新VRF軸流風扇結構的性能分析

張 凱

（上海市長寧區(qū)特靈空調系統(tǒng)（中國）有限公司上海分公司，上海 200051）

自1982年，日本大金在面臨國內能源緊張的背景下，創(chuàng)造出來世界上第一臺多聯(lián)機組，1987年，大金推出世界上第一臺變頻VRV，它具有室內機獨立控制、使用靈活，擴展性好、外形美觀、占用安裝空間小、可不設專用機房等突出優(yōu)點，得到快速發(fā)展，目前已成為中、小型商用建筑和家庭住宅中最為活躍的中央空調系統(tǒng)形式之一。多聯(lián)機按照其使用功能不同可分為單冷型、熱泵型和熱回收型；按照壓縮機容量調節(jié)方式可分為調速型（包括交流變頻和直流調速）和變容型（采用數(shù)碼渦旋壓縮機）兩類。中國多聯(lián)機起步較晚，大約在2000年左右，但發(fā)展非常迅速，就從2017年、2018年市場容量來看，已經(jīng)占據(jù)50%整個中央空調市場，并且技術也日益進步，全直流變頻技術成本優(yōu)勢、可靠性日益提升，成為現(xiàn)在行業(yè)的主流，并且隨著技術發(fā)展，涌現(xiàn)出噴氣增焓、雙級壓縮以及蓄冷蓄熱等新技術。

目前多聯(lián)機行業(yè)競爭日趨激烈，隨著IPLV測試標準不足，行業(yè)逐漸推出新的衡量標準，即APF值，為了能夠提高多聯(lián)機APF，各個企業(yè)也開始注重整機性能優(yōu)化，趙德印[1]對多聯(lián)機空調APF進行分析，制熱對多聯(lián)機APF影響很大，目前APF值規(guī)定標準偏高，需要改進。李彬等[2]對風冷式多聯(lián)（熱泵）機組APF的測試做了一定的研究和分析，為多聯(lián)機APF值測試提供參考。吳成斌[3]對空調用制冷設備季節(jié)性能評價方法研究，尤其關于多聯(lián)機APF值評價進行了分析，指出采用ISO標準的APF體系更能反映多聯(lián)機的實際性能，進而結合中國的建筑負荷特性和氣象數(shù)據(jù)，構建新的多聯(lián)機季節(jié)性能評價體系。提出了復合空調機組的APF評價方法，并對一臺復合空調機組在我國五個典型地區(qū)應用時的季節(jié)運行性能進行評價，與實測結果比較表明，所提出的評價方法能夠良好地反映產(chǎn)品性能。

因為APF值不能采用類似IPLV方式提高性能，如加大換熱器、加大機組容量測試，故而需要從整機角度以及各個部件角度分別優(yōu)化。為了提高整機性能，本文從風機上著手，分析現(xiàn)有存在的不足，并尋找到新的解決方案，為多聯(lián)機的性能提高提出了新的解決思路。

