离心风轮的风叶与轮毂夹角对风机流动特性和性能的影响

钟志尧

(广东美的制冷设备有限公司)

离心风轮的风叶与轮毂夹角对风机流动特性和性能的影响

钟志尧

(广东美的制冷设备有限公司)

通过调整离心风轮风叶与轮毂之间的夹角，验证优化不同参数下的离心风轮的风量、电机功率、噪音的可行性分析以及相对应的试验验证，通过实验的验证对比，获得离心风轮的风叶与轮毂夹角对风量、噪音、功率的函数曲线以及最优的参数组合。

离心风叶；风量；噪音；电机功率；能效

1、前言

目前，在市场上常用的风管机的风机大部分都是采用塑料材质的离心风叶和蜗壳，而在这其中，离心风叶的参数对风机的性能特性起到决定性的作用，在这些参数中离心风叶与轮毂的夹角的变化会对风机的风量、噪音以及电机功率等都会产生相应的影响，而这个影响的研究，在当前行业的研发制造过程中仍为空白，近些年来，由于流体力学和计算机技术的发展，通过流体力学仿真模拟分析离心风机机组内部流体流动的主要手段，但是，由于离心风机机组的内部结构较为复杂，通过软件进行三维流动数值模拟时，都是通过对离心风机机组建立理想的数学模型并通过一系列的假设条件下分析得出的结果，并且将流体简化为三维、不可压缩、稳态、湍流的物理过程，环境温度为稳定的27℃等一系列假设性条件下并通过连续性方程、能量方程、动量方程所计算得到的；不仅如此，对离心机组进行仿真分析时的网格数和需计算数的巨大对计算机的性能要求较为苛刻，一般的计算机无法满足计算的需要，最后，由于实验环境中不可控因素的影响，仿真结果与实际的测试数据会有较大的差别[1-3]。一般而言，风机的噪音和电机功率与风量的大小成正相关。为了兼顾风量、噪音[4]、电机功率等，可通过设计不同的风叶与轮毂的夹角，通过实验验证并寻求这一夹角的变化对风量、噪音、电机功率等的关系曲线，以获得合适的角度并提高风机的能效比并进一步完善离心风轮的理论分析。

离心风机的结构如图1所示，在本文中，主要考虑离心风叶与风轮轮毂夹角β（图2）对机组的风量、噪音和电机功率的影响。

图1 离心风轮

图2 风叶与轮毂夹角β

图3 风量、电机功率、噪音测试工装

采用JMP软件对该探索性实验的数据进行处理分析，同时，运用六西格玛原则，进行DOE实验设计，通过测试得到的数据，构建角度β和风机流动特性和性能之间的统计回归方程，深入的探索角度β对离心风机机组的风量、噪音以及电机功率的影响以及影响趋势的分析。

2、制定实验方案

在本次试验中，我们通过采用角度β分别为28.4°，30.4°，32.4°，37.4°的离心风轮，安装在如图3所示的离心风机机组，测试同一风轮，不同转速机组的风量、电机功率；不同风轮、相同转速的噪音等，综合比较分析角度β对离心风机性能参数的影响。

2.1 确定实验标准

本文的实验数据的测试也是一个通过测得的数据经过数据处理分析、完善方案设计以改善实际生产制造的过程，因此我们需要根据一定的标准对实验获取的数据进行评估确认。在此，为了判断在实验过程中采用的噪音测试实验室和风量测试实验机组能否满足公差比（%P/T）＜30%的要求，我们通过采用ISO/TS16949质量管理体系中的MSA工具（测量系统分析）得出了实验所采用的实验机组的%P/T。

2.2 确定实验内容

完成实验机组的MSA分析后，根据JMP软件制定DOE实验设计方法，对比研究离心风叶与轮毂夹角β对离心风机性能参数的影响，并根据回归线性原理，为以后的风轮设计提供理论依据。

2.3 确定风量的MSA系统方案

本实验中，采用GB/T1236-2000，GB/T7725-20 04作为风量测试的标准；选择的风量测试机组为FG3.5(I)，3 H P焓差室，风机转速为8 0 0 r m p，750rmp，700rmp，650rmp，600rmp，调节电机转速后，需要等待系统稳定，在本试验中采用的稳定时间为10min。测试初始，对机组进行一些必要的设定：控制静压要求为0 Pa，机组喷嘴压差波动范围为180-350Pa，根据预测的风量大小，选择Φ100的喷嘴。不采用任何其他的风道，直接将测试仪器连接到风量测试机组，并采用密封胶带将其完全密封。

