后向多翼离心塑料风扇叶技术研究

韦福权

摘 要：本文采用CFD软件数值模拟和制作实物模型测试验证并行开发，设计了性能优良的后向离心塑料风扇叶。在此基础上，依据标准的k-epsilon方程对空调终端内空气流动进行了仿真，预测了空调风道内各部件气流状态对噪声的影响，并对后向离心风叶叶片空间曲面对噪声影响分析。结果表明：风道部件合理的配合、符合空气流动力学的空间扭曲叶片对噪声贡献很大。模型的数值预测结果与模型制作件试验在定性上吻合较好，说明CFD数值分析方法在户式中央空调通风系统的性能和噪声的改善具有良好的应用价值。

关键词：后向离心塑料风叶 中央空调终端 噪声 CFD数值分析

中图分类号：TB6 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（c）-0100-02

1 依据

1.1 项目研究目的及意义

噪音污染日益为人们所关注并认识到，噪声污染是一种环境污染，它被认为是仅次于大气污染与水污染的第三大公害。世界卫生组织认为一旦噪音超过50 dB将就会影响睡眠和休息并对人体产生一定的危害。

户式中央空调终端5P天花机在运行过程中噪音达到51 dB，而国外某标杆企业同类产品的噪音仅48 dB，为了更好的达到人体需求的安静舒适的安居环境。中央空调终端设备天花机，其主要噪音来源是风叶作功引起的。希望通过研究、设计新的后向多翼离心风叶——降低噪音的核心部件，要求达到或优于国外某标杆企业同类产品性能，以便产品在国内外市场上占有绝对优势。鉴于目前我司原有产品与国外同类型产品性能相差太大，研发新的产品来替代原来产品来缩小这种技术差距和降低产品噪音迫在眉睫。

因此，希望通过较先进的技术优化设计户式中央空调终端用后向多翼离心风叶叶形，保持现在终端系统的性能，降低风叶的噪音，从而降低终端设备的噪音，实现降低噪音3 dB以上。

1.2 国内外现状、水平和发展趋势

目前，随着计算技术的高速发展，推动了计算流体动力学的进步，计算机进行求解三维N-S方程已经成为现实，国外CFD技术在后向多翼离心风扇内流模拟已经得到了广泛应用。

国内研究此类终端设备用风叶的机构较少，对后向多翼离心风叶的开发研究大多还在起步阶段或还没有涉足此类市场，相关测试设备也较落后，有关后向多翼离心通风机内流特性的研究还处于初期阶段，而我司在国内此类产品的研究中处于领先地位，但与国外先进的技术水平相比，还相差很大的一段距离。随着计算机技术的高速发展，将国外先进的CFD计算仿真技术和近年发展起来的风机设计新技术应用于后向多翼离心风叶设计中，可为户式中央空调通风系统的性能和噪音的改善提供一种有效的新途径。

1.3 项目达到的技术水平和市场前景分析

新产品采用工程塑料生产，通过优化设计叶形和优化整机结构，预计相比我司原有产品，满足性能的情况下，噪音降低3 dB。由于新产品具有低噪音以及达到国际先进水平的优点，其市场潜力巨大，对现有产品具有较大的冲击力。

2 研究开发内容和目标

2.1 项目目标

通过适用于后向多翼离心风叶的设计方法和新技术的应用，采用性能优异的叶型和参考国外先进的同类型产品以及我司设计这类风叶的经验，设计出高效率低噪音的风叶，达到降噪的目的；最终达到提高产品竞争力和保持我司在此类研究中处于领先地位的目的。

2.2 项目内容

（1）针对目前市场上销量最大的户式中央空调5P天花机，采用性能优异的叶型，引入国外先进的同类型风叶技术，运用先进的计算流体力学（CFD）方法模拟计算，最终完成风叶的节能设计，实现整机降噪音3 dB以上。

（2）根据该风叶使用环境状况和加工的特点，在不影响风叶性能的情况下，采用轴盖和风叶一体化，简化模具结构，提高模具生产寿命，提高原有产品的动平衡合格率。

（3）采用上述方法完成户式中央空调天花机降噪和风叶产业化。

2.3 项目的关键技术

目前，后向多翼离心风扇的降噪技术很有限，且理论还不是太成熟。由于此类型风叶继续优化的空间有限，而国外的同类型产品有多项专利的保护，这对我们设计此类风扇受到了一定限制。同时由于气体的不可见性，风扇运转过程中涡流产生的状况以及边界层气流分离等都无法可视化，因此以往在叶片设计上，很难实现对叶片涡流的有效控制。本项目将采用先进的CFD分析软件，模拟天花机工作状态，可实现系统内流场的可视化，这将会对各种产生噪音的涡流提供解决方案并能应用于风机设计发挥重要作用，对我们提升研发能力的同时也将较大程度的缩短开发周期和减少开发费用。

