HVLS风扇技术现状及其发展

陈家明 辛军哲 郑才翥 赵秀钱

（1.广州大学；2.广东瑞泰通风降温设备有限公司；3.东莞市亿昌制冷科技有限公司）

0 引言

空调能耗是建筑能耗的主要组成部分[1]，减小空调能耗一直是该专业科技工作者和工程技术人员努力的一个重要方向。为了减少空调能耗，在一定范围的温度环境下，采用吊扇代替空调，能够达到同样的舒适效果，甚至在较热的环境下，使用吊扇结合空调系统，通过吊扇的作用，来尽量减少空调系统的运行负荷[2-3]。吊扇以其占用空间小、造型美观、作用范围大等优点得到广泛的应用。

但现有的吊扇大多转速较高、安全性较差，尤其是风速分布极不均匀，直接处于风扇下方风速很大，而略微远离风扇直径以外风速会迅速下降，甚至感受不到风。HVLS风扇是一种大直径、低转速、大风量的吊装风扇。与传统的吊扇相比，该风扇不但转速更低、噪声更小、更加安全可靠，更重要的是其作用范围大大增加，且风速更加均匀，极大地解决了高大空间的空气循环和“气流冷却”效果。HVLS除了使用在畜牧业谷仓、工业厂房、飞机场（飞机库）、设备制造间等工农业生产环境，还越来越多的使用在一些公共环境，如：餐馆酒吧、体育中心、教学大楼、服务中心和大型商场等[4-5]。

HVLS风扇出现的历史并不长，1998年为了给奶牛降温减少热应激，增加产奶量，WaIter Boyd发明了HVLS风扇，设计制造了一直径达7.3m，转速为50r/min的吊扇，形成第一代HVLS风扇[4，6-9]。而在我国，HVLS风扇出现的时间大约在21世纪00年代后期，对HVLS的认识、使用和研究目前仅仅处于起步阶段，对于HVLS风扇的设计理论和方法均处于探索过程。我国的HVLS风扇设计水平不高，各单位风扇的性能参差不齐，未能使HVLS风扇性能达到最优化。本文将从HVLS风扇的技术特点入手，分析HVLS风扇的技术发展状况，并试图对HVLS风扇未来的发展提出个人见解，进一步提高HVLS风扇的性能，为HVLS风扇进行优化设计和使用标准的制定提供参考。

1 舒适性作用范围及HVLS的技术特点

HVLS是High Volume Low Speed即大体积低速度英文单词首字母的缩写。其代表着这类风扇的设计理念就是要求这种风扇在作用范围内所产生的气流速度要小，但作用范围要大。

风速可以增强人体的散热，使其在炎热的夏天觉得凉爽。按照文献[10]的描述，风速从0.15m/s提升到3m/s时，标准有效温度SET可以从23.8℃降低到18.8℃，相当于有5℃的温降。而有美国公司研究表明[11]，在夏季，恒温器的设定温度高于25℃时，每升高1℃，就能节省9%～12%的冷却能源。将流过人体的风速尽可能的加大，以最大限度地达到节能的效果。但过高的风速会使人受到风压的压迫感[12-13]、眼睛干涩[14-15]和吹冷风感[15]，同时还会将头发、纸张和衣裙等轻薄物品吹起[11,15]，这些都会使人感到不适或不便。按照文献[10]的规定，在空调环境下，要达到人体的热舒适性要求，流过人体气流的平均速度应不超过0.8m/s。在通风环境下，人体所接受的风速与工作环境有很大关系，一般场合下，平均风速不会超过1.6m/s。如果以PMV相差0.5作为人体对环境不同位置均匀度的要求，假设环境温度相同时，可计算得出环境不同位置的风速。对空调环境大致应控制在0.3～0.8m/s范围内，对通风环境应控制在0.55～1.6m/s范围内，我们把平均风速处于这个范围的区域称作风扇的有效作用范围。但对传统的高转速小直径吊扇而言，限制了最高风速，同时就意味着将风扇的有效作用范围大大缩小。图1为一典型吊扇与HVLS风扇的站姿平均风速分布图（按照ASHRAE 55-2017中规定，将0.1m、1.1m和1.7m三个高度风速的平均值称为站姿平均风速值），其中横坐标为测点距中心距离与风扇半径的无量纲数。从图中可以看出，该直径为1.5m的吊扇[16]在高速档的202r/min转速下运行，其最大站姿平均速度为2.1m/s左右，远远超过空调和通风环境下可接受的最高速度。当其在低速档的121r/min转速下工作时，按照上述吊扇有效作用范围的标准，在通风环境下，该典型吊扇的有效作用范围直径约为风扇直径的3倍，且其最大速度所在的位置约为0.5R。从图中可以看出，直径为7.3m的HVLS风扇在转速为23r/min下运行时，同样按照上述吊扇有效作用范围的标准，该风扇在通风环境的有效作用范围直径约为风扇直径的5倍，其最大速度所在的位置约为1.2R，覆盖面积明显大于普通吊扇，且风速能够保证在人体可接受范围内，这就是HVLS风扇的最大优势所在。

