前傾式離心風(fēng)機(jī)葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)空氣凈化器性能的影響研究

藺勇智， 劉東海， 楊 輝

（1.無限極（中國(guó)）有限公司， 廣東 廣州 510663； 2.浙江星月電器有限公司， 浙江 永康 321300）

0 引言

空氣凈化器作為有效的室內(nèi)空氣凈化處理設(shè)備一直被專家學(xué)者們研究及認(rèn)可。離心風(fēng)機(jī)應(yīng)用廣泛，也是大風(fēng)量空氣凈化器所采用的核心部件及動(dòng)力來源。 離心風(fēng)機(jī)葉輪的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)的性能影響較大， 其中離心風(fēng)機(jī)葉輪葉片的關(guān)鍵角度設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)空氣凈化器的CADR 值（Clean Air Delivery Rate，潔凈空氣量）、功率值、噪音值及能效等指標(biāo)影響較為明顯。 當(dāng)前在空氣凈化器研發(fā)制造行業(yè)內(nèi)， 對(duì)于離心風(fēng)機(jī)葉輪葉片角度設(shè)計(jì)參數(shù)影響整機(jī)性能的研究并不多。

多年來， 為了進(jìn)一步的改善風(fēng)機(jī)性能及了解離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部的復(fù)雜流體情況， 國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了大量研究與試驗(yàn)。 其中一部分學(xué)者通過理論計(jì)算結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證為主要手段進(jìn)行研究[1-4]。 其中有學(xué)者根據(jù)多翼離心通風(fēng)機(jī)葉輪的3 個(gè)主要特征參數(shù)，即出口安裝角、進(jìn)口安裝角及輪徑比作為影響因素， 每個(gè)因素取3 個(gè)水平進(jìn)行正交試驗(yàn)，并采用方差分析法對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析[1-2]，這種方法需要制作9 種不同的葉輪手板， 成本較高， 測(cè)試周期也較長(zhǎng)。 也有學(xué)者主要通過變更離心風(fēng)葉的單一參數(shù)來測(cè)試驗(yàn)證其對(duì)產(chǎn)品的性能影響[3-4]，這種方法無法確認(rèn)葉輪其他重要參數(shù)對(duì)產(chǎn)品性能的影響。 另外一部分學(xué)者利用基于流體力學(xué)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及仿真為主要手段進(jìn)行研究[5-7]，隨著近些年來計(jì)算機(jī)技術(shù)和流體力學(xué)計(jì)算技術(shù)的發(fā)展， 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及仿真技術(shù)在風(fēng)機(jī)風(fēng)道技術(shù)研究中應(yīng)用的越來越廣， 其可以作為一種有效的仿真驗(yàn)證工具， 輔助研究人員快速尋找風(fēng)機(jī)風(fēng)道設(shè)計(jì)不足點(diǎn)及迭代優(yōu)化方向。但是單靠計(jì)算機(jī)輔助仿真還是不夠的，研究人員在確定葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向后， 新葉輪仍需要做手板并通過試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證， 反向論證計(jì)算機(jī)仿真的趨勢(shì)性結(jié)論是否與實(shí)際一致。 這樣做的好處是通過計(jì)算機(jī)輔助仿真技術(shù)來減少實(shí)際樣品的手板制作數(shù)量及試驗(yàn)測(cè)試次數(shù)、降低研發(fā)成本及縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期[8]。

1 葉輪建模及仿真分析

1.1 葉輪葉片參數(shù)確認(rèn)

表1 為葉輪葉片非變量數(shù)據(jù)表，通過調(diào)整其卷角θ 及出口角β2來改變?nèi)~輪結(jié)構(gòu)，詳細(xì)葉輪葉片變量數(shù)據(jù)表見表2。

表1 葉輪葉片非變量數(shù)據(jù)表Tab.1 Non variable data table of impeller blade

表2 葉輪葉片變量數(shù)據(jù)表Tab.2 Variable data table of impeller blade

1.2 葉輪建模及簡(jiǎn)化

根據(jù)表1、表2 數(shù)據(jù)對(duì)#1～#5 葉輪分別建模，葉輪建模圖紙的簡(jiǎn)化模型見圖1。

圖1 風(fēng)機(jī)葉輪簡(jiǎn)化模型Fig.1 Simplified model of fan impeller

1.3 仿真分析

將裝有5 種葉輪結(jié)構(gòu)方案的整機(jī)簡(jiǎn)化模型分別導(dǎo)入Flow Simulation 軟件中， 并將5 種葉輪方案仿真對(duì)象的計(jì)算域、葉輪轉(zhuǎn)速、 多孔介質(zhì)、 邊界條件、目標(biāo)、 網(wǎng)格等設(shè)置為相同的參數(shù)。其中將葉輪轉(zhuǎn)速定義為n=900rpm， 濾網(wǎng)作為多孔介質(zhì)定義為各向同性， 通過測(cè)量濾網(wǎng)樣品可得知壓降與流速的關(guān)系，見圖2，從而得出濾網(wǎng)在不同流速下對(duì)應(yīng)的濾網(wǎng)阻力值。

