空調(diào)低壓軸流彎掠葉片參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計與實驗研究

朱芳勇，吳俊鴻，高旭，李建建

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

0 引言

軸流風(fēng)機因風(fēng)量大、效率高等特點，被廣泛運用于空調(diào)器和其他制冷、通風(fēng)領(lǐng)域?！禛B 3096—93城市區(qū)域環(huán)境噪音標準》[1]中規(guī)定，關(guān)于城市5類環(huán)境噪音中，0類環(huán)境噪聲白天不高于50 dB，夜晚不高于40 dB。這對家用空調(diào)外機領(lǐng)域的軸流風(fēng)機系統(tǒng)靜音性提出更高的要求。鑒于空調(diào)外機為強制對流換熱部件，如何提高軸流風(fēng)機的流量系數(shù)并較好地控制風(fēng)機噪音，是空調(diào)低壓軸流風(fēng)機系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵問題。BOGOLD等[2]通過實驗驗證低壓前彎葉片可使風(fēng)機效率提升1.0%～1.5%，國內(nèi)研究人 員認為風(fēng)葉的彎角對風(fēng)機的風(fēng)量和噪音影響不容忽視，正彎或反彎應(yīng)當取決于風(fēng)葉高損失所處的具體位置[3-6]。有研究人員對具有彎掠（扭）特征的風(fēng)葉內(nèi)流場進行了一系列的仿真及實驗研究，對這類半開式低壓軸流風(fēng)葉的氣動特性及流場特征給出了較全面的描述[7-16]。國內(nèi)對彎掠及安裝角等參數(shù)解耦分析的研究較少，主要因為空調(diào)用軸流風(fēng)葉與外機導(dǎo)流圈、換熱器、電機等元器件相互耦合，出口氣流流動復(fù)雜。目前較為常用的葉片優(yōu)化方法是采用基于Creo的風(fēng)葉局部手動修改，可以較準確地調(diào)整風(fēng)葉面的局部壓力分布，改善葉片氣動性能，但是該方法高度依賴于設(shè)計者的經(jīng)驗，存在重復(fù)工作量大、效率低等問題。

本文提出了一種新的軸流風(fēng)葉參數(shù)化優(yōu)化方法，可實現(xiàn)葉片特征（葉柵積迭線、彎角、掠角、安裝角）的高精度靈活控制，一鍵式更新生成三維模型。結(jié)合CFD仿真技術(shù)，研究前彎、前掠和安裝角對風(fēng)葉性能的影響，并結(jié)合實驗，提出了噪音更低、風(fēng)量更大的軸流風(fēng)葉。

1 葉柵控制方法及機理

1.1 葉柵控制方法

為了更準確地優(yōu)化葉柵，本文提供一種高精度葉柵群控制方法，在優(yōu)化目標風(fēng)葉上沿不同徑向半徑上選取一定數(shù)量的葉柵作為直接控制對象，葉柵半徑與風(fēng)葉半徑的比值r'/R將作為矩陣變量，進行同步控制。在葉片曲率變化明顯的局部位置，葉柵層應(yīng)當適當加密，以便增加控制精度。如圖1所示，考慮該葉片前緣過渡較為光滑，其他邊緣及表面不存在明顯突變，因此沿徑向等間距提取葉柵。

圖1 葉柵提取示意圖

蔡娜等[17-19]用不同半徑上葉柵的重心連線作為葉片積迭線，而本文采用的是葉型弦線中點連線作為葉片積迭線。通過控制積迭線沿旋轉(zhuǎn)周向前后彎，沿出風(fēng)軸線的前后掠，以及沿徑向的扭曲來控制風(fēng)葉的彎角、掠角和安裝角等參數(shù)。為了使風(fēng)葉變形流暢，符合氣動力學(xué)，在積迭線控制理論上，采用非均勻有理B樣條（簡稱NURBS）方法[20-22]進行自由曲線控制。

