后向多翼離心塑料風扇葉技術研究

韋福權

摘 要：本文采用CFD軟件數值模擬和制作實物模型測試驗證并行開發，設計了性能優良的后向離心塑料風扇葉。在此基礎上，依據標準的k-epsilon方程對空調終端內空氣流動進行了仿真，預測了空調風道內各部件氣流狀態對噪聲的影響，并對后向離心風葉葉片空間曲面對噪聲影響分析。結果表明：風道部件合理的配合、符合空氣流動力學的空間扭曲葉片對噪聲貢獻很大。模型的數值預測結果與模型制作件試驗在定性上吻合較好，說明CFD數值分析方法在戶式中央空調通風系統的性能和噪聲的改善具有良好的應用價值。

關鍵詞：后向離心塑料風葉 中央空調終端 噪聲 CFD數值分析

中圖分類號：TB6 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（c）-0100-02

1 依據

1.1 項目研究目的及意義

噪音污染日益為人們所關注并認識到，噪聲污染是一種環境污染，它被認為是僅次于大氣污染與水污染的第三大公害。世界衛生組織認為一旦噪音超過50 dB將就會影響睡眠和休息并對人體產生一定的危害。

戶式中央空調終端5P天花機在運行過程中噪音達到51 dB，而國外某標桿企業同類產品的噪音僅48 dB，為了更好的達到人體需求的安靜舒適的安居環境。中央空調終端設備天花機，其主要噪音來源是風葉作功引起的。希望通過研究、設計新的后向多翼離心風葉——降低噪音的核心部件，要求達到或優于國外某標桿企業同類產品性能，以便產品在國內外市場上占有絕對優勢。鑒于目前我司原有產品與國外同類型產品性能相差太大，研發新的產品來替代原來產品來縮小這種技術差距和降低產品噪音迫在眉睫。

因此，希望通過較先進的技術優化設計戶式中央空調終端用后向多翼離心風葉葉形，保持現在終端系統的性能，降低風葉的噪音，從而降低終端設備的噪音，實現降低噪音3 dB以上。

1.2 國內外現狀、水平和發展趨勢

目前，隨著計算技術的高速發展，推動了計算流體動力學的進步，計算機進行求解三維N-S方程已經成為現實，國外CFD技術在后向多翼離心風扇內流模擬已經得到了廣泛應用。

國內研究此類終端設備用風葉的機構較少，對后向多翼離心風葉的開發研究大多還在起步階段或還沒有涉足此類市場，相關測試設備也較落后，有關后向多翼離心通風機內流特性的研究還處于初期階段，而我司在國內此類產品的研究中處于領先地位，但與國外先進的技術水平相比，還相差很大的一段距離。隨著計算機技術的高速發展，將國外先進的CFD計算仿真技術和近年發展起來的風機設計新技術應用于后向多翼離心風葉設計中，可為戶式中央空調通風系統的性能和噪音的改善提供一種有效的新途徑。

1.3 項目達到的技術水平和市場前景分析

新產品采用工程塑料生產，通過優化設計葉形和優化整機結構，預計相比我司原有產品，滿足性能的情況下，噪音降低3 dB。由于新產品具有低噪音以及達到國際先進水平的優點，其市場潛力巨大，對現有產品具有較大的沖擊力。

2 研究開發內容和目標

2.1 項目目標

通過適用于后向多翼離心風葉的設計方法和新技術的應用，采用性能優異的葉型和參考國外先進的同類型產品以及我司設計這類風葉的經驗，設計出高效率低噪音的風葉，達到降噪的目的；最終達到提高產品競爭力和保持我司在此類研究中處于領先地位的目的。

2.2 項目內容

（1）針對目前市場上銷量最大的戶式中央空調5P天花機，采用性能優異的葉型，引入國外先進的同類型風葉技術，運用先進的計算流體力學（CFD）方法模擬計算，最終完成風葉的節能設計，實現整機降噪音3 dB以上。

