多翼离心风机叶片出口安装角对吸油烟机性能影响的实验研究

刘小民 汤 虎/西安交通大学能源与动力工程学院

樊 涛*/夏津一中

0 引言

前向多翼离心通风机具有结构紧凑，压力系数高、流量系数大的突出特点，被广泛应用在家用电器、空气调节及各种通风换气设备中[1]。多翼离心风机作为吸油烟机风道系统重要的动力源，同时也是整个系统主要的噪声源。其中，叶轮是离心风机中的旋转部件，对风机中的能量转换和传递起着重要作用，但是吸油烟机用多翼离心风机具有叶轮流道短、叶片弯曲度大、叶片数多的特点，在叶片出口尾缘容易产生流动分离涡和尾迹涡，不但会增加流动损失，还会诱发较大的气动噪声，特别是尾迹涡脱落将影响到下游蜗壳内流动状态，引起多翼离心风机噪声增加[2]。

目前国内外很多研究者对多翼离心风机的优化设计主要着眼于风机的叶轮，以提高风机的性能为目标，对叶轮的主要结构参数如叶片的型线[3]，进出口安装角[4]，叶片数[5]，轮径比以及相对宽度比[6]等进行改进。上述每个参数的改变都会对风机的气动性能和噪声特性产生较大的影响。黄宸武等人[7]、魏文平[8]对影响多翼离心风机性能的重要参数进行了实验研究，指出叶片出口安装角对多翼离心风机性能的影响最大。秦国良[9]对叶片出口安装角和风机性能之间的关系进行了实验研究，提出了一种多翼离心风机变叶片安装角的设计方法。由此可见，叶片出口安装角是影响多翼离心风机气动性能和噪声特性的主要参数。对叶道中叶片非工作面一侧气流分离引起的失稳性叶轮流道流场而言，通过增加叶片出口角，可以加大叶道收缩系数，从而达到维持叶道流场稳定性的目的，但叶轮出口角过大又会造成叶片曲率过大，诱发下游蜗壳内涡流的产生，气动噪声增加。因此叶片出口安装角的设计和选用应给以足够的重视，使得吸油烟机用多翼离心风机的压力、流量和噪声均能达到设计要求。

以上研究以叶片出口角对多翼离心风机的影响为主，这些改进方法对吸油烟机用多翼离心风机不一定会起到相同的效果。这是因为多翼离心风机处于吸油烟机的箱体内部，箱体的尺寸、风机的安放位置和进风方式都有可能会影响吸油烟机的性能。为了更全面掌握和了解风机叶片出口安装角对吸油烟机整体性能的影响，寻求针对吸油烟机风道系统的优化设计，本文以某款近吸式吸油烟机为实验对象，在保证吸油烟机其他设计参数不变的情况下，采用实验方法研究了不同叶片出口安装角对吸油烟机风压、风量以及噪声的影响，并对吸油烟机风道系统的设计提出了合理的建议。

1 吸油烟机及多翼离心风机结构

近吸式吸油烟机的结构主要由三部分组成：多翼离心风机，箱体以及面板。油烟由面板上的进风口进入烟机，在风机的作用下被排出室外。如图1所示。

图1 近吸式吸油烟机基本结构图

如图2所示，该型吸油烟机用多翼离心风机为双面进气的结构，由叶轮、蜗壳、导流罩以及内置电动机四部分构成。叶轮具体结构参数如图3所示为：叶轮内径D1=204mm，叶轮外径D2=240mm，叶片数为Z=60片，叶片为单圆弧型等厚度叶片，且沿圆周均匀分布，叶片厚度为0.5mm，叶片进口角β1=72°，叶片出口角β2=170°，叶道中心角φ=98°，叶轮轴向宽度136mm，蜗壳宽度160mm。为了研究不同叶片出口角对吸油烟机气动性能和声学性能的影响，本实验将叶片出口角分别减小和增大10°，即叶片出口角分别取为160°、170°、180°。

图2 多翼离心风机结构图

图3 叶轮安装角示意图

2 吸油烟机性能测试试验装置和方法

气动性能和噪声试验测试以近吸式吸油烟机为研究对象，按照中华人民共和国国家标准GB/T17713-1999 外排式吸油烟机空气性能试验方法和GB/T17713-1999 吸油噪声试验方法进行。其中吸油烟机气动性能测试的试验装置如图4 所示，主要包括：待测吸油烟机、连接器、十字整流器、扩散段，减压筒和数据测试系统。

图4 吸油烟机气动性能测试台

气动性能试验是在强档转速（n=1 070r/min）下，保证吸油烟机其他结构不变，对叶片出口角为160°、170°、180°的吸油烟机进行气动性能测试。通过对每个工况点下的室内大气压力、大气温度、相对湿度以及减压筒内计示静压和主电机输入功率进行测试，将上述测量结果进行换算，最后得到风机在不同工况下的吸油烟机风量，全压以及全压效率。