初次启动仪器时，需要等待测试数据稳定后，才能开始记录数据，在本实验中所需的稳定时间约为30min。在数据记录系统中，风量、电机功率、静压、喷嘴压差、电压、电流、温度等数值的采集区间系统稳定后5分钟，最终得到的实验数据是所采集数值的算数平均值。风量测试的实验记录表如表1所示。

表1 风量测试数据记录表（空白）

2.4 确定噪音的MSA系统方案

采用GB/T6882-2008，GB/T7725-2004，GB/19606-2004作为噪音测试的标准，在配备有调节电源电压的装置以及B&K频谱分析仪的半消音室中进行噪音测试，采用的噪音机组为【BK】FG3.5(I)，测试风轮在不同转速中的噪音值，为了与分量数值相对应，采用与风量测试相同的转速，测试环境的温度为27℃，相对湿度为60%，使用精度等级为1级的麦克风，噪音量程为16～120dB，麦克风中心位置放置于出风口中心点下方0.8m左右的位置，噪音数据的采集区间为10s，重复测试之间的时间间隔小于5s，由于半消音室中的噪音是时刻变化着的，因此，重复测试时不应间隔太长时间，使得各次测试之间相互独立，不互相干涉。噪音测试的实验记录表如表2所示。

表2 噪音测试数据记录表（空白）

图4 风叶与轮毂夹角β=28.4°的离心风轮的风量、电机功率、噪音测试数据

图5 风叶与轮毂夹角β=30.4°的离心风轮的风量、电机功率、噪音测试数据

图6 风叶与轮毂夹角β=32.4°的离心风轮的风量、电机功率、噪音测试数据

图7 风叶与轮毂夹角β=37.4°的离心风轮的风量、电机功率、噪音测试数据

3、实验测试结果及分析

风叶与轮毂夹角β为28.4°，30.4°，32.4°，37.4°的离心风轮的风量、电机功率、噪音等测试数据分别如图4、图5、图6、图7所示。为了更好的比较不同角度β的离心风轮对风量、电机功率、噪音等的影响，我们采用同一转速（700rmp）的测试数据进行对比分析，具体结果如图8所示。

从角度β为28.4°，30.4°，32.4°，37.4°的离心风轮的风量、电机功率、噪音等的测试数据中我们可以看出，离心风轮的风量、电机功能、噪音等与转速呈现正相关的关系，其中，电机功率受转速的影响最为明显，而噪音曲线则随着转速的增多显得上升较为平缓，而风量的大小受转速的影响程度介于电机功率和噪音之间。在满足需要的风量的前提下，应尽可能降低风轮转速，这可以较大程度的降低电机的功率，提高空调的整体能效。

通过转速为700rmp时，不同角度β的风量、电机功率、噪音曲线的对比中我们可以看出，不同角度β的风量关系为：β=37.4°＞β=28.4°＞β=30.4°＞β=32.4°；

不同角度β的电机功率关系为β=28.4°＞β=30.4°＞β=37.4°＞β=32.4°；

不同角度β的噪音关系为β=37.4°＞β=28.4°＞β=30.4°＞β=32.4°。

4、结论

根据测试数据的分析可以得出，在同一转速的情况下，风轮风叶与轮毂夹角β=37.4°时的风量优于其他的风轮，比β=32.4°大了约30m3/h，同时功率却小于β=28.4°和β=30.4°的风轮功率；较大的风量以及较小的电机功率，能有效提高空调的能效，减低空调的功耗，使得空调更加环保节能。

图8 转速为700rmp,不同角度β的离心风轮的风量、电机功率、噪音数据对比

[1]Alder D，Krimerman Y. On the Relevance of In- viscidSubsonic Flow Calculations to Real Centrifugal Impeller Flow[J].ASME Journal of Fluids Engineering，1980，102：728 - 737.

[2]王企鲲，戴韧，陈康民.离心风机梯形截面蜗壳内旋涡流动的数值分析[J].工程热物理学报，2004，25：66- 68.

[3]李晓丽，楚武利，谢芳.防涡圈对离心风机性能的影响[J]. 机械科学与技术，2011，30(7)

[4]吴昌，赵军，赛庆毅.房间空调器噪音的产生及防范[J].机械研究与应用，2011，06：34-37

The Effect from the Angle between the Blades and Hub to the Flow Characteristics and Performance of Centrifugal Fan

Zhong Zhirao
(Guangdong midea refrigeration equipment co., Ltd）

Adjust the angle between the blades and hub, verify and optimize the air volume, motor power and noise of the centrifugal fan under different parameters and the corresponding test.Through the experimental contrast, we can know how the angle between the blades and the hub influence the air volume, noise, motor power. Finally, we can obtain the best parameter combination.

Centrifugal blade; Air volume; Noise; Motor power；Energy Efficiency