图1 直径为1.5m的典型吊扇与直径为7.3m的HVLS风扇的站姿平均风速分布Fig.1 The average wind speed distribution of standing posture of atypicalceiling fan with 1.5mdiameter and an HVLS fan with 7.3mdiameter

为了进一步研究HVLS风扇与高速风机性能的比较，Zhiqiang(John)Zhai等人对HVLS风扇和小直径高转速风扇流场进行数值模拟研究[17]。研究两种风扇对于房间的消除温度分层效果，结果表明小直径高转速风扇仅对风扇正下方的小范围起作用，而HVLS风扇无论是在额定转速还是额定转速的一半运行时，作用范围都明显更广，且对消除整个空间的温度分层作用更大，使房间温度分布更加均匀，如图2。而Bitopan Das等学者在文献[18]中对高速风扇（500r/min）和HVLS风扇（90r/min）作对比，也能得出相似的研究结果，发现HVLS风扇在覆盖范围与均匀性具有更优的效果，模拟结果如图3。

图2 模拟流场情况Fig.2 Flow field simulation

图3 HVLS风扇和高速风扇在距地1m高的风速轮廓图Fig.3 The air speed profile of HVLS fan&high-speed fan at1m above the ground

为了达到风速小而作用范围大的效果，HVLS风扇在结构上的重要特点就是大直径和低转速。但目前市场上对于HVLS风扇仍没有严格地定义，大多数厂家将HVLS风扇直径设置在2.1～7.3m，转速一般在25～125r/min，转速比一般吊扇低。而功率范围在0.1～1.5kW。现有非等效采用IEC60879：1986《环流电扇及其调速器的结构和性能》的国家标准GB/T 13380-2018《交流电风扇和调速器》[19]，其虽然没有明确规定吊扇的最大直径，但其规格上限设定为直径1800mm。为了将HVLS风扇与传统吊扇区分开来，2020年，由中国机械工业联合会牵头组织制定了行业标准JB/T 13889-2020[20]，并将该风扇名称统一为“工业吊扇”，指直径大于1.8m的吊扇，为该风扇的市场和技术发展奠定了基础。

虽然HVLS与传统吊扇相比，主要体现在大直径和低转速两个基本特征。但如何能在低转速情况下产生比较大的风速和风量，噪声又小，并保持较高效率，并不是将传统吊扇直接加大直径、降低转速这样简单容易，需要在结构设计上，打破原有传统吊扇的技术思维，在许多方面寻求新的突破。

2 HVLS风扇扇叶形状及气动特征参数研究进展

2.1 扇叶断面形状

传统吊扇从加工成本角度考虑，大多数叶片截面是平的或是弯曲的，而截面平直的叶片容易在吊扇运行时产生失速现象，使输入功率的很大一部分在湍流中耗散掉；而弯曲截面的叶片相对平直的叶片来说，可以适当减少压力阻力，增加升力[11]。与传统吊扇叶片比较，HVLS风扇大多会设计成翼型扇叶，其具有更好的空气动力性能，能够产生更大的推力，推动更大体积的空气，并且速度分布均匀。T.M.I.Mahlia等学者通过实验和模拟对Gilbert Morris-15（GM15）翼型扇叶（如图4）和传统平直型扇叶的性能进行了评估[21]。在实验测试中，采用铝板预制翼型扇叶和平直型扇叶，测量扇叶下方1.2m的位置，测量得出该平面风扇所产生风量。并定义风扇的性能系数为风量与输入功率之比，通过性能系数COP来评估吊扇性能。结果显示，由实验测量得出（如表1和2）：GM15翼型叶片的COP为2.85（m3/min/W），而普通吊扇叶片的COP值为2.74；数值模拟得出GM15翼型叶片的COP值为3.4,常规吊扇叶片的COP值为2.43。研究发现无论在实验测试还是数值模拟中，在输入功率相同时，翼型叶片产生的风量更多，从而判断GM15翼型叶片比传统叶片表现出更好的性能。