吸油烟机噪声测试是在半消声室中进行的，其底部离地面高度要高于1.3m。在测试过程中，需要保证吸油烟机以及多翼离心风机的进出口没有其它部件阻碍流动，消除地面以及其它部件的振动噪声。试验测试装置如图5所示，噪声测量采用手执式声级计。

图5 全球包络法噪声测试装置图

3 实验结果及分析

图6 所示为多翼离心风机叶片出口角分别为160°，170°，180°时，在相同转速n=1 070r/min下吸油烟机流量-全压效率性能曲线。

图6 全压效率随流量变化的曲线图

由图6 可以看出：减小叶片出口角时，在风量为0～10m3/min 的范围内，吸油烟机的全压效率比使用原叶轮有所增大，且在国标规定的风量7m3/min，吸油烟机全压效率最大，提高约2.43%。当流量大于10m3/min 时，吸油烟机的全压效率与使用原叶轮的相比有所下降。相比之下，提高叶片出口角，吸油烟机的全压效率在全流量区域内比原叶轮的效率有所下降。在国标规定的风量7m3/min 时，效率下降了0.6%，这主要是因为叶片出口角过大导致叶轮流道内流动速度提高，从而使气体流动的摩擦损失有所增加。

图7 和图8 为多翼离心风机叶片出口角分别为160°，170°（原叶轮），180°时在相同转速n=1 070r/min 下吸油烟机流量-全压、流量-静压性能曲线。图7 和图8 表明，在大部分风量范围内，标准状态下的吸油烟机的静压和全压会随着叶片出口角的增加，有不同程度的提高。在国标规定风量7m3/min，使用θ2=180°吸油烟机的标准静压最大，比使用原叶轮的吸油烟机提高了32Pa，比使用θ2=160°的吸油烟机提高了39Pa。根据国标定义，吸油烟机的最大风量为静压值为0 时，单位时间内输送的气体体积。图7 表明，与原吸油烟机相比，改变叶轮出口后最大流量略有下降。

表1 不同叶片出口安装角度下吸油烟机的性能比较表

由表1 得到的数据可知，在强档转速n=1 070r/min 下，减小叶片出口角时，吸油烟机A声级与使用原叶轮的吸油烟机（θ2=170°）相比，下降约1.2dB，降噪效果较好；提高叶片出口角时，吸油烟机A声级提高了1.1dB，分析认为：由于叶片出口角过大导致叶片曲率过大，蜗壳内流动恶化，涡流强度加剧，引起较大的噪声。

图7 静压随流量变化的曲线图

图8 全压随流量变化的曲线图

4 结论

本文采用实验研究的方法，考察了吸油烟机用多翼离心风机叶片出口角度对吸油烟机整体气动性能的影响。在实验过程中，只考虑了叶片出口安装角的改变，并没有考虑叶轮设计与蜗壳的匹配以及烟道管网压力的变化。研究发现：

1）在小流量的工况范围内，叶片出口角越小，吸油烟机全压效率越高。在大流量工况范围内，θ2=160°的吸油烟机全压效率略有减小。当风量规定为7m3/min 时，θ2=160°的吸油烟机全压效率最高，达到了26.17%，效率提高约2.43%。

2）吸油烟机标准状态下的静压和全压会随着叶片出口角的增加而有不同程度的提高，当叶片出口角大于170°时，随叶片出口角的增大，吸油烟机最大风量不再有明显的增加；然而随着叶片出口角的增加，吸油烟机的噪声不断增大。

3）尽管θ2=160°的吸油烟机最大风量和静压略有减小，大流量时全压效率亦有所降低，但总体考虑流量，噪声和全压效率的影响时，叶片出口角θ2=160°的吸油烟机性能较好。

[1]游斌，周拨，吴文新，等.多翼风机新型斜蜗壳和常规直蜗壳的对比研究[J].工程热物理学报，2006，27（2）：235-237.

[2]周建华.前向多翼风机内部流场的可视化研究[J].风机技术,1998(1):11-13.

[3]罗嘉陶，王嘉冰.多翼离心通风机叶片翼型的研究[J].风机技术，2004（3）：20-22.

[4]Lin Sheam_Chyun and Huang Chia_Lieh.An integrated experimental and numerical study of forward_curved centrifugal fan[J].Experimental Thermal and Fluid Science,26(2002):421-434.

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[6]林世杨，刘素勤.多叶离心通风机叶轮参数的最优搭配[J].风机技术，1990（2）：1-6.

[7]黄宸武，区颖达，张吕超，等.多翼离心通风机叶轮主要特征参数的试验分析[J].风机技术，2001（6）：9-11.

[8]魏文平.空调用多翼离心风机的实验研究[J].流体机械，2003，31（6）：4-6.

[9]秦国良.多翼离心通风机变安装角性能计算[J].风机技术，1999（1）：21-23.