2.4 项目的创新点

（1）新风叶性能达到或超过了国外先进水平，并避开了国外此类型产品的专利保护同时相对于国外同类型产品制造工艺有较大的提升。风叶采用各种性能优异的翼型设计，保证风机的性能并能有效的降低整机噪音。

（2）风叶采用轴盖和叶片一体化，相较于原有产品能减少组装时人为的影响，并能进一步提升产品的质量和工艺水平。

（3）风叶在不影响性能的情况下去除了叶片出口处的锯齿设计，使得风叶模具的制造成本和生产成本下降，风机总体成本得到进一步降低，并提高了模具使用寿命。

2.5 项目的技术指标（见表1）

3 研究开发方法及技术路线

3.1 技术路线

本项目结合户式中央空调终端风机系统，采用近年来高新技术领域内迅速发展起来的CFD计算机模拟技术，在设计初期通过理论和新方法的应用缩短开发周期，减少降低开发试验成本。并对户式中央空调终端内机系统的内流进行仿真的数值实验研究，为后向多翼离心风叶的优化设计提供依据，并结合外部性能的测试，寻求影响风机效率的内在因素，达到降低风机噪音和保持原有风机性能的目的。endprint

（1）技术路线框图如图1所示。

（2）CFD设计优化流程如图2所示。

3.2 技术路线可行性风险分析

CFD（全称computational fluid dyuamics 计算流体动力学）是通过计算机数值计算和图像显示，对包括流体流动及多种相关物理现像做的系统分析。传统的研发过程中，最常用的两种研发手段分别为理论研发和实验研发。这两种研发方式各有优劣：理论研发所得结果具有普遍性，由于轴流风机的理论还不是太完善，所以与实测结果误差较大；实验研发得出的结果真实可信但最大的不足在于研发周期长，研发经费大，效率低等并浪费大量的人力物力。而CFD方法恰好克服前两种方法的不足，而又结合这两种方式的优点。

公司引进CFD软件以来，我们就一直对CFD在风机设计上的应用开展研究，现在已将CFD计算值与实测值误差控制在5%左右，这使得CFD在各项研发工作上发挥了重要作用。近两年，我们在CFD应用上取得了不错的成绩。在CFD计算精度上，从最初的计算方程的选择，模型的设计，边界的定义，网格的划分等最基础方面入手，通过计算——验证——改进——计算的循环过程不断改进影响数值解精度的因素，从而实践出一套符合实验要求和我司情况的CFD计算运用方法。近两年我们采用CFD进行研究开发的项目，100%都达到了设计要求，其中90%都超过了设计目标。它使产品的开发周期缩短60%以上，并大大的提高了我们的工作效率。目前我们采用CFD应用于研发工作，成功为外机、内机以及热水机等多款产品成功开发了多款高性能、低噪音的风机。

因此，将CFD软件应用于本项目研究开发，走CFD辅助设计的技术路线，不管是在设计质量，还是在缩短研发周期上都将发挥重要作用。

4 现有研究开发基础

现在，研发中心拥有齐全的空调风机研究设备以及先进的软件和研究手段。中心现有风机性能实验台4套，风量测量范围为7～30000 m3/h，压力测试范围为0～1000Pa；拥有国际先进的噪声振动测试设备多套；晗差实验室多套；此外还有各种电源及转速测试表等辅助设备。经过多年的建设与发展，研发中心组建了一支学科互补、结构合理的专业开发团队，掌握了空调风机设计的核心技术。

5 项目成果

经过几个月的努力，借助CFD软件建立不同方案的模型，进行计算模拟，从以下各个参数优化设计：（1）叶型和叶形设计；（2）风轮进口与导流圈的配合；（3）风轮底盘的设计；（4）进风格栅等（见图3）。

根据最优的两个方案发外制作手板样品测试验证，开发了新的后向离心塑料风叶，性能良好，在保证风量满足能力要求下，噪音降低了3.8 dB（见表2）。

6 结语

本文利用CFD数值分析方法和模型发外制作实物手板实验测试并行的对户式中央空调通风系统进行了研究，预测了终端各部件配合方式、离心风轮叶片结构等对噪音的贡献。同时，对数值分析方法在工程应用中的可靠性进行了验证。主要结论有：

（1）户式中央空调终端的噪声主要位于来源于离心风叶作功噪声，特别是离心风叶的气流噪声。

（2）离心风叶的气流再说主要通过改变叶片空间曲面优化。

（3）终端风道各个部件对噪声也有一定贡献。

（4）本文的数值分析方法能从定性上优化户式中央空调噪声，具有较好的工程应用价值。

参考文献

[1] FLUENT 6.0 Document[EB/OL].www.fluent.com.

