿展向的葉片環量變化而引起的。

上面所示的旋渦流動實際總是同時受到諸多相關因素的影響和制約,常統稱為二次流旋渦 (Secondary Vortices),如圖1所示。

圖1 葉輪附近的渦旋流動

通常渦流動總是伴隨著損失的產生,渦流動損失根據其生成的機理常分為以下四類:

(1)葉型損失——葉片尾跡損失和葉片表面邊界層的摩擦損失;

(2)二次流損失——由通道渦、馬蹄渦、角隅分離流、端壁邊界層損失和多級葉輪中由于上游流動不穩定造成的損失,二次流損失在葉輪損失中占有相當大的份額;

(3)葉尖間隙泄漏損失——由于葉尖間隙而引起的損失。葉尖間隙區域流動非常復雜,泄漏渦與主流相互作用,產生了復雜的三維流動,嚴重影響透平機械的氣動性能和失速裕度范圍;

(4)葉尖渦損失——開式流體機械中,人們對航空發動機轉子葉尖區域存在的渦現象,至今仍是研究熱點之一。對于開式葉輪或空調風扇而言,研究表明其葉尖渦亦真實存在,但現在對它了解不多,它的存在對風扇性能和噪聲有很大影響,因而需要進一步的研究。

2.2 葉輪的氣動噪聲

研究表明,流體流動生渦,渦運動加速會發聲。近年來隨著CFD技術進行數值解析的發展,研究氣動噪聲取得不少進展,但由于模擬聲傳播的物理特征 (色散性、耗散性、方向性以及相/群速度)上要求的原因,還需要在計算方法及其格式上作更深入的研究,以符合聲傳播的物理特征要求。

已有試驗研究成果表明,以往人們能夠通過機械方式擾動流體改變翼型壓力分布,應該可以通過了解內流渦結構細節及渦特性,尋求渦場與流場速度三角形相匹配,達到提高空調風機氣動-聲學性能的目的。例如對于低壓空調風機來說,如果能把握葉輪旋轉因偏心渦及其尾渦脫落傳入葉頂間隙的葉片通過頻率 (BPF),通過頻譜分析,也可能相當準確地確定空調用貫流/軸流風機總的噪聲級,這可為從設計入手降低風機的氣動噪聲提供依據,達到改善空調風機的氣動-聲學特性。

目前的研究表明,這類低壓空調風機的氣動噪聲主要包括:葉片表面壓力差產生的偶極子聲源,尾跡湍流噪聲 (四極子),尾跡與下游干擾噪聲等。其中葉片表面壓力差的偶極子聲源可以通過改進葉片表面的壓力分布來改進,例如,改進葉片的外邊緣形式,使得葉片表面壓力分布更加均勻,可以大幅度減低噪聲。尾跡湍流噪聲比較難以消減,一般可以對尾緣做局部的改進,例如,尾緣開口,尾緣加鋸齒,或者在尾緣低壓力面增加橫紋等,都是在葉輪的尾跡中提供一些擾動,改變尾跡中的湍流結構,使得渦結構變得更小,從而降低尾跡噪聲,但這種改進或多或少會損失一些氣動性能。另外還有一種方法,就是改變下游格柵的結構形式,例如,螺旋形的格柵可以降低尾跡與格柵的干擾噪聲,這種方法已經應用于電腦冷卻風扇中。

2.3 葉輪氣動性能優化的方案

葉片的聯合彎扭氣動成型方法是工仲奇院士和前蘇聯的費里鮑夫于20世紀60年代初提出的。葉片沿高度的周向彎曲,增加了流體機械氣動設計的自由度。70年代以后,彎掠葉片的研究己取得了不少成果,隨著理論和實驗研究的進步,彎掠葉片作為航空發動機和壓氣機葉片方案,在氣動性能和聲學特性上的優點愈來愈被人們所證實。GE公司1996年作的前掠轉子試驗表明,高速、低展弦比、前掠轉子比常規轉子,能提高80%的承受進口流場畸變的能力和在失速裕度方面能提高幾個百分點。德國RR公司的BR710航空發動機,在不增大尺寸的條件下,通過改進葉型,采用掠彎組合造型掠葉片,提高了流量和效率,改善了噪音特性并增大了推力。掠彎組合造型控制了靜葉根部角區的氣流分離,對發動機風扇的設計起了重要作用。

彎掠葉片及其氣動布局方案,在國外航空發動機、渦輪及壓氣機動/靜葉上都有不同程度的應用,并取得眾所公認的研究及其應用成果。研究表明,風扇的峰值效率以前掠轉子為最高,后掠轉子次之,無掠轉子最低。

本次針對W1D室外箱體現有葉輪進行優化,主要考慮了葉輪的前緣彎掠、尾緣開口、尾緣折起的局部改進等技術方案,其示意圖分別如圖2～5所示,其中新方案C是在新方案A的基礎上進行改進。

3 數值模擬計算

根據空調外機流道及流動的特點,本次優化設計使用Gambit和Fluent軟件對這種復雜流動進行數值仿真,用模擬的方法獲得葉輪的吹風數據,模擬流程包括:風葉的原始模型,空氣域的劃分,網格劃分,邊界條件,fluent參數的設定,邊界條件,交接面,結果的獲取與分析。

