熱泵干衣機風機降噪的研究

林娟 紀瀚 李武

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0 引言

隨著人們生活水平的提高，各種家用電器的品質控制變得愈加重要。熱泵干衣機作為高端的家用電器，其對各項性能指標均有較高的要求，特別是機器的工作噪聲，直接影響用戶的使用體驗。熱泵干衣機的噪聲源主要包括滾筒工作時的機械噪聲，循環風機的氣動噪聲、機械噪聲，以及壓縮機的機械噪聲等。對于現有機組測試表明，風機工作的氣動噪聲是主要的噪聲源，降低該噪聲源可降低整機運行的噪聲。許多學者聚焦于自然界，從仿生角度對風機進行設計研究，鄔長樂[1]等將波形前緣、鋸齒尾緣和表面凹坑3種仿生結構應用在離心風機葉片上，并對其流動和噪聲輻射進行了數值計算，結果表明設計工況下3種仿生結構均可有效控制葉輪內的渦尺度；熊仲營[2]等受鲹科魚類機動游動姿態和渦流特征啟發，設計了一種仿鲹科魚體彎曲姿態的多翼離心風機用仿生葉片，與原型風機相比噪聲平均值降低了2.78 dB；風機集流器安裝在葉輪進口，其作用以最小的阻力損失引導氣流均勻地充滿壓力入口，楊偉剛[3]等對某多翼離心風機提出一種進口集流器偏心安裝的方法，來控制進口流動，使其性能獲得提升、噪聲降低；蝸舌可以防止部分氣流在蝸殼內循環流動，其對風機性能、效率和噪聲等均有很大的影響，劉昶[4]針對S流道7.8C低噪風機進行流場分析，在此基礎上采用傾斜蝸舌技術進一步降低風機噪聲；鄧偉、苗曉丹[5]基于風機內部流場的數值計算結果，采用大渦模擬結合FW-H聲類比理論預測離心風機的遠場噪聲，并提出優化方案，優化風機實現2 dB的降噪；王梅芳[6]等將吸音材料與隔音材料填充進離心風機外殼與過道中間的室內空間，在聲波的傳遞中削弱噪聲，從而降低離心風機噪聲。離心風機應用廣泛，眾多學者針對離心風機降噪的研究也有了許多成果，但業界對于熱泵式干衣機往往更關注其烘干效率、能耗等性能上的問題，目前鮮有對熱泵式干衣機的降噪研究。因此，基于上述研究，本文將通過實驗對現有機組所存在的問題進行分析，結合數值模擬得到改進優化方案并制作手板樣件在實驗室進行對比測試，最終達到對熱泵干衣機風機的降噪目的[7-8]。

1 現有機組問題分析

現有產品采用后向離心風機，其風葉與蝸殼如圖1所示，現有離心風機運行轉速高達4100 r/min，過高的運行轉速是導致離心風機運行噪聲大的主要原因。

圖1 現有機組離心風葉及蝸殼示意圖

為了得到整機運行的噪聲值，根據GB/T 4214.1—2017標準中7.1.2[9]對靠墻放置的落地式器具噪聲測試要求，采用六面體包絡面法在消聲室內對現有機組進行噪聲測試，測點位置如圖2所示。

圖2 現有機組噪聲測點位置圖

當機組穩定運行20 min后，采集6個測點的噪聲值，并計算平均聲壓級，如表1所示，計算得到的機組平均聲壓級為52.33 dB(A)。GB/T 23118—2008標準中5.7[10]對滾筒式干衣機噪聲值規定應不大于69 dB(A)，機組噪聲值雖然符合國標規定，同時在噪聲值指標分級上也達到A級標準，但目前干衣機干衣時間普遍較長，長期處于超過50 dB(A)的環境中會對用戶生活質量產生影響。

