吸油烟机用离心风机蜗壳降噪优化设计

肖 彪，李 彬，董术海，范建波，王晓妮，赫家宽

（空调设备及系统运行节能国家重点实验室，广东珠海 519000）

1 前言

随着生活水平的提高以及小户型居室的普及，用户对吸油烟机的振动和噪声水平有了更苛刻的要求［1］。多翼离心风轮因压力系数高，风量大等特点成为了吸油烟机首选风机部件［2］。众多学者对标准多翼离心风机做了充分的研究，分析了叶片进出口安装角、叶轮直径比、叶片型线、叶片数、蜗壳型线、蜗舌间距等参数对其内流场动力学特性及声学特性的影响［3～5］。同时也研究了倾斜蜗舌等局部优化设计对改善离心风轮离散噪声的影响［6～8］。而出风不均对心理声学舒适性的影响研究未见诸报道。

本文在标准离心风轮上对蜗壳进行参数设计，风轮参数：半径R=125 mm，叶片数Z=60，宽度h=125 mm，叶片进口安装角β1=41°，叶片出口安装角β2=139°。通过理论计算、仿真分析及试验测试，提出通过倾斜蜗壳来减弱蜗壳出风不均噪声的优化设计方法。

2 离心蜗壳设计

理想状态下，离心风轮外圆周流体质点的运动轨迹，即为蜗壳的型线。一般蜗壳型线有2种设计方法：对数螺旋线法和阿基米德螺旋线法［9］。对数螺旋线法流体质点运动轨迹方程为：

式中 Rφ——蜗壳内壁半径，mm

R——风轮半径，mm

Q——空气额定流量，m3/h

B——蜗壳厚度，mm

c2μ——气流离开叶轮后的周向速度，m/s

φ——蜗壳任一截面与蜗壳起始面的夹角，°

阿基米德螺旋线法流体质点运动轨迹方程为：

在工程中常采用基元圆弧蜗壳型线法近似替换阿基米德蜗壳型线方法来绘制蜗壳。基元圆弧蜗壳型线法包含等边基元法和不等边基元法。在低比转速下2种方法气流轨迹相近，本文采用等边基元法绘制蜗壳型线。在额定流量下，蜗壳的出口截面张开度A的计算式为：

一般蜗壳厚度B=162.5 mm，取蜗壳厚度B=160 mm。综合设计参数取蜗壳截面张开度A=80 mm。以风轮为中心做边长a=A/4正方形基元，以正方形 4 个定点为圆心 R1，R2，R3，R4为半径做圆，4段圆弧平滑连接成的螺旋线即蜗壳型线。其中R1=190 mm，R2=170 mm，R3=150 mm，R4=130 mm。

对于前向叶轮，蜗舌间隙t与风轮外径关系为：t=2（0.07～0.15）R，考虑到气动噪声与蜗舌间距成反比，取t=15 mm。

蜗壳顶端的圆弧角r与风轮外径关系为r=2（0.03～0.06）R，取r=9mm。绘制蜗壳内壁型线如图1所示。

图1 等边基元离心蜗壳型线

将理论计算得到的蜗壳模型制成样机，并匹配电机进行噪声测试，结果发现出风口存在出风不均的“呼啦”声，在噪声频谱上表现为中低频的宽频噪声，音质差。

3 数值分析

3.1 数值分析参数设置

将离心风机模型加上进风和出风延长段，对流场进行仿真计算。风轮及所包络的旋转区域采用多重参考系，设定转速750 r/min。风轮旋转域与蜗壳、进出风流道静止域之间采用interface交界面，进口边界条件采用压力入口，出口边界采用压力出口。

选用K-ε realizable计算模型；压力速度采用SIMPLE耦合；压力方程采用PRESTO离散，其他方程采用2 阶迎风格式离散；对模型进行瞬态计算，每计算一步旋转域转动1态，迭代时长为0.0002s，总共计算旋转域转动10圈，迭代步数为3750步。

3.2 仿真结果分析

图2为采用原蜗壳离心风机靠近电机底测速度流线，由图可知气流在叶片作用下改变了出流方向，在靠近蜗舌处，气流以接近45°的入射角冲击到蜗壳出口扩压段，再反射到流道中，与风轮顶部出流的气流交汇。蜗舌处气流未经过蜗壳流道内的加速过程，且在壁面反射过程中损失了部分动能，出流速度远小于蜗壳顶部经过完成加速的气流，两股气流组织交汇，高速气流阻断了低速气流的正常出流，使得低速气流组织在蜗舌处形成回流，产生漩涡。这是造成出风口出风不均的主要原因。

图2 蜗舌局部流线

3.3 优化方案仿真验证

为达到预设风量，保证消烟除尘的效果，已选取了GB/T 17713-2011推荐的吸油烟机排风管最大外径180 mm，对应取离心蜗壳出风口尺寸为160 mm×160 mm［10～12］。同时为保证出风口的静压要求和考虑整机安装尺寸合理，出风口扩压角和出口长度不宜太大。基于以上限制，拟考虑通过微调蜗壳形状来消弱出风不均噪声。文献［7］研究了斜蜗舌对风轮旋转基频及高次谐波的离散噪声降噪效果，但对中低频的宽频噪声消音效果不明显。

风轮距离蜗壳底部为10 mm，离进风口距离为25 mm。随着风轮高速旋转，在惯性力的作用下，蜗壳底部靠近旋转中心形成低压漩涡区；在风轮的作用下，风轮的外圆周压力脉动剧烈，在风轮外缘形成高压区，导致靠近底壳的整个截面沿叶轮径向形成大的压力梯度，湍流强度较大。

