吸油煙機進風口氣流預旋增壓技術的研究及應用

陳建偉

【摘 要】本文以一款吸油煙機用的多翼離心風機為基礎研究對象，通過在其進風口處增加環(huán)狀百葉窗導流葉片的結構設計改進，減小了氣流在進入風機蝸殼前的進氣攻角，改善風機進風口氣流的流動分離，降低進風口處的回旋渦流，使氣流在進入蝸殼前具有預旋增壓能力，從而達到提高風機整體性能、降低整機噪音的目的，并在模具樣機上得到實驗驗證。

【關鍵詞】多翼離心風機 預旋增壓 進氣損失 導流器 全壓效率 降噪

1 前言

吸油煙機能效標準已于2013年起開始實施，新國標的出臺對吸油煙機的設計和制造提出了更高的要求。為使產品能符合國家一級能效標準的要求，取得風機性能的提升，各大廠商均投入了大量的人力、物力進行開發(fā)研究。由于目前交流電機技術已經較為成熟，效率很難再提高，而改用直流電機則會大大增加成本。作為離心風機的核心部件，蝸殼的設計原理必須基于阿基米德螺旋線方程，很難有新的突破。本文將介紹一種新的吸油煙機進風口結構方式，可在不大幅度增加成本的前提下，使吸油煙機的產品性能得到提升。

2 現有吸油煙機進風口設計缺陷分析

大多數吸油煙機均采用多翼離心風機作為核心部件，其進風圈邊緣基本采用圓弧造型進行過渡，如圖一所示。氣流通過該圓弧曲面引導過渡后直接進入風機內部，氣體流動主要靠葉輪運轉產生的負壓來完成。風機周圍的氣體在流動過程中首先要克服自身當前的運動狀態(tài)，然后跟隨風機周邊氣流的運動軌跡，在葉輪產生負壓的驅動下加速后進入蝸殼內部。

為更好地促進氣流加速運動，葉輪采用了多葉片加速葉道的設計方案，目的是利用加速葉道改善葉道內的流動分離，加速葉道要求要有較大的葉片進口氣流角（該角度α1>60°）以及較小的葉片出口氣流角（該角度α2<30°），進口氣流角越大，會使葉片進口氣流產生較大的進氣攻角，帶來進風口氣流產生流動分離，最終導致進氣損失加大。而現有的進風口導流圓弧結構簡單，難以改善葉片進口氣流的進氣攻角。

3 導流葉片設計原理說明

進風口導流器調節(jié)是風機常用的調節(jié)方式，原理是在進風口處增加導流器，通過調整導流器的葉片安裝角度，可調節(jié)氣流進入葉輪的進氣角度，使之與風機系統相匹配，從而達到合理調節(jié)風機各個工況點的目的。

本方案通過設計一個帶有傾斜葉片的導流器，并將該導流器安裝在風機進風口處，可使氣流在進入風機前先產生預旋，經過預旋的氣流具有切向速度v1，由于導流葉片的傾斜方向與葉輪的運轉方向相同，均為順時針方向，因此v1為正值。根據葉片式風機的能量方程式[1]：pth=p（u2v2-u1v1）

公式中：pth——葉片式風機的理論全壓；

u1、u2——風機進、出口圓周速度；

v1、v2——風機進、出口速度的切向分速。

綜上所述，當導流器的傾斜葉片設計角度β越大，氣流的正預旋速度就越大，此時pth將減小，氣流壓力的下降將導致風機內部流動氣體的密度ρ減小，造成進氣損失，導致風機整體性能下降；反之，當導流器的傾斜葉片設計角度β越小時，風機進風口面積將變小，此時出風口若未能及時調整，則容易造成進、出風口面積比例失調，風機氣流補充不足，最終導致pth值異常，即風機性能下降。理論上傾斜葉片的設計優(yōu)選角度為：45°≤β≤85°。

