空調(diào)室外機(jī)軸流風(fēng)葉與導(dǎo)流圈軸向配合尺寸影響研究

陳志偉 陳英強(qiáng),2

1.珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070；

2.國(guó)家節(jié)能環(huán)保制冷設(shè)備工程技術(shù)研究中心 廣東珠海 519070

1 引言

隨著科技的進(jìn)步及國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展向好，消費(fèi)者對(duì)于服務(wù)的需求在改變。差異化的服務(wù)和客戶定制，是未來(lái)制冷行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)和差異化的一個(gè)重點(diǎn)。隨著空調(diào)行業(yè)的板塊細(xì)分，品類多樣的、適用于各行各業(yè)、不同工況的空調(diào)器快速涌現(xiàn)。目前行業(yè)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，用戶要求越來(lái)越高，而空調(diào)室外機(jī)作為空調(diào)的關(guān)鍵產(chǎn)品，如何能夠加大風(fēng)量，合理提高產(chǎn)品的性能成為了諸多研發(fā)者的熱點(diǎn)課題。

空調(diào)室外機(jī)與眾多軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)道相比，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊復(fù)雜[1]。行業(yè)內(nèi)有研究表明，在相同電壓下，風(fēng)葉位置的前移會(huì)帶來(lái)一定風(fēng)量的增加[2]。風(fēng)輪的偏心程度及風(fēng)輪與導(dǎo)風(fēng)圈的距離會(huì)顯著影響電機(jī)支架的振動(dòng)噪音[3]。An Guangyao等[4]深入研究了兩相流的定性原理和定量噪聲的評(píng)估。

本文通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，研究了空調(diào)室外機(jī)軸流風(fēng)葉與導(dǎo)流圈軸向配合尺寸對(duì)風(fēng)量和噪音的影響和規(guī)律，找出較優(yōu)的軸向配合尺寸，為空調(diào)室外機(jī)風(fēng)道設(shè)計(jì)提出指導(dǎo)性意見，以期為室外機(jī)的開發(fā)設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2 研究背景

空調(diào)室外機(jī)的導(dǎo)流圈作用是使氣流在圈內(nèi)入口得到加速，以便在損失很小的情況下在軸流風(fēng)機(jī)的入口前側(cè)建立均勻的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)。通風(fēng)機(jī)的入口條件對(duì)于軸流風(fēng)機(jī)的性能具有很大影響，資料表明，沒有導(dǎo)流圈的軸流通風(fēng)機(jī)要比具有優(yōu)良導(dǎo)流圈的通風(fēng)機(jī)全壓及全壓效率分別偏低10%～12%及10%～15%[5]。有導(dǎo)流圈的軸流通風(fēng)機(jī)的流量系數(shù)也有一定增加。

在分析導(dǎo)流圈與風(fēng)葉搭配問(wèn)題前，首先需要了解一下在無(wú)限葉高的軸流風(fēng)葉系統(tǒng)內(nèi)氣流徑向受力情況。假定氣流在進(jìn)入葉輪以前沒有旋繞速度，則軸流風(fēng)葉徑向平衡方程如下所示：

上式進(jìn)一步演化，可得到軸流風(fēng)葉不發(fā)生附面層徑向遷移的徑向平衡方程為rΔcu=常數(shù)，即等環(huán)量流型。

實(shí)際應(yīng)用中，由于氣流本身存在固有粘性，風(fēng)機(jī)進(jìn)口氣流一定存在某種程度的預(yù)旋，即進(jìn)口遠(yuǎn)處的c1u≠0，且空調(diào)室外機(jī)來(lái)流側(cè)存在不對(duì)稱的換熱器、進(jìn)口格柵、電機(jī)組件等因素的干擾，以及軸流風(fēng)葉本身存在的端壁問(wèn)題，在葉片的外緣及輪轂區(qū)域（包括吸力面和壓力面）不可避免的會(huì)發(fā)生氣流的徑向和橫向二次流，引起氣道擁堵，降低風(fēng)葉的有效擴(kuò)壓空間。因此主動(dòng)地控制風(fēng)葉局部區(qū)域葉型，以更好地引導(dǎo)該位置的附面層徑向遷移，能夠有效縮小端壁區(qū)域的徑向二次流的影響范圍，降低橫向二次流的強(qiáng)度。

