吸油烟机进风口气流预旋增压技术的研究及应用

陈建伟

【摘 要】本文以一款吸油烟机用的多翼离心风机为基础研究对象，通过在其进风口处增加环状百叶窗导流叶片的结构设计改进，减小了气流在进入风机蜗壳前的进气攻角，改善风机进风口气流的流动分离，降低进风口处的回旋涡流，使气流在进入蜗壳前具有预旋增压能力，从而达到提高风机整体性能、降低整机噪音的目的，并在模具样机上得到实验验证。

【关键词】多翼离心风机 预旋增压 进气损失 导流器 全压效率 降噪

1 前言

吸油烟机能效标准已于2013年起开始实施，新国标的出台对吸油烟机的设计和制造提出了更高的要求。为使产品能符合国家一级能效标准的要求，取得风机性能的提升，各大厂商均投入了大量的人力、物力进行开发研究。由于目前交流电机技术已经较为成熟，效率很难再提高，而改用直流电机则会大大增加成本。作为离心风机的核心部件，蜗壳的设计原理必须基于阿基米德螺旋线方程，很难有新的突破。本文将介绍一种新的吸油烟机进风口结构方式，可在不大幅度增加成本的前提下，使吸油烟机的产品性能得到提升。

2 现有吸油烟机进风口设计缺陷分析

大多数吸油烟机均采用多翼离心风机作为核心部件，其进风圈边缘基本采用圆弧造型进行过渡，如图一所示。气流通过该圆弧曲面引导过渡后直接进入风机内部，气体流动主要靠叶轮运转产生的负压来完成。风机周围的气体在流动过程中首先要克服自身当前的运动状态，然后跟随风机周边气流的运动轨迹，在叶轮产生负压的驱动下加速后进入蜗壳内部。

为更好地促进气流加速运动，叶轮采用了多叶片加速叶道的设计方案，目的是利用加速叶道改善叶道内的流动分离，加速叶道要求要有较大的叶片进口气流角（该角度α1>60°）以及较小的叶片出口气流角（该角度α2<30°），进口气流角越大，会使叶片进口气流产生较大的进气攻角，带来进风口气流产生流动分离，最终导致进气损失加大。而现有的进风口导流圆弧结构简单，难以改善叶片进口气流的进气攻角。

3 导流叶片设计原理说明

进风口导流器调节是风机常用的调节方式，原理是在进风口处增加导流器，通过调整导流器的叶片安装角度，可调节气流进入叶轮的进气角度，使之与风机系统相匹配，从而达到合理调节风机各个工况点的目的。

本方案通过设计一个带有倾斜叶片的导流器，并将该导流器安装在风机进风口处，可使气流在进入风机前先产生预旋，经过预旋的气流具有切向速度v1，由于导流叶片的倾斜方向与叶轮的运转方向相同，均为顺时针方向，因此v1为正值。根据叶片式风机的能量方程式[1]：pth=p（u2v2-u1v1）

公式中：pth——叶片式风机的理论全压；

u1、u2——风机进、出口圆周速度；

v1、v2——风机进、出口速度的切向分速。

综上所述，当导流器的倾斜叶片设计角度β越大，气流的正预旋速度就越大，此时pth将减小，气流压力的下降将导致风机内部流动气体的密度ρ减小，造成进气损失，导致风机整体性能下降；反之，当导流器的倾斜叶片设计角度β越小时，风机进风口面积将变小，此时出风口若未能及時调整，则容易造成进、出风口面积比例失调，风机气流补充不足，最终导致pth值异常，即风机性能下降。理论上倾斜叶片的设计优选角度为：45°≤β≤85°。