（2）根據該風葉使用環境狀況和加工的特點，在不影響風葉性能的情況下，采用軸蓋和風葉一體化，簡化模具結構，提高模具生產壽命，提高原有產品的動平衡合格率。

（3）采用上述方法完成戶式中央空調天花機降噪和風葉產業化。

2.3 項目的關鍵技術

目前，后向多翼離心風扇的降噪技術很有限，且理論還不是太成熟。由于此類型風葉繼續優化的空間有限，而國外的同類型產品有多項專利的保護，這對我們設計此類風扇受到了一定限制。同時由于氣體的不可見性，風扇運轉過程中渦流產生的狀況以及邊界層氣流分離等都無法可視化，因此以往在葉片設計上，很難實現對葉片渦流的有效控制。本項目將采用先進的CFD分析軟件，模擬天花機工作狀態，可實現系統內流場的可視化，這將會對各種產生噪音的渦流提供解決方案并能應用于風機設計發揮重要作用，對我們提升研發能力的同時也將較大程度的縮短開發周期和減少開發費用。

2.4 項目的創新點

（1）新風葉性能達到或超過了國外先進水平，并避開了國外此類型產品的專利保護同時相對于國外同類型產品制造工藝有較大的提升。風葉采用各種性能優異的翼型設計，保證風機的性能并能有效的降低整機噪音。

（2）風葉采用軸蓋和葉片一體化，相較于原有產品能減少組裝時人為的影響，并能進一步提升產品的質量和工藝水平。

（3）風葉在不影響性能的情況下去除了葉片出口處的鋸齒設計，使得風葉模具的制造成本和生產成本下降，風機總體成本得到進一步降低，并提高了模具使用壽命。

2.5 項目的技術指標（見表1）

3 研究開發方法及技術路線

3.1 技術路線

本項目結合戶式中央空調終端風機系統，采用近年來高新技術領域內迅速發展起來的CFD計算機模擬技術，在設計初期通過理論和新方法的應用縮短開發周期，減少降低開發試驗成本。并對戶式中央空調終端內機系統的內流進行仿真的數值實驗研究，為后向多翼離心風葉的優化設計提供依據，并結合外部性能的測試，尋求影響風機效率的內在因素，達到降低風機噪音和保持原有風機性能的目的。endprint

（1）技術路線框圖如圖1所示。

（2）CFD設計優化流程如圖2所示。

3.2 技術路線可行性風險分析

CFD（全稱computational fluid dyuamics 計算流體動力學）是通過計算機數值計算和圖像顯示，對包括流體流動及多種相關物理現像做的系統分析。傳統的研發過程中，最常用的兩種研發手段分別為理論研發和實驗研發。這兩種研發方式各有優劣：理論研發所得結果具有普遍性，由于軸流風機的理論還不是太完善，所以與實測結果誤差較大；實驗研發得出的結果真實可信但最大的不足在于研發周期長，研發經費大，效率低等并浪費大量的人力物力。而CFD方法恰好克服前兩種方法的不足，而又結合這兩種方式的優點。

公司引進CFD軟件以來，我們就一直對CFD在風機設計上的應用開展研究，現在已將CFD計算值與實測值誤差控制在5%左右，這使得CFD在各項研發工作上發揮了重要作用。近兩年，我們在CFD應用上取得了不錯的成績。在CFD計算精度上，從最初的計算方程的選擇，模型的設計，邊界的定義，網格的劃分等最基礎方面入手，通過計算——驗證——改進——計算的循環過程不斷改進影響數值解精度的因素，從而實踐出一套符合實驗要求和我司情況的CFD計算運用方法。近兩年我們采用CFD進行研究開發的項目，100%都達到了設計要求，其中90%都超過了設計目標。它使產品的開發周期縮短60%以上，并大大的提高了我們的工作效率。目前我們采用CFD應用于研發工作，成功為外機、內機以及熱水機等多款產品成功開發了多款高性能、低噪音的風機。

因此，將CFD軟件應用于本項目研究開發，走CFD輔助設計的技術路線，不管是在設計質量，還是在縮短研發周期上都將發揮重要作用。

4 現有研究開發基礎

現在，研發中心擁有齊全的空調風機研究設備以及先進的軟件和研究手段。中心現有風機性能實驗臺4套，風量測量范圍為7～30000 m3/h，壓力測試范圍為0～1000Pa；擁有國際先進的噪聲振動測試設備多套；晗差實驗室多套；此外還有各種電源及轉速測試表等輔助設備。經過多年的建設與發展，研發中心組建了一支學科互補、結構合理的專業開發團隊，掌握了空調風機設計的核心技術。

5 項目成果

經過幾個月的努力，借助CFD軟件建立不同方案的模型，進行計算模擬，從以下各個參數優化設計：（1）葉型和葉形設計；（2）風輪進口與導流圈的配合；（3）風輪底盤的設計；（4）進風格柵等（見圖3）。

