新VRF轴流风扇结构的性能分析

张 凯

（上海市长宁区特灵空调系统（中国）有限公司上海分公司，上海 200051）

自1982年，日本大金在面临国内能源紧张的背景下，创造出来世界上第一台多联机组，1987年，大金推出世界上第一台变频VRV，它具有室内机独立控制、使用灵活，扩展性好、外形美观、占用安装空间小、可不设专用机房等突出优点，得到快速发展，目前已成为中、小型商用建筑和家庭住宅中最为活跃的中央空调系统形式之一。多联机按照其使用功能不同可分为单冷型、热泵型和热回收型；按照压缩机容量调节方式可分为调速型（包括交流变频和直流调速）和变容型（采用数码涡旋压缩机）两类。中国多联机起步较晚，大约在2000年左右，但发展非常迅速，就从2017年、2018年市场容量来看，已经占据50%整个中央空调市场，并且技术也日益进步，全直流变频技术成本优势、可靠性日益提升，成为现在行业的主流，并且随着技术发展，涌现出喷气增焓、双级压缩以及蓄冷蓄热等新技术。

目前多联机行业竞争日趋激烈，随着IPLV测试标准不足，行业逐渐推出新的衡量标准，即APF值，为了能够提高多联机APF，各个企业也开始注重整机性能优化，赵德印[1]对多联机空调APF进行分析，制热对多联机APF影响很大，目前APF值规定标准偏高，需要改进。李彬等[2]对风冷式多联（热泵）机组APF的测试做了一定的研究和分析，为多联机APF值测试提供参考。吴成斌[3]对空调用制冷设备季节性能评价方法研究，尤其关于多联机APF值评价进行了分析，指出采用ISO标准的APF体系更能反映多联机的实际性能，进而结合中国的建筑负荷特性和气象数据，构建新的多联机季节性能评价体系。提出了复合空调机组的APF评价方法，并对一台复合空调机组在我国五个典型地区应用时的季节运行性能进行评价，与实测结果比较表明，所提出的评价方法能够良好地反映产品性能。

因为APF值不能采用类似IPLV方式提高性能，如加大换热器、加大机组容量测试，故而需要从整机角度以及各个部件角度分别优化。为了提高整机性能，本文从风机上着手，分析现有存在的不足，并寻找到新的解决方案，为多联机的性能提高提出了新的解决思路。

1 新型空调轴流风扇结构与原理

传统轴流风扇在动力设备的驱动下转动，使轴流风扇的气流输出一侧形成高压区。相应地，轴流风扇的另一侧形成相应地低压区，以使空气流入到低压区。如图1所示，在顶盖上轮毂部设有较多的贯穿的通水孔，其目的是为了防止外风机在阴雨天气中使用顶盖积水烧毁电机，同时也降低轮毂部的重量以及材料成本。通过对一台传统风扇运行性能仿真可以看出，由于过水孔的设置，当风扇进行高速运转时，轴流风扇在动力电机驱动下转动并加速空气向设备主体外流动，相应地，分别在空气的输出方向形成高压区以及空气输入方向形成低压区。由于通孔贯穿轮毂部，导致高压区与低压区通过通孔连通，提高了音噪和功耗，部分气流沿通孔流动导致紊流的形成，室外机输出的风量减小。并且风机在运转时候，气流不稳定会使得风机功耗增加，通过图2、图3可以看出，现有的风机将部分气流旁通出去，弱化了风机性能，而对于多联机而言，风机性能衰减对于整机性能也有一定影响，尤其是当前多联机发展进入快速通道，多联机竞争日趋激烈，而APF值对于整机评价也起到关键作用，为了实现多联机APF值提高以及整机性能提高，增强系统竞争力，不仅需要从整体性能进行优化，甚至还要从各个部件的性能着手去优化，来实现机组性能产生大幅提升，故而本次对于风机进行重新优化设计，从细微的角度着手去优化。

图1 两类风扇结构对比图

图2 传统风扇运行性能仿真

图3 传统风扇运行性能仿真

如图2所示，正是由于贯穿的通水孔的设置带来了风机性能衰减，利用康达效应和附壁原理更好导流空气，让乱流进行整合向上提升从而提上风量，故而本次设计一种新的风机结构，它是由风扇主体和可拆卸连接于风扇主体的顶盖构成，风扇主体包括轮毂和设于轮毂外周壁的扇叶组，顶盖可拆卸连接于轮毂并封闭轮毂的端部。轮毂用于连接轴流风扇的外接动力设备，扇叶组设有多个间隔分布的扇叶。扇叶均匀分布轮毂的外周壁，以使轴流风扇转动过程中受力均衡。轴流风扇在动力设备的驱动下转动，扇叶驱动风扇主体周边的气体加速流动并形成稳定的气流。轴流风扇在动力设备的驱动下转动，使轴流风扇的气流输出一侧形成高压区。另一侧形成相应地低压区，以使空气流入到低压区。由于顶盖端部封闭，避免风扇主体转动过程中风扇主体两侧的高压区和低压区沿轮毂连通，气流输出稳定，轴流风扇的噪音减小。同时不会在轮毂处形成流动的气流，可减小轴流风扇输出气流的紊流现象，降低风扇主体转动所需的能耗。同时顶盖设置有引导气体流动的引导部，引导部的横截面面积自一端向另一端逐渐减小，以形成近似于锥台结构。这样可以使气流可沿顶盖的表面脱离，不仅引导气流流动同时也减小气流的紊流。导流均衡性好，气流流动稳定、集中。