圖2 濾網(wǎng)壓降-流速實(shí)測(cè)曲線Fig.2 Pressure drop current velocity measured curve of filter

對(duì)5 種方案模型分別進(jìn)行流體仿真分析， 其仿真分析數(shù)據(jù)包含：風(fēng)機(jī)風(fēng)道兩側(cè)進(jìn)風(fēng)口截面最大流速、流體區(qū)域聲學(xué)能量等級(jí)、 出風(fēng)口最大流速及出風(fēng)口最大流量5個(gè)指標(biāo)。 仿真結(jié)果截圖詳見圖3-圖6。

圖3 進(jìn)風(fēng)口65mm 截面處最大流速仿真（電機(jī)安裝側(cè)）Fig.3 Simulation of the maximum flow velocity at the 65mm section of the air intake（motor installation side）

圖4 進(jìn)風(fēng)口65mm 截面處最大流速仿真（非電機(jī)安裝側(cè)）Fig.4 Simulation of the maximum flow velocity at the 65mm section of the air intake（non motor installation side）

圖5 流體區(qū)域聲學(xué)能量等級(jí)仿真Fig.5 Simulation of acoustic energy level in fluid area

圖6 出風(fēng)口最大流速及流量仿真Fig.6 Simulation of maximum velocity and flow at air outlet

從表3 仿真數(shù)據(jù)可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

表3 計(jì)算機(jī)仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Statistical table of computer simulation datas

（1）#1～#3 葉輪結(jié)構(gòu)出風(fēng)口最大流量未達(dá)到目標(biāo)值900m3/h 要求，且兩側(cè)進(jìn)風(fēng)不均勻。

（2）#4 葉輪結(jié)構(gòu)兩側(cè)進(jìn)風(fēng)口的最大流速幾乎相當(dāng)，說明兩側(cè)進(jìn)風(fēng)均勻。

（3）#4 葉輪結(jié)構(gòu)對(duì)比#3 葉輪結(jié)構(gòu)， 出風(fēng)口最大流量增加約90m3/h，聲學(xué)能量等級(jí)卻降低了0.68dB。

2.1.4 急性型發(fā)生在適宜的發(fā)病條件下，感病品種的葉片常產(chǎn)生暗綠色近圓至橢圓形的病斑，正反兩面都有大量灰色霉層，這種病斑是大流行的先兆，但若天氣轉(zhuǎn)晴、溫度小，可轉(zhuǎn)為慢性型病斑。

（4）#5 葉輪結(jié)構(gòu)對(duì)比#4 葉輪結(jié)構(gòu)， 雖然出風(fēng)口最大流量達(dá)到984.6m3/h，但是其兩側(cè)進(jìn)風(fēng)不均勻，且聲學(xué)能量等級(jí)比#4 葉輪結(jié)構(gòu)升高0.92dB。

（5）卷角θ 從0.2°到3.88°逐漸微調(diào)的同時(shí)，出口角β2值在研究區(qū)間內(nèi)并非越小越好，當(dāng)β2值從28°變?yōu)?5°時(shí)，產(chǎn)品性能參數(shù)由優(yōu)轉(zhuǎn)差。

不論從目標(biāo)風(fēng)量值、兩側(cè)進(jìn)風(fēng)均勻性還是流體域聲學(xué)能量大小來綜合評(píng)估，#4 葉輪均占優(yōu)。 所以，從仿真結(jié)果來看，初步可以確認(rèn)#4 葉輪是比較理想的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

由于計(jì)算機(jī)輔助仿真較易受風(fēng)機(jī)風(fēng)道內(nèi)部流體環(huán)境的復(fù)雜性、邊界條件設(shè)置、模型簡(jiǎn)化、網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量以及對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求高等因素的影響及限制， 可能會(huì)導(dǎo)致其仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)有差異， 計(jì)算機(jī)輔助仿真一般僅能找到規(guī)律性的趨勢(shì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)迭代優(yōu)化方向，并不能代表產(chǎn)品性能的實(shí)際測(cè)試值。 為了進(jìn)一步驗(yàn)證仿真趨勢(shì)及結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要制作葉輪手板實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證。