表1 GM 15翼型风扇的平均COPTab.1 The average COP of fan with GM 15 airfoilblade

图4 Gilbert Morris-15（GM15）截面翼型图Fig.4 Airfoilsection of Gilbert Morris-15（GM 15）

表2 传统风扇的平均COPTab.2 The average COP of conventional fan

但即使是翼型截面，也有不同的截面几何参数。截面几何参数不同，其性能也就不同。Mohammad Moshfeghi等学者对三种不同翼型进行数值模拟，分析不同翼型吊扇流场[22]。该三种翼型为NACA5414、6413和7415（如图5）。通过CFD模拟直径为6m的吊扇在24×24×18（m）的房间流场。结果显示如表3、表4，翼型扇叶所受的升力大小和吊扇产生扭矩、HVLS风扇所生成风量成正比。在三种翼型中，NACA7415翼型的HVLS风扇所产生的升力最大，所需扭矩也最大，而且吊扇体积流量最大，并在0.1、1.1、1.7m高度的平均流速均最高。所以对于不同的翼型，尽管在相同的冲角情况下，也会产生不同的能效。Widad Yossria等学者采用CFD研究翼型尺寸对于涡轮机气动性能的影响[23]。文中模拟了NACA0012、NACA0015、NACA4412和NACA4415四种翼型扇叶的性能，通过计算升力系数、阻力系数和升阻比来判断出NACA4412翼型扇叶性能最好，但计算得NACA4412的耗功也最大。并且研究了NACA4412翼型不同扇叶长度的影响，得知随着叶片长度的增加，扇叶的应力量级也增大了。

图5 文献[22]研究的翼型截面图Fig.5 Airfoilsecti on studied in reference[22]

表3 不同翼型的HVLS风扇性能比较Tab.3 The performance comparison of HVLS fans with differentairfoils

表4 不同HVLS风扇在不同高度的风速Tab.4 The wind speed ofdifferent HVLS fans at differen the ights

为了得到更好的吊扇性能，产生更大的空气流量和覆盖面积，翼型扇叶形状不断地得到了改变。在2005年，Aynsley RM利用两个椭圆相交线作为翼型上下面设计出一种翼型扇叶[24]。张佳伟对翼型厚度影响翼型气动性能进行研究[25]，结果表明在小攻角时，在较小厚度的翼型时，升阻比较大；而在较大的攻角时，增大翼型厚度可以改善翼型流动特性。

2.2 扇叶倾斜角和冲角等角度的研究进展

扇叶叶片倾斜角是指叶片翼展方向与垂直于旋转轴的平面之间的夹角，与主气流方向相同的倾斜角为负倾斜角，与主气流方向相反的倾斜角为正倾斜角。扇叶倾斜角对叶片的性能影响很大，在负倾斜角时会产生具有明显涡流的狭窄射流，能够使风速达到更大范围；而正倾斜角的风量较大，风速较为均匀[26]。Muhammad Aaqib Afaq等学者[27]在实验室对风扇的测量实验并通过数值模拟了在0°～10°范围内的八个扇叶倾斜角的吊扇流场。结果显示如图6，6°与10°扇叶倾斜角均具有较高的能效，即在相同扭矩下产生的空气流量较大。10°倾斜角的扇叶具有较小的扭矩，但是其产生的风量也相对较少，而6°倾斜角能在扭矩一定的情况下产生最大的风量，具有最大的能效值。

图6 文献[27]中对于不同叶片倾斜角的吊扇的体积流量、扭矩和能效值的对比情况Fig.6 Comparison of volume flow,torque and the energy efficiency ofceiling fans with different rake angles in reference[27]

扇叶叶片冲角是指叶片进口气流方向与叶片进口中弧面切线方向的夹角。叶片的冲角是影响HVLS吊扇性能的重要因素。若翼型扇叶的冲角取值太小，未能达到较好的翼型的气动性能，导致吊扇效率低下；若翼型扇叶的冲角取值太大，则会产生失速现象，使气流能力损失严重，吊扇性能下降[28]。Swaroop MP等学者通过数值模拟研究对比四个叶片冲角对风扇风速的影响[29]，结果表明8°的平均风速最大，但是该文章没有对比四种叶片冲角的吊扇功耗情况，因此没有办法很好的判断不同叶片冲角的性能。E.Adeeb等学者采用数值模拟、设计实验和响应面法对叶根冲角和叶尖冲角等参数进行研究与优化[30-32]。在叶根与叶尖处分别设置了6°和12°两个等级的扇叶冲角来进行数值模拟分析。模拟得到在不同冲角情况下风扇的体积流量、扭矩和能效，见表5。由此可见，叶根与叶尖冲角均对风扇的体积流量、扭矩和能效产生重要的影响，而叶尖冲角的影响更加明显。Widad Yossria等学者采用CFD方法模拟了NACA0012、0015、4412和4415四种翼型在不同冲角下的性能[23]，其不同冲角下的升阻比如图7所示，可以看出冲角对翼型的升阻比影响很大，而且不同翼型的最佳冲角值各不相同，但该四种翼型的最佳冲角均集中在3°～5°之间。