为适用于不同风机，采用针对优化风机端盖，如图4所示，轮毂在回转中心线方向的中点与引导部的最小回转半径的连线相对于轮毂的回转中心线形成夹角β，轮毂在回转中心线方向的中点与引导部的最大回转半径的连线相对于轮毂的回转中心线形成夹角γ，其中，0.5≤β/γ≤0.7。针对不同的风机运用，可以通过调整β与γ之间的比值，以使顶盖10的弧线导流能降低风扇主体输出气流的紊流效果并提升出风量，起到导风的效果。β/γ的比值可设为0.5、0.55、0.6、0.65、0.7，提高导风效果，降低音噪。并且顶盖与轮毂可拆卸连接，两者装配成一体以组成轴流风扇，装配效率高。轮毂和顶盖可独立加工，轮毂的加工工艺及结构设计灵活性好，降低风扇主体的生产及材料成本。

新型轴流风扇应用于空调室外机，可以降低空调室外机的运行噪音并提高空调室外机的出风量，散热效果好。新轴流风扇在动力电机的驱动下控制气流流动，在同等风力情况下，动力电机所需功率减小，音噪减小。

图4 新风扇角度尺寸

2 新型空调轴流风扇性能实验与分析

根据上述原理设计一台新轴流风扇（带顶盖）在试验台进行实验（见图5），并跟现有同等尺寸型号的进行性能对比，本次测试内容包括风机在不同转速下风量、功率以及噪声，同时将测试出的风量、功率性能运用到一台整机多联机上，对多联机整体APF进行评估。

图5 新风扇样品

其中测试结果如表1所示，传统风扇不带顶盖，新的风扇带有新设计顶盖结构。通过实验数据可以看出，随着风机转速提高，风机风量逐渐提高，几乎呈线性增长趋势，在850 r以内，带顶盖的新型风扇结构在同等转速下具有更高的风量，整体风量提升接近2%，具有较好的效益，尤其在风机转速350 r时候，风量提升超过6%，这是因为风速低顶盖密封作用减小了更多的气流旁通；通过数据显示，风机功率在低转速下虽然没有降低，而在中转速下具有1.6%降低，在950 r工况下，风扇风量提升与轴功率提升基本保持一致；故而从整体性能来看，新风扇带顶盖结构对风机整体性能优于传统风扇。

表1 具体测试结果

再通过图6所示的噪音测试情况，在各个转速下，新风扇结构比传统风扇都有一定程度降低，大约0.5 dB，故而能够为产品噪音带来一定竞争力。同时风机的噪音对于整机噪音也具有一定影响，风机噪音降低实现整机噪音一定程度降低，为产品在宣传上具有优势。

图6 各转数噪音值

将带有顶盖的风机运用于多联式空调机组整机性能APF评估，通过在对应整机风机转速下进行核算APF，新风扇带顶盖结构能够降低APF值0.1，大幅度提高了产品整机优势，为多联机产品在行业竞争中提供了新的优化方向。

另外由于顶盖与轮毂分体式可拆卸结构，安装自由灵活，同时可根据不同匹数多联机进行顶盖角度弧度优化设计，顶盖高度与风扇直径比例灵活设计，提高导流效益；适用性强，针对新款顶盖模具设计而言，成本初期投资低，对整机成本具有很好的优化作用，非常适用于目前日趋激烈竞争的多联机市场。

3 结语

通过对现有多联机用轴流风机以及新型风机结构原理分析，并在试验台进行性能对比测试，将新型风机运用于整机多联机性能分析，得到如下结论：

（1）现有风机顶盖带有过水孔虽然可以防止风机在运行过程中出现进水烧毁现象，但容易造成气流旁通，增加了风机功噪音以及稳定性。

（2）新风机结构利用康达效应和附壁原理进行改进，增加顶盖设置，同时优化角度，不仅化解了气流旁通问题，提高了风量，还降低了噪音，提高了稳定性。

（3）新风机结构可根据不同类型多联机外机分别设置顶盖角度，并且顶盖与轮毂分体，容易加工，适用性强，运用到整机多联机，不仅具有成本优势，还能实现整机APF值提高0.1，具有很好的市场前景。