双离心风轮在离心风道中的研究及应用

摘要：本文提出双离心风轮结构在离心风道系统中的研究及应用，通过对双层离心风轮中内风轮叶形渐开角度、内外风轮的设计间距大小，以及内风轮叶片多少的对比试验，探索双层离心风轮在外层离心风轮不变的情况下，内风轮叶形渐开角度，内风轮与外风轮间距及叶片多少对单层离心风轮的影响，寄希望通过离心风轮结构的创新设计，提升整机的舒适性及性能指标。

关键词：双离心风轮；风道；外风轮；内风轮

Research and Application of Double Centrifugal Rotor Structure in Centrifugal Air Duct System

Fashen Liu（Guangdong Midea refrigeration equipment Co.， Ltd. Household air-conditioning division. Fushan Guangdong 528311）

Abstract：In this paper， the double centrifugal rotor structure in the research and application of centrifugal air duct system， based on the double centrifugal rotor in the leaf shape gradually open Angle， distance between inner and outer wind wheel design size， and the number of the wind wheel blade in contrast test， explore double centrifugal rotor under the condition of invariable in outer centrifugal wind wheel， the wind wheel blade shape gradually open Angle， inner wind wheel and outer wind wheel spacing and the number of the wind wheel blade impact on single centrifugal wind wheel blade， hope that through the innovative design of the centrifugal rotor structure， improve comfort and performance index of the engine.

Keywords：Double centrifugal rotor； Air duct； Outer wind wheel； Inner wind wheel

1、引言

家用空调产品常用的送风系统，主要有离心风道系统、贯流风道系统和轴流风道系统，但三者的应用场景、风道特性各有优异，轴流风道风量大，噪音高，风机效率高，多用于分體挂壁式空调室外机、窗式空调器室外侧部分；贯流风道，风声柔和、噪音低，但贯流风轮结构一般比较长，多用于分体挂壁式空调室内机和落地式空调室内机（圆型柜机）；相比离心风道基本介于前两者之间，多用于落地式空调室内机（传统柜机）、整体式窗机室内侧部分，以及移动空调等产品，部分空调产品风轮采用有双吸风叶结构的风轮[1]。本课题以离心风道为研究对象，在风道系统不变、无需新开模或改模的情况下，通过优化离心风轮的结构设计，提升整机的风量，从而优化整机的性能。

为此提出一种双离心风轮的结构形式，为减少设计变量的分析与研究，从现有比较成熟的离心风道系统中挑选一款相对较好的风道系统（已应用静音风道技术的离心风道，其风道采用斜蜗舌+偏心进气口结构设计）[2][3][4]作为研究对象，风道曲线和双离心风轮的外风轮保持与原风道一致，不考虑外风轮材质、重量偏差、注塑工艺等对其本身的影响。

本文研究对象重点聚焦在双离心风轮的内风轮，从内风轮叶形渐开角度、内外风轮的设计间距，以及内风轮的叶片数三个方面进行对比实验研究。

2、实验结果与讨论

2.1 内风轮叶形渐开角度优化设计

离心风轮的工作原理，利用叶片90度的换向产生背压，气流从中间的进气口流入，经过蜗壳聚集后从叶片输送，但在这过程中，由于各组件的配合尺寸及设计不足，会出现涡流和回流，影响风量和噪音，这就需要设计合理的风道系统。本课题研究对象重点聚焦在双离心风轮的内风轮，假定双离心风轮所配合的风道曲线及外风轮已选定为现有最优的风道曲线和风轮，不考虑风道曲线的偏差及风轮材质、重量偏差、注塑工艺等对其的影响。为此，依据离心风轮的工作原理及离心风轮在离心风道中的特性分析，从离心风道的速度矢量图及流线图不难理解，内风轮叶形渐开角度对双离心风轮的在离心风道中的流速和方向有较大的影响。从模拟数据实验表明，内风轮叶片切线方向与外风轮叶片入口切线一致或近似时，风量和噪音优于其他结构形式（如图表1）。

2.2 内外风轮叶片间距及内风轮叶片数对比测试

为方便研究建模，基于离心风道的相关特性，内外风轮叶片间距过小或过大都不利于风道系统的输出，初步设定内外风轮叶片间距L1=23mm，L2=15mm，叶片数N1=25片，N2=32片。