1.2 葉柵控制工具及實現(xiàn)機理

基于Matlab語言，實現(xiàn)初始各r'/R變量上的積迭點（x0, y0, z0）相對原點的旋轉(zhuǎn)、平移、投影等操作得到新的坐標點（x', y', z'），所有葉柵執(zhí)行各自積迭點的相同操作，即可得到不同彎角、掠角和安裝角的葉形數(shù)據(jù)，如圖2和圖3所示。

繞著z軸旋轉(zhuǎn)：

沿著y軸平移：

繞積迭點旋轉(zhuǎn)并沿著x軸投影：

式中：

α——繞z軸旋轉(zhuǎn)角度，°；

a——沿y軸平移距離，m；

θ——繞積跌點旋轉(zhuǎn)角度，°；

r'——投影生成的點距離風(fēng)葉中心軸線的距離，m。

圖2 葉彎角漸變示意圖

圖3 葉掠角漸變示意圖

2 風(fēng)葉單體仿真對比分析

基于以上方法，筆者對國內(nèi)某空調(diào)廠家現(xiàn)有一款性能較好的軸流風(fēng)葉進行了基于彎角、掠角和安裝角的參數(shù)化設(shè)計，并進行了網(wǎng)格劃分和CFX計算對比分析，該風(fēng)葉在同款機型中的同風(fēng)量噪音、同風(fēng)量功率實驗表現(xiàn)最優(yōu)，風(fēng)葉實物如圖4所示。

2.1 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

通過風(fēng)葉葉柵數(shù)據(jù)提取，運用Matlab對葉柵數(shù)據(jù)的調(diào)用和一鍵化修改，以及網(wǎng)格劃分軟件對葉片數(shù)據(jù)的讀取和復(fù)現(xiàn)等手段，實現(xiàn)了風(fēng)葉結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格高效劃分，如圖5所示。當網(wǎng)格采用自動拓撲優(yōu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格比例系數(shù)2.0，全局尺寸因子1.2時，流量系數(shù)穩(wěn)定，如圖6所示。與Fluent計算結(jié)果進行對比，500～900 r/min下的風(fēng)量誤差在2%以內(nèi)，實現(xiàn)網(wǎng)格無關(guān)，如圖7所示。

圖4 優(yōu)化前風(fēng)葉實物

圖5 計算域結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分示意圖

圖6 網(wǎng)格尺寸因子與結(jié)果偏差度

圖7 CFX與Fluent計算差異度

2.2 彎角對比分析

風(fēng)葉葉片沿旋轉(zhuǎn)方向的彎，稱為前彎。圖8所示為彎角在16°～33°范圍內(nèi)與風(fēng)量與功率關(guān)系曲線。由圖8可知，當彎角從16°逐漸增加時，風(fēng)機的風(fēng)量和功率均逐漸升高，當彎角增加到20°～21°時，風(fēng)量達到最高，之后逐步下降，而功率趨勢與風(fēng)量趨勢相似。因此，當風(fēng)葉其他參數(shù)不變，前彎角為21°時，風(fēng)機的出風(fēng)效率最高。

圖8 彎角與風(fēng)量、功率關(guān)系曲線

2.3 掠角對比分析

風(fēng)葉的軸向掠，定義為向來風(fēng)側(cè)的掠為后掠（負角），向出風(fēng)側(cè)的掠為前掠（正角）。圖9所示為掠角與風(fēng)量、功率關(guān)系曲線。由圖9可知，在21°掠角之前，風(fēng)機的風(fēng)量和功率隨著掠角的增加而增加。21°掠角之后，風(fēng)量隨著掠角的增加而降低，功率則先增加后降低。因此，前掠對低壓軸流風(fēng)機的風(fēng)量有一定促進作用，且在特定工況下存在一個最優(yōu)值，最優(yōu)掠角為前掠21°。