根據最優的兩個方案發外制作手板樣品測試驗證，開發了新的后向離心塑料風葉，性能良好，在保證風量滿足能力要求下，噪音降低了3.8 dB（見表2）。

6 結語

本文利用CFD數值分析方法和模型發外制作實物手板實驗測試并行的對戶式中央空調通風系統進行了研究，預測了終端各部件配合方式、離心風輪葉片結構等對噪音的貢獻。同時，對數值分析方法在工程應用中的可靠性進行了驗證。主要結論有：

（1）戶式中央空調終端的噪聲主要位于來源于離心風葉作功噪聲，特別是離心風葉的氣流噪聲。

（2）離心風葉的氣流再說主要通過改變葉片空間曲面優化。

（3）終端風道各個部件對噪聲也有一定貢獻。

（4）本文的數值分析方法能從定性上優化戶式中央空調噪聲，具有較好的工程應用價值。

參考文獻

[1] FLUENT 6.0 Document[EB/OL].www.fluent.com.

[2] 劉秋洪.離心通風機氣動噪聲數值分析方法的研究及應用[D].西安：西安交通大學，2007.

[3] 李中云.離心風機建模參數化及CFD分析的精度研究[D].華中科技大學.

[4] 伍曉芳.空調用多翼離心風機現代設計的CAD/CFD研究[D].華中科技大學，2004.

[5] 張克危.流體機械原理（上冊）[M].北京：機械工業出版社，2000.

[6] 商景泰.通風機手冊[M].北京：機械工業出版社，2000.

[7] 李慶宜.通風機[M].北京：機械工業出版社，2000.endprint

（1）技術路線框圖如圖1所示。

（2）CFD設計優化流程如圖2所示。

3.2 技術路線可行性風險分析

CFD（全稱computational fluid dyuamics 計算流體動力學）是通過計算機數值計算和圖像顯示，對包括流體流動及多種相關物理現像做的系統分析。傳統的研發過程中，最常用的兩種研發手段分別為理論研發和實驗研發。這兩種研發方式各有優劣：理論研發所得結果具有普遍性，由于軸流風機的理論還不是太完善，所以與實測結果誤差較大；實驗研發得出的結果真實可信但最大的不足在于研發周期長，研發經費大，效率低等并浪費大量的人力物力。而CFD方法恰好克服前兩種方法的不足，而又結合這兩種方式的優點。

公司引進CFD軟件以來，我們就一直對CFD在風機設計上的應用開展研究，現在已將CFD計算值與實測值誤差控制在5%左右，這使得CFD在各項研發工作上發揮了重要作用。近兩年，我們在CFD應用上取得了不錯的成績。在CFD計算精度上，從最初的計算方程的選擇，模型的設計，邊界的定義，網格的劃分等最基礎方面入手，通過計算——驗證——改進——計算的循環過程不斷改進影響數值解精度的因素，從而實踐出一套符合實驗要求和我司情況的CFD計算運用方法。近兩年我們采用CFD進行研究開發的項目，100%都達到了設計要求，其中90%都超過了設計目標。它使產品的開發周期縮短60%以上，并大大的提高了我們的工作效率。目前我們采用CFD應用于研發工作，成功為外機、內機以及熱水機等多款產品成功開發了多款高性能、低噪音的風機。

因此，將CFD軟件應用于本項目研究開發，走CFD輔助設計的技術路線，不管是在設計質量，還是在縮短研發周期上都將發揮重要作用。

4 現有研究開發基礎

現在，研發中心擁有齊全的空調風機研究設備以及先進的軟件和研究手段。中心現有風機性能實驗臺4套，風量測量范圍為7～30000 m3/h，壓力測試范圍為0～1000Pa；擁有國際先進的噪聲振動測試設備多套；晗差實驗室多套；此外還有各種電源及轉速測試表等輔助設備。經過多年的建設與發展，研發中心組建了一支學科互補、結構合理的專業開發團隊，掌握了空調風機設計的核心技術。

5 項目成果

經過幾個月的努力，借助CFD軟件建立不同方案的模型，進行計算模擬，從以下各個參數優化設計：（1）葉型和葉形設計；（2）風輪進口與導流圈的配合；（3）風輪底盤的設計；（4）進風格柵等（見圖3）。

