家用空调器离心风机系统的优化设计

1、家用空调器离心风机系统的优化设计刖b在家用窗式、柜式空调器中，制冷（热）量、能效比、噪声一宜是设计者、 消费者关注的三大基本指标。作为决定以上指标的一个关键部件一离心风机系 统，如何对它进行合理优化设计，对空调器的整体性能的提高有着i 分重要的意 义。在设计屮，我们追求较高的制冷（热）量、能效比和较低的运转噪声。但是 噪声往往和另外两个指标形成孑盾关系，要想提高制冷（热）量和能效比，在一 定程度上要提高风量，提高了风量意味着噪声要有所增加。因此通过对离心风机 系统的优化设计，在满足低噪声、大风量的前提下，提高以上指标才能成为可能。 家用空调器离心风机系统一般由多翼离心风扇、蜗壳、进风风道和出风

2、风道组成。 在本文中，我们就多翼离心风扇、蜗壳、进出风风道以及相互之间的优化设计和 匹配进行了研究，并成功地应用于我公司某一型号的家用空调器的设计中。优化设计措施根据以往设计经验，我们首先选择高效的离心风扇，通过对离心风扇参数的 优化选择，确认了一款离心风扇a作为优化设计的基本模型，其主要参数如表 一所示：表一外径（d1）内径（d2）叶片型式 及翼形进口安装 角（bp出口安装 角化）风扇高度h前盘形式340mm285mm前弯一翼形90°143.5°130mm平直前盘一、壇加风扇高度和蜗壳宽度根据离心风扇的工作机理，气流在进入叶轮z前，由于负压效应和预旋效应 的存在，就家用空

3、调器而言，气流一般存在28m/s范围内进入速度。由于惯性的存在， 气流进入叶轮肯定会沿着叶片高度方向继续运行一段距离，才进入叶道，由叶轮 做功，获得一-定的动能和静压能流岀风扇。因此增加风扇的高度，可以冇效加长 叶片的作功长度，叶片的负载得到较为均匀的分布，减少气流在叶片和后盘中的 冲击和紊流损失。据此，我们设计了风扇b,与风扇a相比，只是风扇高度增 加了 22mm,其他参数完全一致。在相同的负载和输入功率的条件下，比较了相 互的作功能力，结果如表二所示：表二序号风扇高度（mm2）电机输入功率（w）风量（m3/h）增加值风扇a1301108880风扇b152110942+6%由于风扇高度的增加

4、，相应地蜗壳的宽度也有所增加。同时为了减少蜗壳前 后壁与风扇前后盘z间的泄漏损失，对相互z间的安装间隙作了相应的调整。试 验表明，缩短蜗壳后壁和风扇后盘的间隙，既可以降低风机系统的内泄漏，乂可 以有效地降低风扇运转吋的紊流噪声，如果间隙大，一方面会造成泄漏损失，同 时也会使从叶轮出流的气流产生突然的扩流，形成局部的紊流区，在家用空调离 心风机系统该间隙通常限定在515mm z间。离心风扇和蜗壳而壁通过集流圈 安装成对口的形式，导致一部分高压气流通过对i间隙回流到离心风扇的进口 处，对主气流有所破坏，导致了较大的损失。通常设计较小的间隙来降低这种损 失。为此，我们对蜗壳宽度只增加了 20mm,使

5、对口间隙进一步缩小。二、优化蜗壳结构参数1、加长蜗壳扩压区就家用空调器离心风机系统而言，衡量英性能的指标是风量和噪声。从能量 的角度来看，存在以下关系：n=p*q；其中n电机输出功率；（w）p风机全压；（pa） p二pst+po, pst为风机静压，po为风机动压；q风机流量；（m3/s）其中pst表现为空调器换热器的风阻，如果风机运行的效率不高，风机系统 提供的静压小于换热器风阻，必然要求风机系统提高转速，利用更多的动压能来 转变成静压，同时在转速增加的同吋，换热器对流体的阻力随速度的平方成正比 增加，在一定程度上形成了恶性循环。而且从离心风机的噪声机理來看，风机运 行噪声声功率与风机转速的

6、6次方成正比。因此，要能够降低噪声，就必须捉高 离心风机系统的静压，提高风机的效率。在合适的动压下，以较低的全压来获得 更大的流量。但是，曲于家用空调器结构的限制，蜗壳的设计往往不能按照理想的阿基米 德螺旋线进行设计，只能采用近似型线设计，这就使得从离心风扇出來的高速、 高压气流不能很好地在蜗壳屮获得更多地静压能。在国内空调厂家空调风机系统 的蜗壳设计中，蜗壳的型腔设计得都比较窄，而日本的松下、大金等厂家大都采 用大的型腔设计，再配以合适的出口扩压区设计，使得离心风扇和蜗壳相互配合 达到比较理想的程度，能够在较低的转速条件下，获得所需的风量，达到了低噪 声、大风量的耍求。为此，我们提出在窄型腔

7、蜗壳的基础上，加长蜗壳的扩压器 设计。分别制作了蜗壳i、蜗壳ii,其中蜗壳i,基本没冇扩压器，蜗壳整个长度 比较短，蜗壳h,设计了一稍微向蜗舌方向偏斜（12。）长度为h （h150mm） 的扩压器。在负载条件相同，风量恒定（750m3/h）的情况下比较噪声、转速的 结果如表三所示：表三序号电机转速（rpm）噪声(db (a)蜗壳i42545.5蜗壳ii36043.5由试验结果可知，釆用加长蜗壳扩压器的设计，可以使静压效率捉高10%左 右,降低了风机的运转噪声。2、蜗舌及蜗舌与离心风扇距离的优化离心风机蜗壳的蜗舌，其作用就是防止气流在蜗壳内循环流动。在大流量系 数条件下，叶轮气流出流角度稍微向蜗