表1 現有機組噪聲數據表

目前沒有標準的測試方法評價循環風量，而機組工作時，氣流在機組內部循環，難以進行測試，因此，設計了圖3所示的風量實驗裝置來評價風機的風量。

圖3 現有機組風量測試示意圖

為保證測試的準確性，該裝置系在現有機組上進行相應的改動而成，改動過程中保留了機組內部阻力較大的冷凝器、蒸發器、過濾網等部件；移除滾筒進口的密封機蓋，使機組內部氣流流動方向從循環流動改變為單向流動，并且將離心風機出風口位置的滾筒更替為長風管收集風機氣流，風管內帶有整流格柵對風機出口氣流進行整流，獲得穩定的氣流以便進行風速測量。風管后部設置有熱線風速儀，測試風管圓形截面中心位置的風速。

由于該裝置中移除的部件阻力較小，并且保留了內部流道及阻力較大的部件，因此可以認為該實驗裝置測試得到的風機風量即為機組實際運行的循環風量。

風速測試時，首先使用轉速儀觀察風扇轉速，當轉速基本不變時開始采集風速數據，每10 s記錄一個數據，總共采集20組，最終風速結果取20組數據的平均值umax。經過長管道及整流后的氣流符合流體在管內的湍流流動規律，湍流流動時速度截面如圖4所示。平均速度數據的處理如表2所示，實驗中管內的Re≈7.2×104，平均速度≈0.81umax，因此，風量計算公式為Q=0.81umaxA，其中A為管道截面積，取8.7583×10-3m2。

表2 平均速度數據處理表

圖4 湍流速度截面圖

按上述風量測試方法，測得現有機組的風量數據如表3，20組風量數據的平均值umax=10.677 m/s，因此可以得到現有機組平均風速=8.648 m/s，經計算現有機組風機工作的循環風量Q為4.544 m3/min。

表3 現有機組風量數據表

2 離心風機降噪方案

離心風機工作時的氣動噪聲與風葉旋轉速度密切相關，有研究表明[11]離心風機的聲功率是與風葉圓周速度的5.5次方到6次方成正比，降低風機的運行轉速可以降低風機的運行噪聲，但直接降低風機轉速將導致風量降低，這對于熱泵干衣機來說將影響干衣的性能，因此，需要保證風量至少不衰減的情況下，風機的運行轉速盡量低一些，從而達到降噪的目的。

2.1 離心風葉類型選擇

家電產品常用的離心風機包括后向離心風機和前向多翼離心風機。現有方案的熱泵干衣機采用后向離心風機，該類風機的風葉運行效率高，但風機的流量小和壓力系數小。因此，為了達到目標循環風量，需要較高的風機運行轉速，現有機組的風機轉速高達4100 r/min。

在相同尺寸下，采用前向多翼離心風機來代替后向離心風機可以在滿足相同的風量時，獲得更低的風機的運行轉速，從而降低風機的運行噪聲。由于風機類型的改變，相應的風葉設計參數也需進行調整。優化風葉增加了葉片數量由20片增加到39片，并且減小了內外徑比（即增加了葉片長度），經CFD仿真分析[12]，增加葉片數量和葉片長度能更好地控制蝸舌位置和葉道內的氣流，能有效抑制蝸舌位置的回流和葉輪內的二次流；優化風葉加大了葉片進出口角，使其更適合前向多翼離心風機的特性，CFD仿真對比分析結果顯示在該工況區域內，進口角為61°、出口角為171.5°較佳。優化前后的離心風葉參數如表4所示，優化風葉與原型風葉對比如圖5所示。

表4 離心風葉設計參數表

圖5 優化風葉與原型風葉對比圖

2.2 離心蝸殼優化設計

離心蝸殼的作用是將離心風葉葉道流出來的氣流進行匯集并將動壓轉換為靜壓，提高氣流中反作用度，用以克服后續的風道阻力。因此，優秀的蝸殼方案也將提升整個離心風機的性能。通過CFD仿真計算改進方案的性能，經過不斷的優化設計，最終得到優化后離心蝸殼，下面是蝸殼各部分的具體改動點。

2.2.1 上蝸殼

上蝸殼的改動點如圖6所示，其中①為蝸殼出風口去掉遮擋結構，增加出風面積；②為過渡段，設計更加光順，減小氣流經過時的流動阻力；③為增加蝸殼進風口面積，降低進風氣流速度；④為填平蝸殼入口處深凹位置，從而減小蝸殼入口與風葉入口處的間隙，減小風葉工作時泄漏的氣流。