[2] 刘秋洪.离心通风机气动噪声数值分析方法的研究及应用[D].西安：西安交通大学，2007.

[3] 李中云.离心风机建模参数化及CFD分析的精度研究[D].华中科技大学.

[4] 伍晓芳.空调用多翼离心风机现代设计的CAD/CFD研究[D].华中科技大学，2004.

[5] 张克危.流体机械原理（上册）[M].北京：机械工业出版社，2000.

[6] 商景泰.通风机手册[M].北京：机械工业出版社，2000.

[7] 李庆宜.通风机[M].北京：机械工业出版社，2000.endprint

（1）技术路线框图如图1所示。

（2）CFD设计优化流程如图2所示。

3.2 技术路线可行性风险分析

CFD（全称computational fluid dyuamics 计算流体动力学）是通过计算机数值计算和图像显示，对包括流体流动及多种相关物理现像做的系统分析。传统的研发过程中，最常用的两种研发手段分别为理论研发和实验研发。这两种研发方式各有优劣：理论研发所得结果具有普遍性，由于轴流风机的理论还不是太完善，所以与实测结果误差较大；实验研发得出的结果真实可信但最大的不足在于研发周期长，研发经费大，效率低等并浪费大量的人力物力。而CFD方法恰好克服前两种方法的不足，而又结合这两种方式的优点。

公司引进CFD软件以来，我们就一直对CFD在风机设计上的应用开展研究，现在已将CFD计算值与实测值误差控制在5%左右，这使得CFD在各项研发工作上发挥了重要作用。近两年，我们在CFD应用上取得了不错的成绩。在CFD计算精度上，从最初的计算方程的选择，模型的设计，边界的定义，网格的划分等最基础方面入手，通过计算——验证——改进——计算的循环过程不断改进影响数值解精度的因素，从而实践出一套符合实验要求和我司情况的CFD计算运用方法。近两年我们采用CFD进行研究开发的项目，100%都达到了设计要求，其中90%都超过了设计目标。它使产品的开发周期缩短60%以上，并大大的提高了我们的工作效率。目前我们采用CFD应用于研发工作，成功为外机、内机以及热水机等多款产品成功开发了多款高性能、低噪音的风机。

因此，将CFD软件应用于本项目研究开发，走CFD辅助设计的技术路线，不管是在设计质量，还是在缩短研发周期上都将发挥重要作用。

4 现有研究开发基础

现在，研发中心拥有齐全的空调风机研究设备以及先进的软件和研究手段。中心现有风机性能实验台4套，风量测量范围为7～30000 m3/h，压力测试范围为0～1000Pa；拥有国际先进的噪声振动测试设备多套；晗差实验室多套；此外还有各种电源及转速测试表等辅助设备。经过多年的建设与发展，研发中心组建了一支学科互补、结构合理的专业开发团队，掌握了空调风机设计的核心技术。

5 项目成果

经过几个月的努力，借助CFD软件建立不同方案的模型，进行计算模拟，从以下各个参数优化设计：（1）叶型和叶形设计；（2）风轮进口与导流圈的配合；（3）风轮底盘的设计；（4）进风格栅等（见图3）。

根据最优的两个方案发外制作手板样品测试验证，开发了新的后向离心塑料风叶，性能良好，在保证风量满足能力要求下，噪音降低了3.8 dB（见表2）。

6 结语

本文利用CFD数值分析方法和模型发外制作实物手板实验测试并行的对户式中央空调通风系统进行了研究，预测了终端各部件配合方式、离心风轮叶片结构等对噪音的贡献。同时，对数值分析方法在工程应用中的可靠性进行了验证。主要结论有：

（1）户式中央空调终端的噪声主要位于来源于离心风叶作功噪声，特别是离心风叶的气流噪声。

（2）离心风叶的气流再说主要通过改变叶片空间曲面优化。

（3）终端风道各个部件对噪声也有一定贡献。

（4）本文的数值分析方法能从定性上优化户式中央空调噪声，具有较好的工程应用价值。

参考文献

[1] FLUENT 6.0 Document[EB/OL].www.fluent.com.

[2] 刘秋洪.离心通风机气动噪声数值分析方法的研究及应用[D].西安：西安交通大学，2007.

