離心式塔扇風道仿真設計與實驗研究

梁 浩 柳 洲 張 馳 李文龍 單敬偉

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

目前市場上的塔扇，內部采用貫流風輪，多呈縱向柱狀，如圖1所示。由于其體積小，不占空間，吹風舒適，越來越受到消費者的青睞。貫流風輪壓力低，導致其出口風速低、風量小、送風距離短，故成為貫流式塔扇的一大痛點。為了提高風壓，風機系統(tǒng)需采用壓力比貫流風機更大的離心風機系統(tǒng)，以提升塔扇風量和送風距離。

圖1 塔扇及貫流風道截面

離心風機系統(tǒng)在家電產品應用廣泛，但其難點在于根據(jù)整機尺寸、外形、性能需求，優(yōu)化設計風機系統(tǒng)，以提升風機的性能，降低噪音。韓非非[1]、張素梅[2]等，通過CFD流體仿真，對多翼離心風機進行參數(shù)化設計，以提高風機系統(tǒng)系統(tǒng)，其研究有一定的借鑒價值，但完全借用風機系統(tǒng)尚存在性能、噪音等不匹配問題。在家電產品領域，孟永哲[3]等人將多翼離心風機應用于油煙機，通過研究發(fā)現(xiàn)采用最佳葉輪-蝸殼匹配方案時，葉輪流道內的旋渦尺度與強度均有所減小，葉道內流場分布更為均勻。

為進一步提升塔扇性能，兼顧產品使用安全性，采用“無葉”概念，即葉輪內置、人無法直接接觸，設計了一種新型的離心式風道結構的塔扇。根據(jù)產品尺寸，本文對蝸殼及出風扇頭關鍵尺寸進行仿真設計，重點對多翼離心風輪關鍵參數(shù)進行優(yōu)化，以提高塔扇的整機風量和風速，降低噪音，進一步提升產品性價比和市場占有率。

1 蝸殼設計

風道系統(tǒng)由主要由蝸殼、離心風輪、扇頭三部分組成，其中蝸殼和離心風輪組成整機的風機系統(tǒng)，提供出風動力，如圖2所示。

圖2 離心風機示意圖

根據(jù)整機尺寸及布局要求，蝸殼按照等邊基理論[4]，使用多段圓弧完成繪制，設計參數(shù)見表1，單風機設計流量500 m3/h。

表1 蝸殼型線及扇頭設計參數(shù)

2 離心風輪仿真設計

蝸殼結合整機尺寸，與風輪完成匹配設計后，離心風輪優(yōu)化對整個風機系統(tǒng)的性能至關重要。離心風輪進、出口角度、葉型、葉片數(shù)是影響性能的關鍵因素，合理優(yōu)化參數(shù)，可有效提高風機系統(tǒng)效率，降低噪音。

2.1 進、出口角優(yōu)化

由于離心風機葉輪中氣體流動比較復雜，依靠現(xiàn)有的理論設計不能完全解決流動效率問題，還要配合仿真和實驗研究來完成。離心風輪進、出口安裝角對葉輪內部的流動性能有一定的影響。因此，改變葉輪進、出口角，選擇最優(yōu)角度，可有效提升風輪氣動性能。其中進口角β1，出口角度β2，如圖3所示。

圖3 離心風葉進、出口角示意圖

進口角β1由55 °增加到80 °，出口角由30 °增加到40 °，如表2所示，通過流體仿真分析得到不同進口角和出口角時氣動性能數(shù)據(jù)。

表2 不同進、出口角對應的性能數(shù)據(jù)

從以上數(shù)據(jù)可以看出，隨葉片進口角β1增大，風量、出口風速先增加后減??；隨著進口角的增大，扭矩先減小，后增加，再逐漸減小，當進口角β1為60 °時，風量達到最大，扭矩滿足要求。增大出口角β2，風量變化小，但扭矩增大；減小出口安裝角，流量、風速呈現(xiàn)下降趨勢。因此，出口角對風量影響不大，但對扭矩有重要影響，因此安裝角β2取35 °。

從不同進、出口角對應的仿真速度矢量圖可以看出，如圖4所示，隨著進口角增加，蝸舌附近葉片流道內漩渦增加，過大的進口角度會使蝸舌附近的流場惡化，增加渦流耗散，不利于性能的提升。

圖4 不同進、出口角速度矢量圖

2.2 鋸齒葉型優(yōu)化

葉型對離心風輪氣動性能及噪音有重要的影響。尾緣鋸齒能夠加強尾跡區(qū)低速流與主流間的摻混，尾跡區(qū)域面積擴大，尾跡區(qū)域內速度分布更加均勻。鋸齒結構加寬了尾跡區(qū)域并加快了大渦的破碎，將渦能量擴散到展向和垂直方向，使湍流脈動的減弱，可以有效降低噪音，如圖5所示，鋸齒1是在吸力面進口處做鋸齒，鋸齒2是在吸力面出口處做了鋸齒。

