叶片尾缘凹陷结构对空调用轴流风机性能的影响∗

马 列 吴立明 李金波 王梦豪 刘小民

（1.广东美的制冷设备有限公司；2.西安交通大学能源与动力工程学院）

0 引言

轴流风机广泛应用于窗式、分体式空调中，降低风机噪声，增大风机流量、提高风机效率是轴流风机设计一直追求的技术指标。风机叶片尾缘涡流脱落是重要的噪声源，即改善尾缘处流动将有助于降低风机噪声，而尾迹控制是实现降噪的有效手段。锯齿结构[1-4]能够有效抑制尾迹，从而达到降低噪声的效果。潘虹宇等[5]利用叶型加弯方法对轴流风机进行改型设计，在风机叶轮直径不变的条件下，在较低转速就获得设计全压，从而达到控制并降低风机气动噪声的设计目标。孙扬智等[6]对轴流风机引起的气动噪声问题进行分析，得出旋转叶片所诱发的气动噪声随着叶片转速和风机直径的增大而增大。Zhu等[7]研究了一种小型轴流风机的分流叶片设计，发现带分流叶片的小轴流风机的静态特性与原型风机相似，在一定的通量范围内提高了静态特性。Zhang等[8]研究了尖翼法兰形状和数目对叶尖涡结构的影响及其特性，结果表明，尖端法兰风扇的噪声特性比基准风机的噪声更严重。针对如何提高风机效率，增大风机流量，也是研究人员追求的理想目标[9-12]。例如将直导叶变为弯曲导叶，采用正交实验方法对导叶进行匹配优化设计，优化轴流风扇结构参数，优化后风机流量增加15%，效率提高18.5%（由33.2%～51.7%）。另外改变叶顶形状也可有效提高风机性能，逆流向斜槽、双斜槽、上阶梯叶顶和下阶梯叶顶五种叶顶形状对风机性能提升效果依次增加。

关于叶轮片尾缘凹陷结构对风机性能的影响，之前的研究中并没有考虑叶轮打水圈的影响。本文针对窗式空调器用轴流风机，研究了带有打水圈的叶轮叶片尾缘凹陷结构对机机气动性能和噪声的影响，同时考虑到提升轴流风机流量的要求，研究了叶轮高度变化对轴流风机性能特别是流量和噪声的影响。

1 计算模型与方法

1.1 物理模型

本文研究的轴流风机带有打水圈结构，其结构如图1所示。

图1 窗式空调轴流风机结构Fig.1 Structure of axial flow fan for window air conditioner

表1 轴流风机叶轮基本设计参数Tab.1 Basic design parameters of axial flow fan impeller

采用CATIA对所研究的轴流风机进行流场区域的三维建模。其中冷凝器对风道系统流场的影响采用等效背压表示，对轴流风机进出口做了适当延伸，其计算模型如图2所示。

图2 轴流风机计算模型Fig.2 Calculation model of axial flow fan

采用Fluent对轴流风机性能及其内部流场进行数值计算，求解不可压缩雷诺平均Navier-Stokes方程。由于Realizable k-epsilon模型在旋流计算、边界层计算以及分离流动计算中更符合实际情况，所以本文湍流计算选用Realizable k-epsilon模型。压力速度耦合采用SIMPLE算法，压力离散格式采用PRESTO!格式，动量方程、能量方程和湍流耗散方程均采用二阶迎风格式。对质量、速度分量、湍动能及其耗散项的收敛指标均设置为10-4。

1）将叶轮区域设置为旋转区域，叶轮沿Z轴逆时针转动，旋转速度根据电机在不同工况点的实际转速给定，其他区域设置为静止区域，动静交界面采用MRF参考系模型；

2）将叶轮叶片壁面采用相对坐标系，相对于叶轮旋转区域静止，风机其他壁面为绝对静止面；

3）进口采用压力进口，总压为0Pa；出口采用压力出口，静压根据工况点进行设定。

对叶轮、进出口延长段分别进行了网格划分，通过网格无关性验证，最终轴流风机计算模型网格数取为712万。

1.2 实验标准及装置

窗机室外侧轴流风机风道系统由压缩机腔体、冷凝器、电机腔体，以及钣金件外罩和中、后隔板等组成，室内侧风机与室外侧风机共用同一电机，转速一致，测试工况主要选用送风高档，风机转速为1 479rpm左右。流量实验按照GB/T1236-2000标准化风道进行性能试验进行，噪声测试按照GB7725-2000标准在半消音室进行，下图为测试现场及装置示意图。图3为整机实验现场图，图4为实验装置结构示意图，进行实验时室内侧保持原型不变，只更换室外侧轴流叶轮。