圖9 掠角與風(fēng)量、功率關(guān)系曲線

2.4 安裝角影響分析

風(fēng)葉安裝角是影響風(fēng)葉做功能力最為關(guān)鍵的因素之一。圖10所示為安裝角與風(fēng)量、功率關(guān)系曲線?？芍谝欢ǚ秶鷥?nèi)，風(fēng)機風(fēng)量和功率隨著安裝角的增加而增加，且功率與安裝角呈類一次線性關(guān)系。當安裝角超過49°以后，因風(fēng)機進入失速狀態(tài)，風(fēng)量和功率驟然下降。在風(fēng)量提升階段，隨著安裝角的增加，風(fēng)量增加幅度逐漸縮小。當風(fēng)葉安裝角從原來的27°增加到30°后，風(fēng)量增加了13.6%；而從30°提升到33°后，風(fēng)量僅提升了10.1%。因此，當其他參數(shù)控制相同時，考慮風(fēng)機安全平穩(wěn)運行裕度，安裝角調(diào)整為30°時風(fēng)機效率較好。

圖10 安裝角與風(fēng)量、功率關(guān)系曲線

3 整機實驗對比

根據(jù)仿真結(jié)果，優(yōu)化前后風(fēng)葉參數(shù)變化如表1所示。依次對彎角、掠角和安裝角進行優(yōu)化后的風(fēng)葉單體較原風(fēng)葉具有明顯優(yōu)勢，因此對優(yōu)化后的新風(fēng)葉進行手板制作，新風(fēng)葉手板如圖11所示，并在原風(fēng)葉所配外機殼體上進行測試。

表1 新舊風(fēng)葉特征參數(shù)對照表

圖11 優(yōu)化后風(fēng)葉實物

將兩種風(fēng)葉放在外機殼體上測試結(jié)果如表2所示，測試結(jié)果表明：同轉(zhuǎn)速（850 r/min）風(fēng)量提升了334 m3/h（14.4%），如圖12所示，與仿真結(jié)果吻合度高，同風(fēng)量（2,316 m3/h）噪音降低了1.0 dB，如圖13所示。同風(fēng)量功率相當，與優(yōu)化前風(fēng)葉相比，優(yōu)化后風(fēng)葉風(fēng)量和噪音優(yōu)勢明顯。

表2 新舊風(fēng)葉整機測試對照表（環(huán)溫27 ℃）

圖12 實測風(fēng)量-轉(zhuǎn)速曲線

圖13 實測風(fēng)量-噪音曲線

4 結(jié)論

本文基于Matlab語言及CFD數(shù)值模擬技術(shù)，通過應(yīng)用非均勻有理B樣條公式對空調(diào)低壓軸流風(fēng)葉積迭線進行軸向、周向的平移、旋轉(zhuǎn)與投影，實現(xiàn)了軸流風(fēng)葉彎角、掠角和安裝角的參數(shù)化設(shè)計與優(yōu)化，得到如下結(jié)論：

1）空調(diào)低壓軸流風(fēng)葉的前彎和前掠，能一定程度上提升風(fēng)機的出風(fēng)效率，改善噪音，但前彎角或前掠角超過一定數(shù)值后，風(fēng)機性能下降。因此軸流風(fēng)葉的彎角和掠角，在特定工況下存在最優(yōu)解；

2）空調(diào)低壓軸流風(fēng)葉的安裝角可以顯著影響風(fēng)葉的風(fēng)量和噪音，在不失速的前提下，風(fēng)葉的安裝角選取應(yīng)當考慮電機及風(fēng)量需求；

3）使用本次參數(shù)及CFD優(yōu)化工具，實現(xiàn)了現(xiàn)有軸流風(fēng)機系統(tǒng)的性能提升。采用優(yōu)化后的軸流風(fēng)葉，空調(diào)外機的風(fēng)量提升14.4%，同風(fēng)量噪音降低1.0 dB，滿足了工程應(yīng)用要求。