1 新型空調軸流風扇結構與原理

傳統(tǒng)軸流風扇在動力設備的驅動下轉動，使軸流風扇的氣流輸出一側形成高壓區(qū)。相應地，軸流風扇的另一側形成相應地低壓區(qū)，以使空氣流入到低壓區(qū)。如圖1所示，在頂蓋上輪轂部設有較多的貫穿的通水孔，其目的是為了防止外風機在陰雨天氣中使用頂蓋積水燒毀電機，同時也降低輪轂部的重量以及材料成本。通過對一臺傳統(tǒng)風扇運行性能仿真可以看出，由于過水孔的設置，當風扇進行高速運轉時，軸流風扇在動力電機驅動下轉動并加速空氣向設備主體外流動，相應地，分別在空氣的輸出方向形成高壓區(qū)以及空氣輸入方向形成低壓區(qū)。由于通孔貫穿輪轂部，導致高壓區(qū)與低壓區(qū)通過通孔連通，提高了音噪和功耗，部分氣流沿通孔流動導致紊流的形成，室外機輸出的風量減小。并且風機在運轉時候，氣流不穩(wěn)定會使得風機功耗增加，通過圖2、圖3可以看出，現(xiàn)有的風機將部分氣流旁通出去，弱化了風機性能，而對于多聯(lián)機而言，風機性能衰減對于整機性能也有一定影響，尤其是當前多聯(lián)機發(fā)展進入快速通道，多聯(lián)機競爭日趨激烈，而APF值對于整機評價也起到關鍵作用，為了實現(xiàn)多聯(lián)機APF值提高以及整機性能提高，增強系統(tǒng)競爭力，不僅需要從整體性能進行優(yōu)化，甚至還要從各個部件的性能著手去優(yōu)化，來實現(xiàn)機組性能產(chǎn)生大幅提升，故而本次對于風機進行重新優(yōu)化設計，從細微的角度著手去優(yōu)化。

圖1 兩類風扇結構對比圖

圖2 傳統(tǒng)風扇運行性能仿真

圖3 傳統(tǒng)風扇運行性能仿真

如圖2所示，正是由于貫穿的通水孔的設置帶來了風機性能衰減，利用康達效應和附壁原理更好導流空氣，讓亂流進行整合向上提升從而提上風量，故而本次設計一種新的風機結構，它是由風扇主體和可拆卸連接于風扇主體的頂蓋構成，風扇主體包括輪轂和設于輪轂外周壁的扇葉組，頂蓋可拆卸連接于輪轂并封閉輪轂的端部。輪轂用于連接軸流風扇的外接動力設備，扇葉組設有多個間隔分布的扇葉。扇葉均勻分布輪轂的外周壁，以使軸流風扇轉動過程中受力均衡。軸流風扇在動力設備的驅動下轉動，扇葉驅動風扇主體周邊的氣體加速流動并形成穩(wěn)定的氣流。軸流風扇在動力設備的驅動下轉動，使軸流風扇的氣流輸出一側形成高壓區(qū)。另一側形成相應地低壓區(qū)，以使空氣流入到低壓區(qū)。由于頂蓋端部封閉，避免風扇主體轉動過程中風扇主體兩側的高壓區(qū)和低壓區(qū)沿輪轂連通，氣流輸出穩(wěn)定，軸流風扇的噪音減小。同時不會在輪轂處形成流動的氣流，可減小軸流風扇輸出氣流的紊流現(xiàn)象，降低風扇主體轉動所需的能耗。同時頂蓋設置有引導氣體流動的引導部，引導部的橫截面面積自一端向另一端逐漸減小，以形成近似于錐臺結構。這樣可以使氣流可沿頂蓋的表面脫離，不僅引導氣流流動同時也減小氣流的紊流。導流均衡性好，氣流流動穩(wěn)定、集中。

為適用于不同風機，采用針對優(yōu)化風機端蓋，如圖4所示，輪轂在回轉中心線方向的中點與引導部的最小回轉半徑的連線相對于輪轂的回轉中心線形成夾角β，輪轂在回轉中心線方向的中點與引導部的最大回轉半徑的連線相對于輪轂的回轉中心線形成夾角γ，其中，0.5≤β/γ≤0.7。針對不同的風機運用，可以通過調整β與γ之間的比值，以使頂蓋10的弧線導流能降低風扇主體輸出氣流的紊流效果并提升出風量，起到導風的效果。β/γ的比值可設為0.5、0.55、0.6、0.65、0.7，提高導風效果，降低音噪。并且頂蓋與輪轂可拆卸連接，兩者裝配成一體以組成軸流風扇，裝配效率高。輪轂和頂蓋可獨立加工，輪轂的加工工藝及結構設計靈活性好，降低風扇主體的生產(chǎn)及材料成本。

