離心風(fēng)輪的風(fēng)葉與輪轂夾角對(duì)風(fēng)機(jī)流動(dòng)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(fēng)輪的風(fēng)葉與輪轂夾角對(duì)風(fēng)機(jī)流動(dòng)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(guò)調(diào)整離心風(fēng)輪風(fēng)葉與輪轂之間的夾角，驗(yàn)證優(yōu)化不同參數(shù)下的離心風(fēng)輪的風(fēng)量、電機(jī)功率、噪音的可行性分析以及相對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證對(duì)比，獲得離心風(fēng)輪的風(fēng)葉與輪轂夾角對(duì)風(fēng)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(fēng)葉；風(fēng)量；噪音；電機(jī)功率；能效

1、前言

目前，在市場(chǎng)上常用的風(fēng)管機(jī)的風(fēng)機(jī)大部分都是采用塑料材質(zhì)的離心風(fēng)葉和蝸殼，而在這其中，離心風(fēng)葉的參數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)的性能特性起到?jīng)Q定性的作用，在這些參數(shù)中離心風(fēng)葉與輪轂的夾角的變化會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、噪音以及電機(jī)功率等都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的影響，而這個(gè)影響的研究，在當(dāng)前行業(yè)的研發(fā)制造過(guò)程中仍為空白，近些年來(lái)，由于流體力學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)流體力學(xué)仿真模擬分析離心風(fēng)機(jī)機(jī)組內(nèi)部流體流動(dòng)的主要手段，但是，由于離心風(fēng)機(jī)機(jī)組的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，通過(guò)軟件進(jìn)行三維流動(dòng)數(shù)值模擬時(shí)，都是通過(guò)對(duì)離心風(fēng)機(jī)機(jī)組建立理想的數(shù)學(xué)模型并通過(guò)一系列的假設(shè)條件下分析得出的結(jié)果，并且將流體簡(jiǎn)化為三維、不可壓縮、穩(wěn)態(tài)、湍流的物理過(guò)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(guò)連續(xù)性方程、能量方程、動(dòng)量方程所計(jì)算得到的；不僅如此，對(duì)離心機(jī)組進(jìn)行仿真分析時(shí)的網(wǎng)格數(shù)和需計(jì)算數(shù)的巨大對(duì)計(jì)算機(jī)的性能要求較為苛刻，一般的計(jì)算機(jī)無(wú)法滿足計(jì)算的需要，最后，由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境中不可控因素的影響，仿真結(jié)果與實(shí)際的測(cè)試數(shù)據(jù)會(huì)有較大的差別[1-3]。一般而言，風(fēng)機(jī)的噪音和電機(jī)功率與風(fēng)量的大小成正相關(guān)。為了兼顧風(fēng)量、噪音[4]、電機(jī)功率等，可通過(guò)設(shè)計(jì)不同的風(fēng)葉與輪轂的夾角，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并尋求這一夾角的變化對(duì)風(fēng)量、噪音、電機(jī)功率等的關(guān)系曲線，以獲得合適的角度并提高風(fēng)機(jī)的能效比并進(jìn)一步完善離心風(fēng)輪的理論分析。

離心風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，在本文中，主要考慮離心風(fēng)葉與風(fēng)輪輪轂夾角β（圖2）對(duì)機(jī)組的風(fēng)量、噪音和電機(jī)功率的影響。

圖1 離心風(fēng)輪

圖2 風(fēng)葉與輪轂夾角β

圖3 風(fēng)量、電機(jī)功率、噪音測(cè)試工裝

采用JMP軟件對(duì)該探索性實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，同時(shí)，運(yùn)用六西格瑪原則，進(jìn)行DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過(guò)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)，構(gòu)建角度β和風(fēng)機(jī)流動(dòng)特性和性能之間的統(tǒng)計(jì)回歸方程，深入的探索角度β對(duì)離心風(fēng)機(jī)機(jī)組的風(fēng)量、噪音以及電機(jī)功率的影響以及影響趨勢(shì)的分析。

2、制定實(shí)驗(yàn)方案

在本次試驗(yàn)中，我們通過(guò)采用角度β分別為28.4°，30.4°，32.4°，37.4°的離心風(fēng)輪，安裝在如圖3所示的離心風(fēng)機(jī)機(jī)組，測(cè)試同一風(fēng)輪，不同轉(zhuǎn)速機(jī)組的風(fēng)量、電機(jī)功率；不同風(fēng)輪、相同轉(zhuǎn)速的噪音等，綜合比較分析角度β對(duì)離心風(fēng)機(jī)性能參數(shù)的影響。

2.1 確定實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

本文的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)試也是一個(gè)通過(guò)測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理分析、完善方案設(shè)計(jì)以改善實(shí)際生產(chǎn)制造的過(guò)程，因此我們需要根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估確認(rèn)。在此，為了判斷在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用的噪音測(cè)試實(shí)驗(yàn)室和風(fēng)量測(cè)試實(shí)驗(yàn)機(jī)組能否滿足公差比（%P/T）＜30%的要求，我們通過(guò)采用ISO/TS16949質(zhì)量管理體系中的MSA工具（測(cè)量系統(tǒng)分析）得出了實(shí)驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)機(jī)組的%P/T。