實(shí)際研究總結(jié)發(fā)現(xiàn)開式軸流風(fēng)機(jī)沿軸向流動(dòng)方向，外圍氣流在徑向方向呈徑向向內(nèi)并逐漸衰減為徑向向外流動(dòng)[6]。在不增加空調(diào)外機(jī)厚度的基礎(chǔ)上，如何有效尋找臨界位置，將徑向向外的流動(dòng)限制在風(fēng)葉做功區(qū)域內(nèi)，而最大限度地保留前端徑向內(nèi)流，同時(shí)使葉片外緣馬蹄渦的影響降到最低，是導(dǎo)流圈與風(fēng)葉軸向搭配問(wèn)題研究的關(guān)鍵所在。

3 軸向配合尺寸的影響

目前市場(chǎng)上諸多空調(diào)器的軸流風(fēng)葉伸入導(dǎo)流圈的距離差異頗大，有的風(fēng)葉直接伸出了導(dǎo)流圈出口側(cè)，有的則僅僅伸入不足1/5。

從外觀方面考慮，軸流風(fēng)葉伸入導(dǎo)流圈的距離會(huì)影響空調(diào)室外機(jī)的殼體厚度尺寸，但更重要的是會(huì)影響風(fēng)機(jī)的運(yùn)行性能和運(yùn)行安全性。

空調(diào)室外機(jī)的風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)，實(shí)際分為軸向進(jìn)風(fēng)和徑向進(jìn)風(fēng)，二者進(jìn)風(fēng)量之和為總風(fēng)量[7]。軸流風(fēng)葉在運(yùn)行過(guò)程中由于自身對(duì)氣流的做功作用，會(huì)在風(fēng)葉的兩側(cè)形成絕對(duì)壓力異于大氣壓并周期性波動(dòng)的空間，分別稱為壓力面和吸力面。

風(fēng)葉在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，壓力面區(qū)域的氣流，存在周向和軸向速度分量，徑向速度在葉面表面呈沿徑向向外流動(dòng)的趨勢(shì)，該特征遍布整個(gè)壓力面，并且該分量大小沿徑向向外逐漸增大。風(fēng)葉壓力面以外的氣流主要為較小的徑向向內(nèi)流動(dòng)趨勢(shì)，并隨著半徑的增加，該趨勢(shì)逐漸減弱。在靠近風(fēng)葉的葉頂附近時(shí)，氣流徑向速度分量則沿徑向向外，該分量大小沿著弦線方向逐步增加，并在葉頂2/3～3/4的位置達(dá)到最大，如圖1和圖2所示。

吸力面?zhèn)?，靠近輪轂區(qū)域氣流呈沿徑向向外流動(dòng)趨勢(shì)，沿弦線方向該趨勢(shì)逐漸增強(qiáng)，總體徑向速度分量較小。隨著徑向半徑逐漸增加，該分量減小并逐步轉(zhuǎn)變?yōu)檠貜较蛳騼?nèi)流動(dòng)，且到達(dá)葉頂區(qū)域時(shí)，該徑向向內(nèi)速度分量最大，如圖3和圖4所示。

綜上，空調(diào)室外機(jī)的軸流風(fēng)葉壓力面區(qū)域的氣流呈徑向向外流動(dòng)，而吸力面區(qū)域的氣流呈徑向向內(nèi)流動(dòng)。適當(dāng)遮擋壓力面外圍空間，可以限制外流流量，但同時(shí)會(huì)少量阻礙吸力面的徑向入流。因此，風(fēng)葉保持適當(dāng)?shù)膶?dǎo)流圈伸入距離，可以較好的提升風(fēng)機(jī)風(fēng)量，改善風(fēng)機(jī)效率。

圖1 輪轂角區(qū)氣流矢量圖（壓力面）

圖2 葉頂區(qū)氣流矢量圖（壓力面）

圖3 輪轂角區(qū)氣流矢量圖（吸力面）

圖4 葉頂區(qū)氣流矢量圖（吸力面）

3.1 模型介紹及參數(shù)修正

為了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治鲈搯?wèn)題，針對(duì)實(shí)際室外機(jī)殼體建立模型，簡(jiǎn)化電機(jī)支架、出風(fēng)格柵，而保留含銅管的單排換熱器結(jié)構(gòu)及導(dǎo)流圈局部細(xì)節(jié)等特征。通過(guò)基于研究的室外機(jī)的風(fēng)量噪音實(shí)驗(yàn)進(jìn)行風(fēng)量及功率方面的對(duì)比校核及仿真分析，修正換熱器模型的過(guò)流參數(shù)。仿真模型示意圖如圖5所示，仿真參數(shù)可靠性驗(yàn)證如圖6所示。