結(jié)合仿真結(jié)論， 為節(jié)省手板樣品制作成本及縮短測(cè)試周期， 考慮到#1 葉輪結(jié)構(gòu)產(chǎn)品出風(fēng)口風(fēng)量最小及#5葉輪結(jié)構(gòu)產(chǎn)品噪音最大， 所以將#1 葉輪與#5 葉輪先淘汰。 將#2、#3 及#4 葉輪制作結(jié)構(gòu)手板及試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證，通過試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比及分析。

2 手板制作與試驗(yàn)測(cè)試

2.1 確定試驗(yàn)測(cè)試方法

（1）顆粒物CADR 測(cè)試方法。顆粒物的過濾效果測(cè)量參考GB/T 18801-2015《空氣凈化器》[9]中要求的方法，以香煙煙霧中的顆粒物作為污染源。采集測(cè)試數(shù)據(jù)后使用GB/T 18801-2015《空氣凈化器》中要求的流程計(jì)算該空氣凈化器的CADR。

（2）整機(jī)噪音測(cè)試方法。整機(jī)噪音測(cè)試依據(jù)GB/T 4214.1-2017《家用和類似用途電器噪聲測(cè)試方法通用要求》[10]中要求的方法，測(cè)量表面為帶有9 個(gè)測(cè)點(diǎn)的矩形六面體。采集測(cè)試數(shù)據(jù)后使用各測(cè)點(diǎn)平均聲壓級(jí)的計(jì)算方法計(jì)算出該空氣凈化器的噪音值，再換算為聲功率級(jí)。

圖7 葉輪手板樣品Fig.7 Sample of impeller hand board

2.2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及分析

根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及方法，記錄裝有#2、#3 及#4 風(fēng)輪的整機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4 及圖8 所示。

表4 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)表Tab.4 Data table of test results

圖8 三種出口角對(duì)應(yīng)的顆粒物CADR、噪音及電機(jī)功率數(shù)據(jù)圖（定轉(zhuǎn)速900rpm）Fig.8 Data diagram of particle CADR，noise and motor power corresponding to three outlet angles （constant speed 900rpm）

從表4 及圖8 可以更加清晰的看到，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=900rpm，出口角β2=28°時(shí)，即裝有#4 葉輪的整機(jī)顆粒物CADR 值較高，噪音值較低，這說明裝有#4 葉輪的整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為合理，產(chǎn)品出風(fēng)更加順暢，也同時(shí)說明了實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)與仿真趨勢(shì)基本一致。

通過計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)及試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證，印證#4 葉輪是產(chǎn)品較優(yōu)的葉輪結(jié)構(gòu)，從而可以較為精準(zhǔn)的評(píng)估#4 葉輪結(jié)構(gòu)可以進(jìn)入模具開發(fā)階段。

3 結(jié)論

本文以享優(yōu)樂空氣凈化器為例， 葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中通過調(diào)整其葉片卷角θ 及出口角β2兩項(xiàng)參數(shù)，依據(jù)計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果分析來減少葉輪手板制作數(shù)量， 并結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試裝有不同參數(shù)手板離心風(fēng)機(jī)葉輪的空氣凈化器的性能指標(biāo)，用實(shí)際測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，印證了#4 葉輪是該產(chǎn)品較優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

本文通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)及試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證相結(jié)合的方法對(duì)享優(yōu)樂空氣凈化器的葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)優(yōu)化與測(cè)試驗(yàn)證。 研究結(jié)果表明： 針對(duì)此款空氣凈化器，當(dāng)轉(zhuǎn)速恒定為900rpm 時(shí)，在葉輪的入口角不變的情況下，卷角在0.2°-2.95°以內(nèi)逐漸增加，出口角在55°-28°以內(nèi)逐漸減小時(shí)，空氣凈化器出風(fēng)口風(fēng)量逐步提升，同時(shí)非穩(wěn)態(tài)出風(fēng)噪音逐漸減小，風(fēng)聲聽感越舒適。

通過此方式設(shè)計(jì)及優(yōu)化的葉輪結(jié)構(gòu)可以做到較為精準(zhǔn)匹配性能目標(biāo)值， 而且還可以縮短開發(fā)周期及降低手板結(jié)構(gòu)件制作費(fèi)用， 對(duì)空氣凈化器品類產(chǎn)品風(fēng)機(jī)風(fēng)道研發(fā)設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。