2.2 確定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

完成實(shí)驗(yàn)機(jī)組的MSA分析后，根據(jù)JMP軟件制定DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，對(duì)比研究離心風(fēng)葉與輪轂夾角β對(duì)離心風(fēng)機(jī)性能參數(shù)的影響，并根據(jù)回歸線性原理，為以后的風(fēng)輪設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2.3 確定風(fēng)量的MSA系統(tǒng)方案

本實(shí)驗(yàn)中，采用GB/T1236-2000，GB/T7725-20 04作為風(fēng)量測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)；選擇的風(fēng)量測(cè)試機(jī)組為FG3.5(I)，3 H P焓差室，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為8 0 0 r m p，750rmp，700rmp，650rmp，600rmp，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速后，需要等待系統(tǒng)穩(wěn)定，在本試驗(yàn)中采用的穩(wěn)定時(shí)間為10min。測(cè)試初始，對(duì)機(jī)組進(jìn)行一些必要的設(shè)定：控制靜壓要求為0 Pa，機(jī)組噴嘴壓差波動(dòng)范圍為180-350Pa，根據(jù)預(yù)測(cè)的風(fēng)量大小，選擇Φ100的噴嘴。不采用任何其他的風(fēng)道，直接將測(cè)試儀器連接到風(fēng)量測(cè)試機(jī)組，并采用密封膠帶將其完全密封。

初次啟動(dòng)儀器時(shí)，需要等待測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，才能開始記錄數(shù)據(jù)，在本實(shí)驗(yàn)中所需的穩(wěn)定時(shí)間約為30min。在數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)中，風(fēng)量、電機(jī)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是所采集數(shù)值的算數(shù)平均值。風(fēng)量測(cè)試的實(shí)驗(yàn)記錄表如表1所示。

表1 風(fēng)量測(cè)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(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)行噪音測(cè)試，采用的噪音機(jī)組為【BK】FG3.5(I)，測(cè)試風(fēng)輪在不同轉(zhuǎn)速中的噪音值，為了與分量數(shù)值相對(duì)應(yīng)，采用與風(fēng)量測(cè)試相同的轉(zhuǎn)速，測(cè)試環(huán)境的溫度為27℃，相對(duì)濕度為60%，使用精度等級(jí)為1級(jí)的麥克風(fēng)，噪音量程為16～120dB，麥克風(fēng)中心位置放置于出風(fēng)口中心點(diǎn)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(fù)測(cè)試之間的時(shí)間間隔小于5s，由于半消音室中的噪音是時(shí)刻變化著的，因此，重復(fù)測(cè)試時(shí)不應(yīng)間隔太長(zhǎng)時(shí)間，使得各次測(cè)試之間相互獨(dú)立，不互相干涉。噪音測(cè)試的實(shí)驗(yàn)記錄表如表2所示。

表2 噪音測(cè)試數(shù)據(jù)記錄表（空白）

圖4 風(fēng)葉與輪轂夾角β=28.4°的離心風(fēng)輪的風(fēng)量、電機(jī)功率、噪音測(cè)試數(shù)據(jù)

圖5 風(fēng)葉與輪轂夾角β=30.4°的離心風(fēng)輪的風(fēng)量、電機(jī)功率、噪音測(cè)試數(shù)據(jù)

圖6 風(fēng)葉與輪轂夾角β=32.4°的離心風(fēng)輪的風(fēng)量、電機(jī)功率、噪音測(cè)試數(shù)據(jù)

圖7 風(fēng)葉與輪轂夾角β=37.4°的離心風(fēng)輪的風(fēng)量、電機(jī)功率、噪音測(cè)試數(shù)據(jù)

3、實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及分析

風(fēng)葉與輪轂夾角β為28.4°，30.4°，32.4°，37.4°的離心風(fēng)輪的風(fēng)量、電機(jī)功率、噪音等測(cè)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(fēng)輪對(duì)風(fēng)量、電機(jī)功率、噪音等的影響，我們采用同一轉(zhuǎn)速（700rmp）的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(fēng)輪的風(fēng)量、電機(jī)功率、噪音等的測(cè)試數(shù)據(jù)中我們可以看出，離心風(fēng)輪的風(fēng)量、電機(jī)功能、噪音等與轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，其中，電機(jī)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(fēng)量的大小受轉(zhuǎn)速的影響程度介于電機(jī)功率和噪音之間。在滿足需要的風(fēng)量的前提下，應(yīng)盡可能降低風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，這可以較大程度的降低電機(jī)的功率，提高空調(diào)的整體能效。

通過(guò)轉(zhuǎn)速為700rmp時(shí)，不同角度β的風(fēng)量、電機(jī)功率、噪音曲線的對(duì)比中我們可以看出，不同角度β的風(fēng)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(jī)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(cè)試數(shù)據(jù)的分析可以得出，在同一轉(zhuǎn)速的情況下，風(fēng)輪風(fēng)葉與輪轂夾角β=37.4°時(shí)的風(fēng)量?jī)?yōu)于其他的風(fēng)輪，比β=32.4°大了約30m3/h，同時(shí)功率卻小于β=28.4°和β=30.4°的風(fēng)輪功率；較大的風(fēng)量以及較小的電機(jī)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(fēng)輪的風(fēng)量、電機(jī)功率、噪音數(shù)據(jù)對(duì)比

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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