新型軸流風扇應用于空調室外機，可以降低空調室外機的運行噪音并提高空調室外機的出風量，散熱效果好。新軸流風扇在動力電機的驅動下控制氣流流動，在同等風力情況下，動力電機所需功率減小，音噪減小。

圖4 新風扇角度尺寸

2 新型空調軸流風扇性能實驗與分析

根據(jù)上述原理設計一臺新軸流風扇（帶頂蓋）在試驗臺進行實驗（見圖5），并跟現(xiàn)有同等尺寸型號的進行性能對比，本次測試內容包括風機在不同轉速下風量、功率以及噪聲，同時將測試出的風量、功率性能運用到一臺整機多聯(lián)機上，對多聯(lián)機整體APF進行評估。

圖5 新風扇樣品

其中測試結果如表1所示，傳統(tǒng)風扇不帶頂蓋，新的風扇帶有新設計頂蓋結構。通過實驗數(shù)據(jù)可以看出，隨著風機轉速提高，風機風量逐漸提高，幾乎呈線性增長趨勢，在850 r以內，帶頂蓋的新型風扇結構在同等轉速下具有更高的風量，整體風量提升接近2%，具有較好的效益，尤其在風機轉速350 r時候，風量提升超過6%，這是因為風速低頂蓋密封作用減小了更多的氣流旁通；通過數(shù)據(jù)顯示，風機功率在低轉速下雖然沒有降低，而在中轉速下具有1.6%降低，在950 r工況下，風扇風量提升與軸功率提升基本保持一致；故而從整體性能來看，新風扇帶頂蓋結構對風機整體性能優(yōu)于傳統(tǒng)風扇。

表1 具體測試結果

再通過圖6所示的噪音測試情況，在各個轉速下，新風扇結構比傳統(tǒng)風扇都有一定程度降低，大約0.5 dB，故而能夠為產(chǎn)品噪音帶來一定競爭力。同時風機的噪音對于整機噪音也具有一定影響，風機噪音降低實現(xiàn)整機噪音一定程度降低，為產(chǎn)品在宣傳上具有優(yōu)勢。

圖6 各轉數(shù)噪音值

將帶有頂蓋的風機運用于多聯(lián)式空調機組整機性能APF評估，通過在對應整機風機轉速下進行核算APF，新風扇帶頂蓋結構能夠降低APF值0.1，大幅度提高了產(chǎn)品整機優(yōu)勢，為多聯(lián)機產(chǎn)品在行業(yè)競爭中提供了新的優(yōu)化方向。

另外由于頂蓋與輪轂分體式可拆卸結構，安裝自由靈活，同時可根據(jù)不同匹數(shù)多聯(lián)機進行頂蓋角度弧度優(yōu)化設計，頂蓋高度與風扇直徑比例靈活設計，提高導流效益；適用性強，針對新款頂蓋模具設計而言，成本初期投資低，對整機成本具有很好的優(yōu)化作用，非常適用于目前日趨激烈競爭的多聯(lián)機市場。

3 結語

通過對現(xiàn)有多聯(lián)機用軸流風機以及新型風機結構原理分析，并在試驗臺進行性能對比測試，將新型風機運用于整機多聯(lián)機性能分析，得到如下結論：

（1）現(xiàn)有風機頂蓋帶有過水孔雖然可以防止風機在運行過程中出現(xiàn)進水燒毀現(xiàn)象，但容易造成氣流旁通，增加了風機功噪音以及穩(wěn)定性。

（2）新風機結構利用康達效應和附壁原理進行改進，增加頂蓋設置，同時優(yōu)化角度，不僅化解了氣流旁通問題，提高了風量，還降低了噪音，提高了穩(wěn)定性。

（3）新風機結構可根據(jù)不同類型多聯(lián)機外機分別設置頂蓋角度，并且頂蓋與輪轂分體，容易加工，適用性強，運用到整機多聯(lián)機，不僅具有成本優(yōu)勢，還能實現(xiàn)整機APF值提高0.1，具有很好的市場前景。