图3 整机风量试及噪声实验现场图Fig.3 Air volume test and noise test on site

图4 性能试验装置结构示意图Fig.4 Schematic diagram of performance test equipment

1.3 实验结果与模拟结果对比验证

本文对实验中部分工况点进行了数值模拟，模拟结果的静压性能曲线与实验静压性能曲线对比如图5所示。

图5 静压性能曲线Fig.5 Static Pressure performance curve

由图5可以看出，模拟的6个工况点与实验值都比较接近，随着静压的升高，实验流量与模拟流量都逐步下降，两者的性能曲线接近，误差值不超过5%。因此，可认为本文所使用的数值计算模型和计算方法是准确的。

2 风机降噪优化

2.1 尾缘凹陷方案

2.1.1 两种尾缘凹陷方式

通过尾缘凹陷切割得到新的改型叶轮，凹陷型线为非均匀有理样条曲线。采用尾缘凹陷结构的叶轮如图6所示。

图6 叶轮叶片结构示意图Fig.6 Impellers and blade structure

2.1.2 模拟与实验结果分析

针对两种尾缘凹陷形式和原始叶轮模型，计算了轴流风机在设计工况（1 500r/min）下的流量静压特性，为探究尾缘凹陷结构对叶片流场的影响，这里对叶片吸力面与压力面的静压云图进行分析，图7为叶轮A,B,C的静压云图。

图7 叶轮表面静压分布Fig.7 Static pressure distributions of impeller surfaces

从图7中可以看出：叶轮A,B,C压力面的最高压力区域面积基本不变。其中叶轮A约有1/3的面积压力处于0～50Pa之间，叶轮B,C约有1/2的面积压力处于0～50Pa之间，增加了压力面的压力值，叶轮A,B,C压力面的最高压力均位于叶轮顶部叶片跟打水圈的连接区域，距前缘2/3弦长的位置，这种类型的压力分布与叶轮打水圈与叶片连接位置以及运行时叶轮的叶顶部间隙有关系。

同时叶轮A,B,C吸力面的最低压力均位于叶轮顶部2/3弦长的位置且最低压力区域面积随着凹陷的深入逐渐减小，在叶轮C根部压力增大10Pa，吸力面其他区域压力也有小幅度提高。

综合图中压力面与吸力面的静压分布，可以发现两种尾缘凹陷叶轮压力面的静压值与吸力面的静压值的都比原叶轮有所提高，显示新叶轮的做功能力增强，且叶片整体压力分布更加均匀，改善了叶片的受力情况。为测试理论分析效果，在本底噪声为17.8dB(A)的半消音室内采用B&K3560噪声测试系统按GB7725-2000标准测试了两者的噪声特性，并在全自动实验台上测试了流量-静压外特性曲线。

图8为三个叶轮的流量静压特性曲线，从图8可以看出：模拟时对流量下的压力值高于实验值，模拟值与实验值总体分布趋势一致，在出口静压为0Pa时，叶轮A、B、C的流量依次增加，说明叶片尾缘凹陷能降低风机功耗，改善电机负荷，使得叶轮流量在一定转速范围内有小幅度增加，与之前理论分析结果一致。当出口静压为20Pa时，原型叶轮流量最大，叶轮C流量最小，叶轮B的流量位于两者中间，表明随着出口压力的增大，采用尾缘凹陷的形式，流量有所减小。图9为不同流量噪声曲线。从图9分析得出：在流量为440m3/h时，叶轮A，B，C的噪声分别为56.2dB、55.3dB、54.9dB，随着尾缘凹陷的深入，降噪效果越明显，验证了数值分析的结果，但随着流量的增大，尾缘凹陷达到的降噪效果减小，在流量为485m3/h时，A，B，C叶轮的噪声分别为59dB、59.1dB、58.5dB，三个叶轮的噪声基本持平。