根據最優的兩個方案發外制作手板樣品測試驗證，開發了新的后向離心塑料風葉，性能良好，在保證風量滿足能力要求下，噪音降低了3.8 dB（見表2）。

6 結語

本文利用CFD數值分析方法和模型發外制作實物手板實驗測試并行的對戶式中央空調通風系統進行了研究，預測了終端各部件配合方式、離心風輪葉片結構等對噪音的貢獻。同時，對數值分析方法在工程應用中的可靠性進行了驗證。主要結論有：

（1）戶式中央空調終端的噪聲主要位于來源于離心風葉作功噪聲，特別是離心風葉的氣流噪聲。

（2）離心風葉的氣流再說主要通過改變葉片空間曲面優化。

（3）終端風道各個部件對噪聲也有一定貢獻。

（4）本文的數值分析方法能從定性上優化戶式中央空調噪聲，具有較好的工程應用價值。

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[6] 商景泰.通風機手冊[M].北京：機械工業出版社，2000.

[7] 李慶宜.通風機[M].北京：機械工業出版社，2000.endprint

（1）技術路線框圖如圖1所示。

（2）CFD設計優化流程如圖2所示。

3.2 技術路線可行性風險分析

CFD（全稱computational fluid dyuamics 計算流體動力學）是通過計算機數值計算和圖像顯示，對包括流體流動及多種相關物理現像做的系統分析。傳統的研發過程中，最常用的兩種研發手段分別為理論研發和實驗研發。這兩種研發方式各有優劣：理論研發所得結果具有普遍性，由于軸流風機的理論還不是太完善，所以與實測結果誤差較大；實驗研發得出的結果真實可信但最大的不足在于研發周期長，研發經費大，效率低等并浪費大量的人力物力。而CFD方法恰好克服前兩種方法的不足，而又結合這兩種方式的優點。

公司引進CFD軟件以來，我們就一直對CFD在風機設計上的應用開展研究，現在已將CFD計算值與實測值誤差控制在5%左右，這使得CFD在各項研發工作上發揮了重要作用。近兩年，我們在CFD應用上取得了不錯的成績。在CFD計算精度上，從最初的計算方程的選擇，模型的設計，邊界的定義，網格的劃分等最基礎方面入手，通過計算——驗證——改進——計算的循環過程不斷改進影響數值解精度的因素，從而實踐出一套符合實驗要求和我司情況的CFD計算運用方法。近兩年我們采用CFD進行研究開發的項目，100%都達到了設計要求，其中90%都超過了設計目標。它使產品的開發周期縮短60%以上，并大大的提高了我們的工作效率。目前我們采用CFD應用于研發工作，成功為外機、內機以及熱水機等多款產品成功開發了多款高性能、低噪音的風機。

因此，將CFD軟件應用于本項目研究開發，走CFD輔助設計的技術路線，不管是在設計質量，還是在縮短研發周期上都將發揮重要作用。

4 現有研究開發基礎

現在，研發中心擁有齊全的空調風機研究設備以及先進的軟件和研究手段。中心現有風機性能實驗臺4套，風量測量范圍為7～30000 m3/h，壓力測試范圍為0～1000Pa；擁有國際先進的噪聲振動測試設備多套；晗差實驗室多套；此外還有各種電源及轉速測試表等輔助設備。經過多年的建設與發展，研發中心組建了一支學科互補、結構合理的專業開發團隊，掌握了空調風機設計的核心技術。

5 項目成果

經過幾個月的努力，借助CFD軟件建立不同方案的模型，進行計算模擬，從以下各個參數優化設計：（1）葉型和葉形設計；（2）風輪進口與導流圈的配合；（3）風輪底盤的設計；（4）進風格柵等（見圖3）。

根據最優的兩個方案發外制作手板樣品測試驗證，開發了新的后向離心塑料風葉，性能良好，在保證風量滿足能力要求下，噪音降低了3.8 dB（見表2）。

6 結語

本文利用CFD數值分析方法和模型發外制作實物手板實驗測試并行的對戶式中央空調通風系統進行了研究，預測了終端各部件配合方式、離心風輪葉片結構等對噪音的貢獻。同時，對數值分析方法在工程應用中的可靠性進行了驗證。主要結論有：

（1）戶式中央空調終端的噪聲主要位于來源于離心風葉作功噪聲，特別是離心風葉的氣流噪聲。

（2）離心風葉的氣流再說主要通過改變葉片空間曲面優化。

（3）終端風道各個部件對噪聲也有一定貢獻。

（4）本文的數值分析方法能從定性上優化戶式中央空調噪聲，具有較好的工程應用價值。

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