表5 不同叶根冲角与叶尖冲角情况下的参数对比表Tab.5 The comparison of parameters of ceiling fan with differentattack angle of blade root and tip

图7 翼型NACA0012、0015、4412和4415在扇叶冲角为0°～8°内的升阻比Fig.7 The lift-drag ratio ofNACA0012、0015、4412 and 4415 airfoil with 0°～8°attack angle

Mustafa Serdar Genç等学者通过实验测试NACA4412翼型在低雷诺数时的失速特性[33]，采用自动计算机控制力测量系统分别测试了该翼型在雷诺数25000、50000、75000情况下随着冲角增加时的失速现象。测试结果得到，翼型NACA4412在雷诺数为25000时，产生失速现象的冲角为12°，在雷诺数为50000时，产生失速现象的冲角为16°，在雷诺数为75000时，产生失速现象的冲角为18°。然后采用烟气线显示流场情况，分别在雷诺数为25000、50000和75000的流场中观察翼型在不同冲角情况下的流场情况，发现在雷诺数为25000时，分离气泡较为明显，当冲角从8°增加到12°时，分离气泡先前缘移动；而在雷诺数为50000和75000时，失速现象分别明显产生在冲角为16°和19°时。两种方法均测得产生明显失速现象的冲角会随着雷诺数的增大而增大。因此对于HVLS风扇的翼型扇叶需合理设置扇叶冲角，避免在高转速或者转速较大时产生失速现象。Oleson R A等人发明了一个可以在轮毂与翼型扇叶之间贴合安装的配件以改变扇叶冲角[34]。在不同的风扇转速情况下，配对不同型号的配件，以使风扇能够达到较好的运行工况，避免失速现象产生。

2.3 翼型扇叶叶尖小翼研究进展

叶尖小翼是设置在叶尖末端的附加件，有的会使用弯曲端盖替代，其目的是增加向下气流量，稳定空气流动，消除叶尖紊流[5]。根据翼型绕流理论，若在翼型叶片的叶尖处不设置叶尖小翼，则在叶尖处会产生强烈的涡流，并且会引起噪声。这些涡流的形成是空气从较高压力的叶片下表面流向较低压力的叶片上表面，绕着叶尖运动而形成如图8（a）所示的涡流[4,11]，而这些涡流的形成会大大影响翼型叶片的推力和压差分布。在叶尖处设置叶尖小翼能够很好减弱叶尖涡，如图8（b），小翼有助于维持叶片两侧的压差，从而提高叶尖附近表面的气动效率，提高HVLS风扇的性能，而且能降低噪声。

图8 有无叶尖小翼时的叶尖涡流情况Fig.8 Tip vortex without(a)orwith(b)tip winglets

Aynsley RM等人发明了一个翼型扇叶的叶尖小翼，垂直安装于扇叶叶尖，改善扇叶的空气动力，以提高风扇效率[35]，该专利中对比了14英尺直径的HVLS风扇是否带有该小翼的不同转速下的性能，结果对比如表6和表7，明显发现安装了叶尖小翼的HVLS风扇的能效更高。而且显示出在一定转速下，有叶尖小翼时能够大大提高HVLS风扇能效，在转速为37.5r/min时，两种情况的能效差最大，为14m3/（min·W）。而在某些转速下，提升能效的效果不明显，在75r/min时，提升能效不到1m3/（min·W）。

表6 无叶尖小翼的14英尺HVLS风扇性能Tab.6 Performance of the 14ftHVLS fan with non-tip winglets

表7 有叶尖小翼的14英尺HVLS风扇性能Tab.7 Performance o f the 14 ftHVLS fan with tip w inglets

Oleson RA等人发明了斜角翼配件，可以插入翼型扇叶的叶尖处，改善气流控制，以提高HVLS风扇的效率[36]。Mohamed Khaled等学者对于小型水平轴流风机叶尖小翼的长度与倾角进行实验与数值模拟分析[37]，并用人工神经网络对小翼长度与倾角进一步优化。模拟得出叶片半径长度的6%和7%的压力系数和推力系数较好。当小翼为45°倾角比90°倾角在越靠近叶尖处的压差更大，说明45°倾角比90°倾角的风扇性能更好。利用人工神经网络进一步优化后，发现小翼长度在叶片半径的6.32%，倾角为48.3°时性能最优。A.Farhan等学者通过数值模拟研究两种不同的叶尖小翼（矩形与椭圆形）对风机性能的影响[38]。研究结果表明，长度为15cm，倾角为45°的小翼结构表现出性能最佳，而S809翼型矩形小翼对NREL六相旋翼性能的提高效果最好。Tian-tian Zhang等学者对垂直轴风力机翼型叶片的叶尖小翼进行数值研究[39]。对小翼的六个不同的参数采用正交试验设计，用功率系数评价不同参数对性能的影响。研究结果表明，小翼的扭角对功率系数影响最大。在三种TSRs模拟中，小翼最大提高相对功率系数能达到10.5%。