综上所述，对叶轮尾缘进行凹陷改型能够改善叶片表面受力情况，改善叶轮尾迹，从而降低轴流风机的噪声，降低风机功耗。在小流量情况下，叶片尾缘凹陷结构的采用可降低风机噪声1.0dB，而在大流量条件降噪效果有所下降。

图8 流量静压特性曲线图Fig.8 Flow characteristics of hydrostatic curves

图9 流量-噪声曲线Fig.9 Flow-noise curves

3 风机优化

3.1 优化方案

叶片是轴流风机的关键部件，叶片的设计参数如风扇转速、叶片数、安装角、轮毂比、空间扭转角、不等距叶片布置、叶型等，直接影响了风机的流量、效率、轴功率、出口全压、噪声等特性。原风机轴流风扇为4叶片风扇，其电机、外壳尺寸已经确定，风扇转速、轮毂比已经很难改变，因此在满足电机支架、风道以及外壳尺寸都不变的情况下，增大叶轮高度是提高轴流叶轮流量的有效措施，如图10所示。

图10 原叶轮与新叶轮叶高Fig.10 The blade height of the original and new impeller

为避免增大叶片高度后，叶片与压缩机干涉，应用CATIA软件的DMU运动分析功能，将新叶轮与窗式空调模型进行装配，新建旋转机械同时对电机中心轴与叶轮中心轴进行轴约束，对叶轮轮毂安装孔的上表面与电机中心轴垫片的前表面进行面约束，采用角度驱动模式，进行运动分析，经过分析得出，在保证叶片尖端不与压缩机干涉的前提下，叶片高度可以从58mm增到79mm。

3.2 实验结果及分析

增大叶轮的叶片高度，从而增大了叶轮在相同转速下的做功能力，使相同转速下流量提升，达到增加流量的效果。图11为原叶轮与新叶轮相同转速下噪声、流量曲线，从图中可以看出，在1 325r/min时，流量增加40m3/h，在1 479r/min时，流量增加75m3/h，增幅达到15.5%，但噪声也相应地增加了0.9dB。

图11 同转速下叶轮流量与噪声对比图Fig.11 Comparison of flow rate and noise at the same speed

由于相同转速下流量增加，相应的旋转噪声也加强，致使同转速下噪声增加，如上所述相同转速条件下新叶轮流量增加75m3/h的同时，噪声增加0.9dB，但新叶轮在较低转速就可获得设计流量，因此可以达到控制气动噪声的目的，对比同流量下的噪声，在原叶轮流量为489.01m3/h时，噪声为59.5dB，转速为1 479r/min，新叶轮流量为487.81m3/h时，噪声为57.2dB，转速为1 325r/min，得出新叶轮比原叶轮低154r/min的转速下，就可获得相同的设计流量，可以有效控制风机气动噪声。

综上所述，在外壳尺寸、电机不变的情况下，增大叶片高度，可以增加同转速下叶轮的做功能力，从而增大相同转速下轴流风机流量。新叶轮在较低转速就可以达到设计流量，从而使在设计流量489m3/h时，新叶轮噪声比原叶轮噪声降低2.3dB。

4 结论

本文以4叶片带有打水圈的轴流叶轮为研究对象，采用尾缘凹陷结构进行改型设计，对两种凹陷程度不同的叶轮改型方案进行数值模拟与实验测量，研究了尾缘凹陷结构对轴流风机气动特性和噪声的影响，获得的主要结论如下：

1）叶片尾缘凹陷形式能够改善轴流叶轮尾迹，抑制脱落涡，降低轴流风机噪声，随着凹陷的深入，噪声进一步减小。

2）当流量为440m3/h时，叶轮B比叶轮A噪声降低1.0dB，叶轮C比叶轮A噪声降低1.3dB，但流量在490m3/h时，新的叶轮噪声与原叶轮的噪声持平，降噪效果减弱。

3）保持叶片半径不变，增大叶片高度，以增大轴流风机流量，试验结果表明在1 479r/min下室外机流量比原型增加75m3/h，增幅为15.5%，相同流量下，新叶轮噪声比原叶轮降低2.3dB。

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