圖5 仿真模型示意圖

圖6 仿真參數(shù)可靠性驗(yàn)證

3.2 仿真方案

空調(diào)室外機(jī)的軸流風(fēng)葉軸向移動(dòng)距離，進(jìn)風(fēng)方向受電機(jī)支架及換熱器的限制，出風(fēng)方向受出風(fēng)格柵電氣安全距離的限制，因此無(wú)限制的討論風(fēng)葉伸入伸出的意義并不大。本文根據(jù)具體的實(shí)際使用情況，主要在軸流風(fēng)葉距離電機(jī)支架的最小安全距離（規(guī)定風(fēng)葉距離電機(jī)支架最小距離必須大于風(fēng)葉直徑的2.5%）到風(fēng)葉與導(dǎo)流圈的安全距離要求之間進(jìn)行研究[8]。定義風(fēng)葉伸入導(dǎo)流圈的軸向長(zhǎng)度S，導(dǎo)流圈軸向深度L=62 mm，本文研究方案如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)方案示意圖

3.3 結(jié)果分析

對(duì)比不同方案的在不同轉(zhuǎn)速下的葉片靜壓、全壓、風(fēng)量、功率和湍動(dòng)能分布情況。結(jié)果顯示，隨著S/L值的逐漸增加，即風(fēng)葉伸入導(dǎo)流圈距離逐漸增加，軸流風(fēng)機(jī)在該范圍內(nèi)軸功先增大后減小，軸功與風(fēng)量的比值逐步增加，反映為風(fēng)機(jī)效率有一定提升。仿真可以得到軸流風(fēng)葉葉面靜壓趨勢(shì)線，如圖8所示。軸流風(fēng)葉與導(dǎo)流圈不同軸向相對(duì)位置的仿真計(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖8 軸流風(fēng)葉葉面靜壓趨勢(shì)線

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)比

為了充分論證軸流風(fēng)葉與導(dǎo)流圈軸向配合尺寸對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響，實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)排除了出風(fēng)格柵以及不同材料引起的葉片變形帶來(lái)的差異等影響。

本實(shí)驗(yàn)以室外機(jī)KFR-35W/NhC07-3為實(shí)驗(yàn)本體，控制各實(shí)驗(yàn)外環(huán)溫度均為27℃，以直流無(wú)刷電機(jī)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，分別在有、無(wú)格柵的情況下測(cè)試各方案的風(fēng)量、功耗、噪音情況。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表2所示，可知：

表1 軸流風(fēng)葉與導(dǎo)流圈不同軸向相對(duì)位置的仿真計(jì)算結(jié)果

（1）隨著風(fēng)葉不斷的伸入導(dǎo)流圈，風(fēng)量先增加后減小，并且當(dāng)S/L達(dá)到70%左右時(shí)風(fēng)量最高，風(fēng)量約有16 m3/h的增幅，趨勢(shì)及幅值與仿真相同。

（2）隨著風(fēng)葉不斷的伸入導(dǎo)流圈，風(fēng)機(jī)的功率逐漸降低，在S/L達(dá)到62%以后，基本穩(wěn)定。

（3）隨著風(fēng)葉不斷的伸入導(dǎo)流圈，風(fēng)機(jī)噪音逐漸增大，這主要是由于導(dǎo)流圈對(duì)葉片徑向流動(dòng)的影響增大所致。

5 結(jié)論

針對(duì)空調(diào)室外機(jī)軸流風(fēng)葉與導(dǎo)流圈的軸向配合尺寸分析、仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以得出以下結(jié)論：

（1）隨著風(fēng)葉伸入導(dǎo)流圈的距離（S/L值）增加，風(fēng)量呈先增后減的趨勢(shì)，在S/L達(dá)到70%左右時(shí)風(fēng)量最高，增幅約有16 m3/h，趨勢(shì)及幅值與仿真相同。

（2）隨著風(fēng)葉伸入導(dǎo)流圈的距離增加，風(fēng)機(jī)功率逐漸降低，在S/L達(dá)到62%以后，基本穩(wěn)定。

（3）隨著風(fēng)葉伸入導(dǎo)流圈的距離增加，風(fēng)機(jī)噪音逐漸增大，主要是導(dǎo)流圈對(duì)風(fēng)葉徑向流動(dòng)的限制效果逐步增強(qiáng)的原因。

表2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果