但增加小翼并不总使风扇的性能增加，不合适的设计反而还会使性能减小。Michael Danielsson对10叶与6叶HVLS风扇在有无叶尖小翼情况下测量风扇的推力和扭矩，对比发现小翼在某些转速情况下，能够提高吊扇性能，而在部分情况下没有小翼的吊扇性能更好[40]。

2.4 HVLS风扇叶片数量研究进展

HVLS风扇的设计过程中，扇叶实度是一个重要的影响因素，它决定着吊扇所能产生的体积流量，直接影响HVLS风扇的性能。扇叶实度定义为叶片所占面积与叶片所扫过面积的比值[11]，影响HVLS风扇的扇叶实度的参数有风扇直径，叶片宽度和叶片数量。在一定直径的情况下，可以通过增加叶片数量在提高风扇扇叶实度，从而提高吊扇性能。因此，了解叶片数量对于HVLS风扇性能的影响，对HVLS风扇的设计有着关键的作用。

文献[5]对叶片数6和10的不同直径的HVLS风扇风量进行研究，测试得出风扇风量如表8，明显比较出六叶比十叶的风量大，而且当扇叶数量减少到6片，这样HVLS风扇的重量减少了接近40%，从而降低了扭矩，可以延长HVLS风扇的寿命。

表8 六叶与十叶HVLS风扇风量对比Tab.8 Comparison ofair volume between six-blade and ten-blade HVLS fans

Ehsan Adeeb等学者采用数值模拟的方法，对比了2～6片扇叶数量的传统吊扇的体积流量、质量流量、扭矩和能效[41]。结果显示六叶式吊扇的体积流量、质量流量和扭矩均最大，双叶式风扇的体积流量、质量流量和扭矩均最小；但从能效来看二叶式风扇能效最高、六叶式风扇能效最低，因此建议风扇使用三叶式或四叶式风扇，能保证一定体积流量的同时，不会产生较大的扭矩。Mohammad Moshfeghi等学者对采用冲角为13°的NACA7415翼型扇叶，直径6m的吊扇进行关于扇叶数量对性能影响的数值模拟研究[22]。研究结果如表9，随着扇叶数量的增加，HVLS风扇的升力、扭矩和体积流量均增大，显示六叶式吊扇所形成的体积流量最大，但扭矩也最大，而五叶式吊扇表现的性能最佳，因为在相同扭矩情况下，产生的体积流量最大。

表9 采用冲角为13°的NACA7415翼型扇叶的HVLS风扇不同扇叶数量的性能对比Tab.9 Comparison of performance of HVLS fans with differentnumbers of blades of NACA7415 airfoilblades with an attack angle of13°

3 HVLS风扇叶片材料及结构研究进展

扇叶材料会直接影响扇叶的强度，若扇叶强度不够，在吊扇转动时扇叶有可能发生强烈抖动，甚至会断裂等，涉及到安全问题。而在规范UL507[42]中规定玻璃、中密度纤维板不能作为吊扇叶片材料，聚合物叶片有相应的温度、湿度使用要求等。在国家标准JB/T 13889-2020[20]中对扇叶材料的要求是需符合相关材料对应的标准要求，若无相应标准的材料应给出化学成分、力学性能和实验要求。

目前国内外大多数厂家仍采用航空铝材作为扇叶材料，而有少部分厂家会采用新型复合材料。文献[28]认为，常用的6063铝合金非常适合作为翼型扇叶的材料，该材料具有中等强度，良好的冲击韧性、热塑性、抛光性、着色性，和优良的焊接性、抗蚀性，并且目前有多种提高强度的工艺，如加工强化、固溶强化和细晶强化，均可以一定程度的提高扇叶的强度，保证吊扇的安全与性能。目前大部分厂家通过模具挤压成铝合金翼型扇叶，为了达到更好的吊扇性能，而且为了进一步提高扇叶强度，在空心的翼型结构中增加了强筋，避免叶尖处严重下垂等。