圖5 風輪及不同葉型示意圖

通過對比不同葉型內部流場速度矢量圖，如圖6所示，鋸齒1在吸力面進口附近做成鋸齒形后，葉片流道內出現(xiàn)了大量漩渦，湍流脈動增強，在葉片流道內的損失增加，流量減?。讳忼X2在吸力面出口附近做成鋸齒形后，葉片間漩渦得到一定抑制，且在出口將大漩渦破碎成小渦，降低湍流強度，減小流動損失，流量基本無變化。因此，對比兩種鋸齒葉型后，鋸齒2為優(yōu)化后相對較優(yōu)的葉型。

圖6 不同葉型內部速度矢量圖

2.3 最佳葉片數(shù)確定

風輪的葉片數(shù)過多或者過少都會影響風輪的氣動性能。因此，為了研究風輪的最佳葉片數(shù)，使其達到最佳氣動性能，以鋸齒2為基礎葉型，將風輪葉片數(shù)從47片，依次增加，仿真對數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同葉片數(shù)時整機氣動性能

從以上數(shù)據(jù)可以看出，風量隨著葉片數(shù)的增加并不是線性的增加，在50片時流量達到最大；隨著葉片數(shù)繼續(xù)增加，流量開始減小。這是因為增加葉片數(shù)可以提高進風量，但繼續(xù)增加，由于葉片數(shù)沿著圓周緊密排布，氣流通道減小，氣體閉塞，流量減小。隨著葉片數(shù)的增加，扭矩在50片時達到最大，葉片數(shù)繼續(xù)增加，扭矩逐漸減小。

隨著葉片數(shù)的增加，全壓效率在50片時達到最高，且隨著葉片數(shù)的增加，全壓效率開始逐漸降低。因此葉片數(shù)為50片時，該葉型的風輪氣動性能相對最右的。

3 扇頭出口寬度仿真設計

扇頭，即頂部出風系統(tǒng)，采用“跑道型”環(huán)形出風口，環(huán)形扇頭置于風機系統(tǒng)上部，與蝸殼出口銜接，如圖7所示。風機系統(tǒng)提供將風送進扇頭后，從扇頭出口流出。由于扇頭有一定的阻力，且扇頭出風口寬度a直接影響整機的風量和風速。仿真對比同一風機系統(tǒng)下不同出風口寬度對整機氣動性能的影響，取出口寬度a=25 mm和出口寬度a=20 mm。

圖7 扇頭示意圖

從整機流線圖及出口速度云圖可以看出，兩種狀況下，整機的流場分布規(guī)律基本一致，出口寬度20 mm的速度要略高于出口寬度25 mm，兩種狀態(tài)下，出口環(huán)面的速度分布基本均勻，如圖8為出口25 mm的流線及速度云圖。

圖8 出口25 mm流線及速度云圖

從仿真數(shù)據(jù)得出，出口寬度在25 mm時，出風量為463 m3/h，平均風速約8.27 m/s；寬度為20 mm時，其出風量有一定的下降，出口風速略高。綜合風量及風場，采用出口寬度為25 mm，風量和風速可以滿足設計要求。

4 實驗驗證

將風道最優(yōu)方案制作功能樣機，對整機性能進行測試，測試結果如下：

從實驗數(shù)據(jù)如表4所示，樣機最高檔測試風量為484.6 m3/h，仿真風量為463 m3/h，仿真誤差為4.45 %，小于5 %；鋸齒風葉噪音聲功率總值小于63 dB，噪音值較非鋸齒風葉降低1 dB。

表4 整機性能實驗數(shù)據(jù)

5 結論

為解決貫流式塔扇風速低、風量小問題，提出了離心式塔扇風道設計。離心風道系統(tǒng)主要由蝸殼、離心風輪、扇頭三部分組成，本文對蝸殼及出風扇頭關鍵尺寸進行仿真設計，重點對多翼離心風輪關鍵參數(shù)進行優(yōu)化，提高了整機風量和風速，降低噪音。通過研究得出如下結論：

1）離心式風道塔扇可提高整機風速和風量，提升風感。

2）離心風輪隨葉片進口角增大，風量、出口風速先增加后減?。浑S著進口角的增大，扭矩先減小，后增加，再逐漸減小。出口角對風量影響不大，但對扭矩有重要影響。

3）離心風輪吸力面出口附件尾緣采用鋸齒能夠加強尾跡區(qū)低速流與主流間的摻混，降低湍流強度。與非鋸齒風輪相比，可降低噪音1 dB。

4）風量隨著葉片數(shù)的增加并不是線性的增加，在50片時流量達到最大；隨著葉片數(shù)繼續(xù)增加，流量開始減小。因此，存在一個最佳葉片數(shù)，使風量、扭矩達到最佳。

5）扇頭采用“跑道型”圓環(huán)設計，出口寬度25 mm，可有效減小扇頭帶來的風阻，保證出風量及出口風速，滿足風扇的性能體驗。