8、壳螺旋形方向向外偏斜，直接流出出口。 这样在蜗壳内进气口、蜗舌附近就会存在強烈的涡旋，导致蜗壳出口靠近蜗舌的 部位产生负压，使该处流动恶化，产生较大的紊流噪声和压力损失；如果是小流 量系数条件下，气流出流角度就会沿叶轮旋转方向向内偏斜，一部分流体重新进 入蜗壳内部进行循环，导致流量的减少。在额定流量条件匚气流出流角度能够与蜗壳壁趋于一致，损失减少。在实际运用中，离心风机的性能不仅与流量系数 冇较大的关系，而且与蜗舌与叶轮间的距离和蜗舌尖部的圆弧半径冇较大的关 系。试验表明：设计浅蜗舌时使叶轮性能曲线恶化，而采用深舌设计可以使性能 曲线改善。但采用深舌会和大流量系数相似，使噪声增大。蜗舌与叶轮间

9、距离如 果过大，类似小流量系数情况，造成回风；过小，则气流涡流噪声明显增加。因 此，在兼顾噪声和效率的前提卜，在家用空调器小比转数的条件厂蜗舌设计成 深舌可以使效率较高，噪声也不大，曲线也比较平坦。当蜗舌半径，蜗舌与叶轮 间距离分别取离心风扇直径d2的0.2和0.25附近时，可以使风机运行的基频和 二次谐波的声功率小，而且宽频谱的紊流噪声功率也最小。3、蜗壳出口长度结构的优化对家用空调器离心风机而言，从噪声频谱图可见，如果使蜗舌半径和蜗舌与 叶轮间距离处于合理的设计值上，可以明显地减弱旋转噪声；但是在250800hz 之间具有宽频帯特性的涡流噪声。因此控制此类风机的涡流噪声就成为降噪的重 要途

10、径，当然对于大型离心风机，可以在风机叶片的进出口处加整流装置，使风 机叶轮进气口气流变得均匀，出气口紊流脱落程度减弱；也可以在流道内设置导 流装置使流道内流动的主气流一部分能量转移到边界层上，促使边界层稳定而不 分离。对家用空调器离心风机来说，前一方法的可行性较差，我们采用对蜗壳出 口长度和扩压器倾斜角度优化技术，改善蜗壳出口处气流分布状况，降低蜗舌右 侧出气气流的速度，使蜗舌侧出口速度有所增加，抑制蜗舌侧的涡流脱落。为此, 我们通过如下两种蜗壳出口结构（图一），测量了二者的出口气流速度（测点沿 长度尺寸l等分分布，并处于蜗壳宽度的1/2位置处，风机系统处于门由进出气 状况），结果如图二所示：

11、蜗壳i蜗壳ii图一由图二可以看出，虽然蜗壳i的总体出口截面积有所减少，但通过li、l2 的增加，迫使一部分主气流向蜗舌侧流动，改善了蜗舌侧的气流流动状态，使气 流呈现较为均匀的流动状态，并月总体风量保持不变。同时试验结呆表明，这种 改进对紊流噪声的降低也有好处，在同等条件下测试噪声，蜗壳i的噪声要比蜗 壳ii的噪声低0.30.5分贝左右。三、改善离心风机系统的进、出气流流动状况在家用空调器屮，在风机系统的进口处通常采用而板来遮挡系统与外界的联 系，起到安全和美观的作用。面板通常设计成带有格栅条状的塑料件，气流通过 格栅进入风机系统。在实际设计屮，设计者通常只考虑美观和安全的效果，忽略 了面板的

12、进气、导流要求，设计的面板格栅有时间隙太小，进气速度相对较高， 气流相互摩擦以及气流和格栅的摩擦，造成较大的进气附加噪声；有时设计的格 栅导流角度相反，使入口气流紊流加剧，通过叶轮的作用，紊流噪声得到进一步 的放大。我们根据试验结果得出：在保证进气面积和间隙的条件下，进气气流速 度w4m/s,可以使面板不产生明显的附加噪声；另外格栅的导流角度必须设计成 与气流流动的轨迹趋于一致，避免产生多重折流，改善气流的入口紊流程度。 我们曾用面板i、面板ii论证了上述分析。其中血板i格栅条角度斜向上倾斜， 倾斜角度为45° ,格栅较密，间隙较小，直线距离只有8mm；而板ii格栅条角 度稍微斜向上

13、倾斜，倾斜角度只有5。，间隙略放大，为10mm。采用蜗壳a, 在同一机组上比较了在相同转速条件的噪声大小，试验结果如表四所示：表四序号噪声(db(a)面板i47.5面板ii46.7同样对出气口也要避免设计直弯结构，采用适当的圆弧过渡和阻尼处理，使 气流流阻损失降低，避免产生较大的摩擦发声，并考虑出风口的大小和形状。出 风口过小，会使气流速度较高，感觉出口噪声较高，出风口过大，气流速度较低, 无法满足房间气流输出气流距离的要求。因此使出口气流速度限制在38m/s, 带有一定的静压，既保证气流能够吹出合适的距离，又能满足出风口寂静的耍求。结论 、采用适当增加风扇叶片高度和蜗壳宽度，可以有效地加大风量，使风机叶轮冲击损失降低； 、采用加长扩压器设计，可以使叶轮出流的高速、高压气流