与传统的铝合金扇叶相比，复合材料的扇叶由多层纤维与材料制成，质量更轻，强度更大，受湿度和腐蚀性气体影响更小[7,43]。Amazing Comfortson S等人研究一种由玻璃纤维增强的复合物材料制作扇叶，并于传统的铝叶片的质量、电费、空气流速做对比[44]。结果可知，复合材料叶片质量比铝叶片轻27.5%，并且年运行电费节省了26%，而且成本还节省了28%。，并在地上0.5m处测量风速，发现复合材料叶片风速比铝叶片风速大15%，但是该文章没有清晰描述关于风速的测量情况。

Priyanka Dhurvey等人分别对不同材料的扇叶性能进行研究[45]，该文章对钢、铝、GFRP复合材料和PVC材料四种不同材料扇叶性能系数进行分析计算。扇叶模型采用的是GM-15翼型，使用Creo Elements/Pro5.0进行对吊扇建模并用ANSYS进行流场计算分析。采用MATLAB计算不同材料的性能系数COP（即空气体积流量与耗能的比值），随着速度的变化而变化，结果可得：随着空气速度的增大，COP也增大，使用不同材料扇叶的COP增大顺序是PVC材料＞复合材料＞铝＞钢。而由ANSYS分析得出了不同叶片材料风机在气动力作用下的应力分布和挠度，其中应力依次递增为：PVC＜复合材料＜铝＜钢，挠度依次递增为：钢＜铝＜复合材料＜PVC。对比了不同材料的耗电量，其中使用PVC作为扇叶材料是耗电量最少，电费最少的。因此采用PVC质量轻，机械强度好，耗电少，省电省钱，有利于吊扇叶片的选材设计。

4 HVLS风扇的电机研究进展

传统的吊扇通常使用单相感应电机[46]和交流感应电机。感应电机虽然耐用、容易生产和便宜，但是有明显的缺点是功率因数低、效率低、脉动转矩差，从而导致整机性能不佳。目前国内厂家大多数采用同轴齿轮减速机、永磁同步电机等作为HVLS风扇电机。潘旭光认识到目前市场上的工业吊扇配套的交流异步电动机存在功率低下，调速性能差、体积大、质量重等问题，因此，研发了一种与工业吊扇配套的外转子永磁同步电机[47]。低速外转子永磁同步电机省去了以往电动机的传动装置，缩小了电机体积，降低了噪声，提高了电机效率，进一步优化了工业吊扇的性能。李朝全发明了一种用于工业吊扇的永磁直流电机，更好的克服了以往电机承受工业吊扇在轴向载荷时的磨损和轴承容易损坏的问题[48]。

每种电机都有各自的优缺点，为了进一步提高吊扇性能，需对不同吊扇电机的改进设计与仿真模拟优化等研究。Nor R等人研究了马来西亚HVLS风扇的电机发展情况，主要研究对比了小型吊扇使用的单相感应电机，永磁电机，无刷直流电机和横向磁通电机四种吊扇电机的优缺点[46]，如表10。

表10 HVLS风扇电机的应用Tab.10 App lication of HVLS fanmotor

Hasnul Zickry Hashim提出一种可以发电的永磁吊扇电机，吊扇的电机部分发挥吊扇的正常功能，而增加的发电机系统则将转动叶片所浪费的转动动能转化为电能[49]。通过对电机模拟仿真，以观察和研究电机的磁通分布特性，包括旋转固定磁通以及由电机产生的反电动势。模拟模型的通量分布规律符合预期的通量特性，反电动势产生的趋势具有良好的特性，需要调整。优化设计得分流比优化为0.52和极螺距比优化为0.5。Anchal Saxena根据感应电机吊扇用永磁无刷直流电机叶片的转矩-转速特性，推导出了吊扇用永磁无刷直流电机的规格，并提出了两种采用结合钕铁硼和铁氧体磁体的设计方案，还比较了两种设计的成本和性能[50]。结果显示两种电机在相同的输出功率和速度下，虽然钕铁硼电机为铁氧体磁体电机质量的68%，而成本为铁氧体磁体电机的1.28倍，但是两种电机效率相当。D.Ishak等学者通过直流试验、堵转子试验和空载试验对一种永磁分体式单相感应电动机的参数进行了研究，并据此对电机的转矩-转速特性进行了估计[51]。用二维有限元法对电机进行仿真，并进行了堵转试验和空载试验。试验表明电容值越大，起动转矩越大，则额定负载下运行效率更高，但是需要的成本更高和电机体积更大，需衡量。N.F.Zulkarnain等学者对采用单转子双定子结构的永磁同步电机（PMSM）进行优化设计[52]，通过分析开路磁通分布、气隙磁通密度和反电动势，对5种不同分流比和极距比的优化设计方案进行了有限元分析，预测了设计方案的性能。结果表明，气隙半径改变通过定子铁心的磁通量，影响磁通分布、气隙磁通密度和反电动势，所有分流比设计对气隙磁通密度和反电动势都有良好的性能。反电动势的平均值随着南北弧长的变化而减小，气隙的磁通分布呈波动趋势。从仿真结果来看，在气隙磁通密度、反电动势和齿槽转矩效应方面，分流比和极距比的最佳值分别为0.52和0.5。Utkarsh Sharma等学者提出了提高吊扇单相感应电机(SPIM)效率的设计方案，以适应修订后的印度标准(374)和印度BEE的星级评定[53]。设计过程中发现影响电机性能的关键挑战包括:保持气隙、可变槽填充系数、增加电机惯性以及修改叶片以保持扫掠尺寸不变。用IS 374建立的方法对样机的电气参数和空气输送进行了测试，结果显示与现有吊扇相比，所有设计出的原型都具有更高的服务价值。