[3] 李中云.离心风机建模参数化及CFD分析的精度研究[D].华中科技大学.

[4] 伍晓芳.空调用多翼离心风机现代设计的CAD/CFD研究[D].华中科技大学，2004.

[5] 张克危.流体机械原理（上册）[M].北京：机械工业出版社，2000.

[6] 商景泰.通风机手册[M].北京：机械工业出版社，2000.

[7] 李庆宜.通风机[M].北京：机械工业出版社，2000.endprint

（1）技术路线框图如图1所示。

（2）CFD设计优化流程如图2所示。

3.2 技术路线可行性风险分析

CFD（全称computational fluid dyuamics 计算流体动力学）是通过计算机数值计算和图像显示，对包括流体流动及多种相关物理现像做的系统分析。传统的研发过程中，最常用的两种研发手段分别为理论研发和实验研发。这两种研发方式各有优劣：理论研发所得结果具有普遍性，由于轴流风机的理论还不是太完善，所以与实测结果误差较大；实验研发得出的结果真实可信但最大的不足在于研发周期长，研发经费大，效率低等并浪费大量的人力物力。而CFD方法恰好克服前两种方法的不足，而又结合这两种方式的优点。

公司引进CFD软件以来，我们就一直对CFD在风机设计上的应用开展研究，现在已将CFD计算值与实测值误差控制在5%左右，这使得CFD在各项研发工作上发挥了重要作用。近两年，我们在CFD应用上取得了不错的成绩。在CFD计算精度上，从最初的计算方程的选择，模型的设计，边界的定义，网格的划分等最基础方面入手，通过计算——验证——改进——计算的循环过程不断改进影响数值解精度的因素，从而实践出一套符合实验要求和我司情况的CFD计算运用方法。近两年我们采用CFD进行研究开发的项目，100%都达到了设计要求，其中90%都超过了设计目标。它使产品的开发周期缩短60%以上，并大大的提高了我们的工作效率。目前我们采用CFD应用于研发工作，成功为外机、内机以及热水机等多款产品成功开发了多款高性能、低噪音的风机。

因此，将CFD软件应用于本项目研究开发，走CFD辅助设计的技术路线，不管是在设计质量，还是在缩短研发周期上都将发挥重要作用。

4 现有研究开发基础

现在，研发中心拥有齐全的空调风机研究设备以及先进的软件和研究手段。中心现有风机性能实验台4套，风量测量范围为7～30000 m3/h，压力测试范围为0～1000Pa；拥有国际先进的噪声振动测试设备多套；晗差实验室多套；此外还有各种电源及转速测试表等辅助设备。经过多年的建设与发展，研发中心组建了一支学科互补、结构合理的专业开发团队，掌握了空调风机设计的核心技术。

5 项目成果

经过几个月的努力，借助CFD软件建立不同方案的模型，进行计算模拟，从以下各个参数优化设计：（1）叶型和叶形设计；（2）风轮进口与导流圈的配合；（3）风轮底盘的设计；（4）进风格栅等（见图3）。

根据最优的两个方案发外制作手板样品测试验证，开发了新的后向离心塑料风叶，性能良好，在保证风量满足能力要求下，噪音降低了3.8 dB（见表2）。

6 结语

本文利用CFD数值分析方法和模型发外制作实物手板实验测试并行的对户式中央空调通风系统进行了研究，预测了终端各部件配合方式、离心风轮叶片结构等对噪音的贡献。同时，对数值分析方法在工程应用中的可靠性进行了验证。主要结论有：

（1）户式中央空调终端的噪声主要位于来源于离心风叶作功噪声，特别是离心风叶的气流噪声。

（2）离心风叶的气流再说主要通过改变叶片空间曲面优化。

（3）终端风道各个部件对噪声也有一定贡献。

（4）本文的数值分析方法能从定性上优化户式中央空调噪声，具有较好的工程应用价值。

参考文献

[1] FLUENT 6.0 Document[EB/OL].www.fluent.com.

[2] 刘秋洪.离心通风机气动噪声数值分析方法的研究及应用[D].西安：西安交通大学，2007.

[3] 李中云.离心风机建模参数化及CFD分析的精度研究[D].华中科技大学.

[4] 伍晓芳.空调用多翼离心风机现代设计的CAD/CFD研究[D].华中科技大学，2004.

[5] 张克危.流体机械原理（上册）[M].北京：机械工业出版社，2000.

[6] 商景泰.通风机手册[M].北京：机械工业出版社，2000.

[7] 李庆宜.通风机[M].北京：机械工业出版社，2000.endprint