通过组合分析，有4种组合形式，如图表2所示，且编号为1#、2#、3#、4#，分别与原单层离心风轮组合为双离心风轮，组合后双离心风轮编号为方便记录仍延用原有编号。

2.2.1 原单层离心风轮风道摸底数据

为方便对比研究，首先将原单层离心风轮在原风道系统中进行摸底测试，通过改变整机电压和风档调整风轮的转速，测试数据如图表3所示。

2.2.2 组合双离心风轮测试数据

分别针对1#、2#、3#、4#双离心风轮在原风道系统中进行对比测试，测试方法如同原单层离心风轮一样，测试数据如图表4-7所示。

2.2.3 组合双离心风轮数据分析

（1）新组合双离心风轮对送风风量的影响

组合后新风轮的送风风量，分别与原单层离心风轮的送风风量做对比，记为：Δ1=1#-原，Δ2=2#-原，Δ3=3#-原，Δ4=4#-原，如图表8，为新组合的双离心风轮对送风风量的影响情况。

不难看出Δ2#>Δ4#>Δ1#>Δ3#，针对送风风量而言，4种组合的双离心风轮中，对整机送风风量均有不同程度的提升，其中2#最优，其次4#，1#次之，最差是3#，因而4种方案中优选选择为2#和4#。

（2）新组合双离心风轮对送风功率的影响

组合后新风轮的送风功率，分别与原单层离心风轮的送风功率做对比，记为：Δ1=1#-原，Δ2=2#-原，Δ3=3#-原，Δ4=4#-原，如图表9，为新组合的双离心风轮对送风功率的影响情况。

不难看出直线的斜率K4#（3）新组合双离心风轮对前侧制冷噪音的影响

组合后新风轮的前侧制冷噪音，分别与原单层离心风轮的前侧制冷噪音做对比，记为：δ1=1#-原，δ2=2#-原，δ3=3#-原，δ4=4#-原，如图表10，为新组合的双离心风轮对前侧制冷噪音的影响情况。

不难辨出直线的斜率δ2#>δ4#>δ3#>0>δ1#，针对前侧制冷噪音而言，噪音当然越小越好，显然4种组合的双离心风轮中，经组合比较2#风轮对整机前侧噪音影响较小，还有降低的趋势，故而优选2#风轮。

（4）新增加的内风轮重量分析及对整机风量和功率的影响

新增加的内风轮，首先对风轮本体的重量有较大影响，按照常规离心风轮设计，往往通过减轻风轮的重量来降低风机的输出功率，从而提升产品能效，如图表3中原单层离心风轮结构示意图中的单层离心风轮安装部位6块切除的部分，即为减轻风轮本体重量而设计的。基于此原因，对风轮的重量及送风风量和送风功率进行对比分析，如下表11-13。

从图表11-13数据显示，新增内风轮本体重量同比增加了15%～20%，但送風风量同比增加了2～3%，而送风功率却下降了2.5～3%，为此送风风量的增加对提升整机能力、能效具有直接的积极作用，而功率下降对提升能效和降耗有直接的作用。因而，通过实验数据对比分析研究，可以清楚认知，双离心风轮结构在现有外风轮和风道曲线不变的情况下，新设计的双离心风轮对离心风道系统的风量、噪音和功率都具有积极的意义和作用。

3、结语

通过对原有单层离心风轮的结构优化设计，在原有外风轮和风道曲线不变的情况，双离心风轮的研究与应用结论如下：

（1）在原有离心风道曲线不变的情况下，通过新设计风轮可以优化风机风道效率和噪音指标，而创新设计的双离心风轮为新设计风轮提供了另一个优化设计方向，对提升整机风量、降低噪音和功率都具有积极的意义和非凡作用。

（2）双离心风轮结构设计时，内风轮叶片切线方向与外风轮叶片入口切线一致或近似时，风量和噪音优于其他结构形式。

（3）双离心风轮结构设计时，内外风轮叶片间距过小或过大都不利于整个风道系统的输出，风量、噪音和功率输出与内外风轮叶片间距大小及内风轮的叶片数量有一定关系。其上述案例中4种组合方案，通过实验对比分析研究，最终优选2#风轮，若需要进一步得到最优的设计，可以通过健壮设计来优化内外风轮叶片间距及合理的叶片数量。

（4）应用双离心风轮，在涡流联动的作用下，风轮本体重量同比增加了15%～20%，但送风风量同比增加了2～3%，而送风功率却下降了2.5～3%，为此送风风量的增加对提升整机能力、能效具有直接积极的作用，同时功率的降低也为设计新的高效风轮提供了优化方向，也为降噪降耗提供了另一优化方向。

参考文献

[1]张燕燕，王增胜.基于CFD模拟的空调柜机室内机风道系统的优化.《机械与电气》.2010年8月第8期（总第141期）.

[2]任刚，杨子善，杨子江，祁大同.倾斜蜗舌前向离心风机配置简易消声器降噪的试验研究.《流体机械》，2010年03期.

[3]王嘉冰，区颖达，吴克启.空调风机叶道内旋涡流动分析及进气口偏心的影响.《工程热物理学报》.2005年11月第26卷第6期.

[4]刘发申，静音风道技术在移动空调产品中的应用.《家用电器》2017年第5期.