4 技術方案與實驗驗證

4.1 設計方案

為解決現有吸油煙機風機系統進氣攻角較大，降低進風口氣流的流動分離，減少風機的進氣損失，進而提高風機系統的整體性能，本方案在進風口導流器調節(jié)工作原理的基礎上，設計了一款帶環(huán)狀百葉窗導流葉片的新進風圈，如圖二所示，并定義導流葉片與進風圈徑向平面的夾角為θ。根據進風口導流器調節(jié)工作原理[2]，當θ=90°時，進口氣流絕對速度產生的圓周切向分量C1u=0，導流葉片基本不起作用，氣流仍然保持徑向流入狀態(tài)；當θ<90°時，進口氣流絕對速度產生的圓周切向分量C1u≠0，氣流在進風口處將獲得切向速度v1，產生進風口氣流預旋增壓現象。通過多次手板打樣與現有風機系統的匹配測試，本方案最終確定θ=75°時風機系統的性能最優(yōu)，符合導流葉片傾斜角理論優(yōu)選角度45°≤θ≤85°的要求，導流葉片的設計方案圖三所示。

圖一 改進前風機外形圖 圖二 改進后風機外形圖

圖三 新進風圈基本尺寸圖

4.2 生產制造可行性分析及方案

環(huán)狀百葉窗導流葉片的設計雛形較為復雜，在實際生產制造過程中遇到了不少難題，比如如何保證26個百葉窗導流葉片的傾斜角度在裝配后保持一致，其裝配誤差不能超過1°，因為導流葉片安裝角度誤差較大時，容易導致進風口氣體流動不穩(wěn)定，導致局部渦流現象。另外，如何解決導流葉片安裝到進風圈輪轂時，不會在進風口處因為結構安裝需要而帶來其他進氣障礙，破壞了風機系統整體的流體力學結構。

為解決上述生產制造難題，本方案需要對導流葉片的安裝方式進行結構優(yōu)化，優(yōu)化后的設計方案采用五金模具一體沖壓成型工藝，為保證導流葉片在沖裁成型后整體平面度的高要求，制造時需要對進風圈進行2次拉伸成型，拉伸后按照葉片外形進行修邊沖孔。為保證各個導流葉片成型角度一致，導流葉片折邊工序的模具被設計成凹凸模鑲拼結構，并采用旋轉沖壓2次成型，沖壓過程首先對導流葉片進行預彎折邊，葉片第一次折邊后成型角度為θ=45°，然后采用模具旋轉沖壓方式將葉片的成型夾角固定在θ=75°±1°。采用沖壓一體成型的新進風圈尺寸穩(wěn)定、外形整潔，導流葉片與進風圈為一體結構，無需再考慮導流葉片的安裝問題，可直接在現有的吸油煙機產品上安裝，大大提高了產品零部件的通用化率。

4.3 模具樣機實驗測試結果

設計方案在開模后，將帶有百葉窗導流葉片的新進風圈和原來未做結構改進的舊進風圈依次安裝在同一臺吸油煙機上，進行整機空氣動力實驗對比。為保證實驗結果的準確性與可比性，實驗過程的額定電壓為220V，電源頻率為50Hz，空氣動力實驗室的環(huán)境溫度為15.4℃，環(huán)境大氣壓為101.85kPa，實驗設備采用外排式吸油煙機空氣性能實驗裝置。實驗結果如圖四、圖五所示，其中噪音是在半消聲實驗室測試所得，實驗方法為全球包絡法。

圖四 原進風圈風機性能曲線圖及其核心參數

圖五 新進風圈風機性能曲線圖及其核心參數

根據上述測試結果，帶導流葉片的進風圈實驗測試結果明顯優(yōu)于原來的進風圈，吸油煙機各個核心的空氣性能參數均得到提高，特別是節(jié)能減排方面關注度較高的全壓效率指標，改善后達到國家一級能效標準規(guī)定的≥23%的要求，噪音更低，改善效果顯著。

5 結語

通過對吸油煙機風機系統的進風口結構進行設計改善，利用百葉窗導流葉片對進口氣流的進氣角度進行調節(jié)，實現了產品性能的提升。成本方面，本設計改進是將進風圈中間的圓形沖孔的廢料進行利用，因此該零件的材料成本并無太大變化，進風圈零件的模具制造費用約13.5萬。零部件通用化方面，由于百葉窗導流葉片是直接在原有風機進風圈的設計基礎上增加的，不用對進風圈與整機的安裝結構做出任何調整，整體方案易于實現。

參考文獻：

[1]吳民強 專著.泵與風機節(jié)能技術[M].中國電力出版社，1993.

[2]續(xù)魁昌，王洪強，蓋京方 主編.風機手冊.機械工業(yè)出版社，2011.