圖6 上蝸殼改動點對比圖

2.2.2 下蝸殼

下蝸殼的改動點如圖7所示，其中①為傾斜蝸舌優化，減小蝸舌面積，增加該位置的過流面積；②為蝸殼過渡段優化，改進過渡段面積及傾斜角度，減小該位置流動阻力。

圖7 下蝸殼改動點對比圖

3 CFD仿真結果對比

為了得到優化前后的風機性能，同時，可視化的分析離心風機的內部流場，采用CFD分析技術對原型方案和優化方案進行仿真計算，并提取仿真計算結果進行對比。

3.1 風量

CFD仿真計算收斂后，提取風機出口的體積流量，原型方案風機轉速4100 r/min時流量為4.61 m3/min；優化方案風機轉速為2560 r/min時流量為4.73 m3/min，可見優化方案比原型方案風量提升2.6%時，風機運行轉速可以降低1540 r/min，這也體現出前向離心風葉具有更強的做功能力。

3.2 蝸殼內部流線圖

提取蝸殼內部流線圖，原型方案與優化方案的流線圖對比如圖8所示。原型蝸殼由于存在臺階結構，流道變窄，使得該區域存在渦流。優化方案過渡區域流動順暢，未存在明顯渦流區域。

圖8 原型方案與優化方案的蝸殼流線對比圖

3.3 蝸舌區域內部流動圖

提取蝸舌位置截面速度矢量圖及蝸殼區域流線圖，原型方案與優化方案的對比如圖9所示。原型方案箭頭所指為氣流回流區域，氣流重新進入蝸殼內部，優化方案在相同位置蝸舌區域截面上，回流氣流相比原始方案明顯較小，這也使得風機的運行效率得以提升[13]。

圖9 原型方案與優化方案的蝸舌區域流動對比圖

3.4 風葉表面噪聲源對比圖

離心風機在相同的運行風量下，提取風葉表面噪聲源云圖，原型方案與優化方案的對比如圖10所示。優化方案的表面噪聲源最大值比原型方案降低5.2 dB，這表明優化方案在噪聲方面優于原型方案。

圖10 原型方案與優化方案的風葉表面噪聲源對比圖

4 樣件制作及實驗對比

為了準確地對比優化方案與原型方案的差異，將優化方案制作手板樣件，并在實驗室進行對比測試。風葉采用5052鋁合金加工成型，蝸殼采用ABS料3D打印成型，樣件實物如圖11所示。

圖11 優化方案樣件實物圖

將優化方案樣件與原型方案樣件分別安裝到同一臺熱泵干衣機上，采用前文第一節所述的方法測試風量與噪聲值，風量測試結果如表5所示，噪聲測試結果如表6所示。在達到與原型方案相同風量時，優化方案的風機運行轉速為2530 r/min、運行噪聲為49.42 dB(A)，相比原型方案轉速降低1570 r/min、風機運行噪聲降低2.91 dB(A)。

表5 優化方案風量數據表

表6 優化方案噪聲數據表

5 結論

現有熱泵干衣機整機噪聲中風機的氣動噪聲是主要的噪聲源，離心風機噪聲氣動噪聲過大的主要原因是風機運行轉速太高。因此，降低該噪聲源即可降低整機運行的噪聲，結合實驗研究與數值模擬對熱泵干衣機的降噪進行研究，得到如下結論：

（1）選用前向多翼離心風葉替換原來的后向離心風葉，增強風葉的做功能力，同時優化蝸殼結構，提升氣流在蝸殼內部的流動效率，相同風量下風機的運行轉速降低38.3%。

（2）采用CFD仿真技術直觀對比風機的內部流場情況，優化方案蝸殼內部流場相較于原始方案更加順暢，并且由于減少了蝸舌的面積，回流氣流相比原始方案明顯較小。

（3）通過制作樣件對比測試優化方案與原型方案的噪聲值，優化方案在相同的風量下噪聲值為49.42 dB(A)，相比原型方案的噪聲值52.33 dB(A)降低了2.91 dB(A)。