4 技术方案与实验验证

4.1 设计方案

为解决现有吸油烟机风机系统进气攻角较大，降低进风口气流的流动分离，减少风机的进气损失，进而提高风机系统的整体性能，本方案在进风口导流器调节工作原理的基础上，设计了一款带环状百叶窗导流叶片的新进风圈，如图二所示，并定义导流叶片与进风圈径向平面的夹角为θ。根据进风口导流器调节工作原理[2]，当θ=90°时，进口气流绝对速度产生的圆周切向分量C1u=0，导流叶片基本不起作用，气流仍然保持径向流入状态；当θ<90°时，进口气流绝对速度产生的圆周切向分量C1u≠0，气流在进风口处将获得切向速度v1，产生进风口气流预旋增压现象。通过多次手板打样与现有风机系统的匹配测试，本方案最终确定θ=75°时风机系统的性能最优，符合导流叶片倾斜角理论优选角度45°≤θ≤85°的要求，导流叶片的设计方案图三所示。

图一 改进前风机外形图 图二 改进后风机外形图

图三 新进风圈基本尺寸图

4.2 生产制造可行性分析及方案

环状百叶窗导流叶片的设计雏形较为复杂，在实际生产制造过程中遇到了不少难题，比如如何保证26个百叶窗导流叶片的倾斜角度在装配后保持一致，其装配误差不能超过1°，因为导流叶片安装角度误差较大时，容易导致进风口气体流动不稳定，导致局部涡流现象。另外，如何解决导流叶片安装到进风圈轮毂时，不会在进风口处因为结构安装需要而带来其他进气障碍，破坏了风机系统整体的流体力学结构。

为解决上述生产制造难题，本方案需要对导流叶片的安装方式进行结构优化，优化后的设计方案采用五金模具一体冲压成型工艺，为保证导流叶片在冲裁成型后整体平面度的高要求，制造时需要对进风圈进行2次拉伸成型，拉伸后按照叶片外形进行修边冲孔。为保证各个导流叶片成型角度一致，导流叶片折边工序的模具被设计成凹凸模镶拼结构，并采用旋转冲压2次成型，冲压过程首先对导流叶片进行预弯折边，叶片第一次折边后成型角度为θ=45°，然后采用模具旋转冲压方式将叶片的成型夹角固定在θ=75°±1°。采用冲压一体成型的新进风圈尺寸稳定、外形整洁，导流叶片与进风圈为一体结构，无需再考虑导流叶片的安装问题，可直接在现有的吸油烟机产品上安装，大大提高了产品零部件的通用化率。

4.3 模具样机实验测试结果

设计方案在开模后，将带有百叶窗导流叶片的新进风圈和原来未做结构改进的旧进风圈依次安装在同一台吸油烟机上，进行整机空气动力实验对比。为保证实验结果的准确性与可比性，实验过程的额定电压为220V，电源频率为50Hz，空气动力实验室的环境温度为15.4℃，环境大气压为101.85kPa，实验设备采用外排式吸油烟机空气性能实验装置。实验结果如图四、图五所示，其中噪音是在半消声实验室测试所得，实验方法为全球包络法。

图四 原进风圈风机性能曲线图及其核心参数

图五 新进风圈风机性能曲线图及其核心参数

根据上述测试结果，带导流叶片的进风圈实验测试结果明显优于原来的进风圈，吸油烟机各个核心的空气性能参数均得到提高，特别是节能减排方面关注度较高的全压效率指标，改善后达到国家一级能效标准规定的≥23%的要求，噪音更低，改善效果显著。

5 结语

通过对吸油烟机风机系统的进风口结构进行设计改善，利用百叶窗导流叶片对进口气流的进气角度进行调节，实现了产品性能的提升。成本方面，本设计改进是将进风圈中间的圆形冲孔的废料进行利用，因此该零件的材料成本并无太大变化，进风圈零件的模具制造费用约13.5万。零部件通用化方面，由于百叶窗导流叶片是直接在原有风机进风圈的设计基础上增加的，不用对进风圈与整机的安装结构做出任何调整，整体方案易于实现。

参考文献：

[1]吴民强 专著.泵与风机节能技术[M].中国电力出版社，1993.

[2]续魁昌，王洪强，盖京方 主编.风机手册.机械工业出版社，2011.