5 关于HVLS风扇的若干研究课题探讨

从前面有关风扇扇叶主要结构参数、扇叶材料以及风扇电机，尤其是有关扇叶主要结构参数的国内外研究进展中可以看出，现有的研究大多集中在对风扇风量和耗功的研究上，尤其是集中在无扭曲平直翼型扇叶断面参数的研究上，并取得了有关断面几何参数、倾斜角、迎风角、小翼以及叶片数量等重要参数的优化成果。但这些研究，大多属于吊扇性能的通用研究。针对HVLS风扇特殊用途和结构形式的研究，目前相对较少，而很多吊扇通用的研究成果并不适用于HVLS。要对HVLS进行研究，就要紧紧抓住其特点，并可重点从以下几方面入手：

1）提高风扇作用范围内风速均匀性的研究

从图1可以看出，目前HVLS风扇设计仍不能在风扇覆盖范围内达到较好的风速均匀性。尽管在风扇直径下的覆盖范围内，风扇中心位置的风速较低，而叶尖周围的风速较高，并且远离风扇的直径覆盖面积后，风速就明显下降。这主要是由于HVLS风扇扇叶普遍采用无扭曲平直扇叶所致。

为了避免出现和普遍HVLS风扇一样，风扇中心无风或风速很小情况，某些企业的HVLS风扇采用扭曲式倾斜翼型扇叶[54]方式，使HVLS风扇能更加高效持续的保证一定的风速。而Kersten Schmidt等学者在2001年设计了一种叶片冲角随着叶片长度变化而变化的气动形叶片[55]。经测试风扇叶片下方1m位置的风速，发现使用该类型扇叶的吊扇相比传统吊扇在风扇中心的风速明显提高，且与最大风速相近，无明显的中心无风现象。而为了对HVLS风扇翼型扇叶进行扭曲，提高铝合金材料扇叶性能，刘发[56]通过对常见的6061铝合金材料的HVLS风扇扇叶进行扭转工艺进行研究，是基于预扭转下的拉伸成形和应力松弛时效成形工艺技术，并通过模拟翼型扇叶不同扭转角下不同拉伸情况的应力分布，对今后翼型扇叶的扭转工艺生产有十分重要的参考价值。研究扭曲翼型扇叶，提高HVLS风扇作用范围内的风速均匀性，这将是HVLS风扇在未来的一个重要的发展方向。

对于冬季使用HVLS风扇，由于人们对低温时的风速接受值更小，这就要求风扇所提供的速度更低和更均匀。有学者研究发现[3,16]，吊扇反转运行时，室内空气流速分布较为均匀。利用HVLS风扇反转功能能够在冬季将分层空气混合在一起，形成一个统一且均匀的流场，能够有较好的温度和风速均匀性[4]。但是，为了达到较好的向下吹风性能，常规的叶片设计均为弯曲叶片，这会使风扇反转时的风量大幅度减少[16]。因此提高风扇反转的性能，会影响风扇正转时的性能，需要对反转时扇叶的冲角和翼型做进一步的研究。国外已有企业对此进行研究，并已生产出产品[43]，但其效果尚需进一步提高，而国内很少对此研究设计。为了使HVLS风扇在反转运行时达到更好的风速均匀分布效果，需要了解更多关于翼型、扇叶冲角和风扇正反转之间的关系，衡量扇叶正反转时的性能，是未来的一个研究方向。

2）提高风扇作用范围的研究

由图1可以看出，对传统吊扇来说，增加吊扇转速便可以明显提高作用范围，但在风扇直径下方的覆盖范围内，风速过大，且最大风速在风扇半径内，具有明显的收缩现象，使风扇的作用范围较小，且有较大的不均匀性。相较于传统的吊扇，HVLS风扇的作用范围已经有了很大的提高，并且均匀性较好，但还需要在保证一定流场均匀性的前提下，进一步研究提高风扇的作用范围。