3.1 內流場特征及分析

常規空調室外風道系統的阻力在20Pa左右,我們以20Pa為對照分析依據,比較20Pa出口壓力情形下,四種葉片的內流分布。圖6是出口位置的速度矢量分布,相同的顏色代表了相同的速度大小,紅色區域代表流出口的氣流,藍色區域代表從出口回轉入風葉的氣流,從圖中可以看出,原型方案具有很高的尖峰區域 (靠近葉頂的位置),但是也具有很大面積的回流區域,這說明原型方案葉片的根部流動效果并不好,由于葉根部壓力面的壓力比較小,造成了流出氣流從葉根附近回灌入風機內部,在更大出口壓力情形下,將會引起更多的氣流損失,難以提高效率。新方案A的效果比原型方案要好,這是因為其出口位置基本無回流發生,新方案B也具有很好的流動效果,葉根附近尚無明顯的回流,而葉頂附近的流動速度更大,因而流量也大,新方案C的葉片也具有很好的流動效果,在新方案A的基礎上,進一步提高的出口平面的氣流速度,因此流量比新方案A還要好。

圖6 四種葉片出口的速度矢量

另外,我們將視角移至葉片表面,從CFD結果上分析葉片表面的壓力分布情況,從圖7中可以看出,除了原型方案葉片在葉頂位置出現了局部很高壓力以外,其他葉片表面的壓力分布比較均勻。

下面再看看葉片低壓力面的壓力分布情況,從圖8可以看出,原型方案、新方案B在葉頂位置,有一片區域的壓力很小 (圖中為藍色區域),這很容易引起葉頂間隙的回流,降低葉片效率,新方案A及新方案C都沒有明顯的回流出現。從葉輪噪聲經驗中可以知道,越是均勻的壓力分布,其噪聲水平也會比較好,因此,綜合高壓力面和低壓力面的結論,新方案A及新方案C的噪聲水平應該比原型方案要好。

總的來說,通過數值模擬發現,新方案C比新方案A的內流分布更優越,是引起氣動性良好的內在依據,也是比原型方案性能改善的重要內因。

3.2 仿真計算的結果

針對四種葉片方案,完成了幾個系列的數值模擬計算,其結果如圖9所示。

圖9 數值模擬的四種葉輪的靜壓-風量數據

4 試驗測試結果與分析

從模擬計算所得的風量分析中可以看出,新方案A、新方案B、新方案C在風量上均能比原型方案高10%以上,但上述計算都是在恒定轉速條件下做的計算,因計算時無法預知葉片扭矩發生變化后的風扇轉速,例如,當我們把新方案A改進為新方案C后,葉片面積變小,葉片轉速會提高,這勢必造成風量和噪聲的變化,為了驗證計算的準確性,以及對噪聲進行詳細的評估,我們在本公司風機測試中心和風量噪聲實驗室對這幾種型號的葉輪進行了詳細的試驗測試。按照試驗測試目的和場所的不同,分為以下兩個部分:(1)氣動性能試驗;(2)噪聲特性試驗。

4.1 氣動性能試驗

本次試驗分別在W1D箱體上做四種軸流風扇方案的匹配實驗,對每個測試方案,進口壓力為大氣壓,恒定箱體電壓為220V,背壓分別設置為0、5Pa、10Pa、15Pa、20Pa、25Pa、30Pa共 7個工況點,測量各工況點下的風機風量、功率以及在出口壓力為0Pa時的噪聲,不同葉輪方案在不同壓力下的試驗結果如表1所述。

表1 四種葉輪在不同出口靜壓力下的風量功率

從表中可以看出,在0Pa情形下,四種葉輪的風量幾乎相當,在靜壓超過l0Pa時,新方案A、新方案B及新方案C在相同靜壓條件下,風量均比原型方案有顯著的提高,但在靜壓超過25Pa時,新方案A、新方案B的性能下降很快,在更高壓力情形下,比原型方案性能還要低。從試驗數據可以看出,我們在新方案A的基礎上改進為新方案C提高了氣動性能,相對原型方案同噪聲下提高了10%～35%的風量。同時,新方案C在功率和噪聲方面也有一定的優勢。

4.2 噪聲特性試驗

本次試驗分別在W1D箱上測量不同葉輪,在相同出口靜壓0Pa條件下,不同電壓情形下的噪聲數據以及風量數據,簡化合并后的結果簡表如表2所示。

表2 四種葉輪在不同電壓條件下的噪聲、風量及轉速

從表中可以看出,在相同風量情形下,原型方案的噪聲水平總是最高的,新方案A和新方案C的噪聲相當,都比原型方案低約1.5dB(A),上述數據能夠體現新方案A和新方案C的葉輪在低噪聲方面的優勢。但新方案A葉輪在低電壓時,風量下降很快,考慮到空調工作時的穩定性,為確保電壓波動時的風量滿足要求,同時考慮氣動性能實驗中的表現,推薦使用新方案C進行W1D箱體室外風扇優化設計。

5 小結

(1)本次室外風扇系統優化為為葉輪優化的思路提供了多種可靠的理論方法 (如前緣彎掠、尾緣改進等),同時為葉輪的優化提供了具體的分析流程,包括數值分析以及試驗研究等,為數值模擬用于指導實際產品的開發打下了基礎;

(2)通過幾種方案的理論計算和試驗數據對比后發現,在低出口壓力情形下,計算能比較好的反映試驗的結果,其誤差可以控制在5%以內,但在高出口壓力情形下偏差較大。這主要的原因可能在于,出口壓力增大時,葉頂間隙的流動更加強烈,而目前受限制于網格數量,我們在葉頂間隙端只能分布3層網格,所以這種葉頂間隙流動模擬并不準確,也因此造成高出口壓力情形下,數值模擬的誤差太大,仍需進一步修正網格數量;

(3)通過本次開發還發現,導風圈與風扇的匹配性較差影響了本次優化的成果,后續需針對整個風道系統進行設計優化。

[1] 王軍,金培耕,伍光輝,吳克啟.空調用軸流風扇系統內流特性分析與應用[J].工程熱物理學報,2002,(3)

[2] 劉中杰,劉利娜,龍斌華.基于CFD的空調用軸流風葉設計選型.2010年國際制冷技術交流會論文集,2010