但如前所述，Muhammad Aaqib Afaq等学者研究发现[27]，选取适当的扇叶正倾斜角，能够大大地提高风扇风量。Aynsley等学者描述到[26]，扇叶采用正倾斜角，能够使风扇覆盖更大面积。这是提高风扇作用范围的一个重要手段，值得研究者以此来研究优化。另一个值得研究的是风扇小翼。从前面的论述中可以看到，小翼可以减小叶尖涡流，增加风量并减小噪声。但国外某些厂家通过对叶尖小翼效果的进一步研究发现，小翼还可使风扇覆盖面积大大提高，有的甚至28%以上[58]。但目前各学者对小翼在这方面的研究相对较少，这就需要进一步合理分析叶尖小翼的作用，对叶尖小翼的形状、结构、尺寸、材料等进一步的研究，设计一种HVLS风扇普遍使用的小翼，其运行时能够起到提高HVLS作用范围，且能效范围较好。

3）风扇叶片振动对疲劳应力的影响研究

当吊扇进行周期旋转运动时，非定常气动载荷、旋转产生的离心力和转子的不平衡等原因都会导致叶片振动，而叶片振动会使叶片产生周期疲劳，使用一段时间后，有可能导致叶片断裂甚至产生严重安全事故[59]。而且随着叶片的长度增加，在叶片振动的影响下，叶片的单位长度疲劳载荷也增大，尤其是在叶尖处，疲劳载荷变化较大[60]。除了对风扇结构产生影响之外，扇叶的振动和变形也会大大影响扇叶的气动性能[61]。HVLS风扇的叶片比传统吊扇的叶片较长，因此在承受振动的情况运行时，产生较大的疲劳载荷。为了减少扇叶振动对HVLS风扇产生的影响，主要应对叶尖小翼和叶片材料两个因素展开进一步的研究。

对于翼型扇叶叶尖小翼，大量的研究表明，小翼有助于维持叶片两侧的压差，从而提高叶尖附近表面的气动效率，提高HVLS风扇的性能，而且能降低噪声[62-64]，减少振动[64]。但从现有的研究结果来看，人们在HVLS风扇领域中对小翼的研究尚不十分完善。若部分叶片的小翼设计不当，反而会应使风扇的性能下降，设计人员需要进一步了解小翼对于HVLS风扇的特殊影响。

扇叶的材料对扇叶的强度具有重要的影响，进而会影响到扇叶的振动大小。但从前面的研究结果可以看出，现有对扇叶材料的研究大多集中在扇叶送风性能上，对其振动影响的研究非常之少。复合材料具有优越的性能，在一些其他的领域中，人们已经有将复合材料叶片与金属叶片的振动与载荷情况进行研究[64]。HVLS风扇扇叶可以考虑使用新型材料，这将是HVLS的一个重要的研究方向。

扇叶与风扇轮毂之间的联接结构：一方面是产生结构不平衡的一个重要因素，另一方面是产生疲劳应力的集中部位。目前这方面的研究比较少，仅有的公开发表的文章[65]主要考虑在叶片与轮毂之间增加聚合物材料和悬臂弹簧等结构，以达到减振减噪的作用。但该研究并未对其设计的机理作深入的分析和实验，缺乏科学的数据，今后可以在这方面进一步研究。对于影响扇叶性能的扇叶刚度和振动频率的研究，目前均未见到公开发表的文献。这是未来的一个不可忽视的研究方向。

4）夏季HVLS风扇对高大空间温度分层的影响研究

HVLS风扇在使用时，由于循环作用，能够一定程度上消除温度分层的情况，这对冬季而言是有益的，但在夏季反而会带来不良的效果。在高大空间的夏季环境下，高度方向上的温度有较大的差异，高温气流处于高处位置[57]。当吊扇运行时，风扇会将空间上方较热的空气带到人们的活动区域，使该区域的温度上升，使部分人员舒适性降低。那么应该如何对HVLS风扇进行优化设计，使其吸入的空气尽量来自活动区域，减少HVLS风扇在夏季对温度分层的消除作用，变成为使HVLS风扇的作用效果更优的一个重要的研究内容。

6 结论

HVLS风扇从上世纪90年代就开始出现，发展至今，已经得到越来越多市场的认可。其不但可以用于一般的空气循环使用，更重要的是可以和空调系统结合使用，减少空调工程建设费用，显著降低空调系统的运行成本。国内外许多学者和工程技术人员已经对该类型风扇的各方面性能有一定的研究，但仍有许多科学和技术问题，需要进一步去研究和优化，使其能在更大程度上，为节能减排做出贡献。