通过以上分析，拟采用倾斜蜗壳来减弱蜗壳底部的压力梯度和湍流强度。不同倾斜角下蜗壳最小蜗舌间隙如表1所示。蜗舌间隙减小能提高风机效率但会导致气动噪声增大，综合考虑采用倾斜2°的方案。将蜗壳设计成了向上倾斜2°和向下倾斜2°两种方案，如图3所示。

表1 倾斜蜗壳尺寸参数

图3 离心蜗壳优化方案

图4，5为原蜗壳与2种优化方案蜗壳底部的 速度云图和压力云图。

图4 蜗壳底部速度云图对比

图5 蜗壳底部压力云图对比

从图4可见，离心风机内流场靠近蜗舌处有明显的回流，原蜗壳出风口高速、低速气流混合，引起出风口出风不均。可以通过调整蜗壳出风口型线尺寸来优化，但考虑到风量和风压的损耗，故舍弃此方法。采用上斜2°的蜗壳回流区增大，高低速气流分层明显，且低速气流占主导作用，各方面性能差。采用下斜2°的蜗壳回流区明显减小，且流速分布较均匀，效果良好。

从图5可见，采用下斜2°的蜗壳，蜗舌处的负压区域明显减小。下斜2°的蜗壳底部型线往外扩展了约3mm，增大了蜗壳底部横截面积，靠近底部气流流速放缓，流域增大，出风口横截面上速度分布更加均匀。底部横截面最大压力与最小压力压差减小，压力分布更加均匀，出风不均现象明显减弱。

图6为原蜗壳与2种优化方案蜗壳底部的宽频声场云图，由图可知离心风机的主要噪声源集中在蜗舌附近。采用下斜2°的蜗壳宽频声场分布最优，其次是原蜗壳，采用上斜2°的蜗壳效果最差。

图6 蜗壳底部宽频声场云图对比

通过仿真分析可知，采用下斜2°的蜗壳靠近蜗壳底部出风口压力梯度减小，出风口流速更加均匀，对减弱离心风机出风不均现象有良好效果。

4 试验验证

采用下斜2°的新蜗壳制作样机，并匹配与原蜗壳相同的风轮和电机，根据GB/T17713-2011《吸油烟机》规定的空气性能试验方法选择10个测试工况点，对2种不同蜗壳的风机系统性能进行对比测试［9］。表2为自由状态下仿真结果与测试结果的对比。结果显示出口流量和进口速度仿真结果和实测结果很接近；出口速度和出口总压实测值和仿真值偏离较大。仿真考虑的是理想状态，而实际测试中会存在压损。

图7 新旧蜗壳性能测试数据对比

表2 不同蜗壳参数对比（转速750 r/min）

图7为新旧蜗壳在不同工况点下的流量和全压测试曲线。实测结果表明新蜗壳出口流量和出口全压与原蜗壳基本持平，新蜗壳出口流量略高于旧蜗壳，出口全压略低于原蜗壳。

在半消音室，对原蜗壳和新蜗壳进行单体噪声对比测试，在距离进风口和出风口中心1m处分别布置传声器，测试记录1档（吸油烟机关机后以1档继续工作一段时间抽完剩下油烟）、6档（吸油烟机正常工作状态）、8档（吸油烟机强劲运行档位）3个模式下的噪声值。采集各档位下吸油烟机稳定运行1min的时域平均噪声值。结果显示进风口和出风口噪声水平相当；新蜗壳噪声水平优于旧蜗壳，平均声压级降低了1.2dB（A），如图8所示。新蜗壳正常工作状态下，人耳听上去出风不均“呼啦”声得到明显减弱，声品质改善了很多。

图8 新旧蜗壳噪声测试数据对比

5 结论

（1）吸油烟机用离心风机采用下斜2°蜗壳相对直蜗壳进出风口声压级平均降低了1.2dB（A），并且能够有效减弱出风口出风不均声音，提高声品质。新蜗壳出口流量和出口全压与原蜗壳基本持平，新蜗壳出口流量略高于旧蜗壳，出口全压略低于原蜗壳。

（2）吸油烟机离心风机出风不均噪声的原因是：经蜗壳加速后从风轮顶端出流的高速气流与未经过蜗壳加速从蜗舌处出流的低速气流在蜗舌处交汇，高低速气流混合，导致出风口截面流速紊乱。

（3）采用向下倾斜蜗壳增大了蜗壳底部横截面积，从而降低了蜗壳底部气流流速，使得出风口截面上速度梯度减小，流速均匀，出风不均得到改善。

［1］ 冯黔军，徐茂青.吸油烟机性能指标及关键技术分析［J］.家电科技，2012，（12）：44-46.

［2］ 韩非非，席德科.多翼离心风机数值计算及改进设计研究［J］.机械科学与技术，2010，（8）：992-996.

［3］ 李亮，王瑞，金晗辉.基于非线性湍流模型的多翼离心风机内部流场三维数值模拟及性能预测［J］.流体机械，2012，40（10）：41-45.

［4］ 张伟.噪声测试及风机内部流场数值模拟［D］.阜新：辽宁工程技术大学，2012.

［5］ 周睿.某欧式抽油烟机风道内流场优化及降噪研究［D］.青岛：青岛理工大学，2009.

［6］ 付双成，刘雪东，邹鑫，等.倾斜蜗舌对多翼离心风机流场及噪声的影响［J］.噪声与振动控制，2013，（3）：87-89.

［7］ 赵婷，赵忖，任刚，等.倾斜蜗舌对离心风机降噪影响的试验研究［J］.流体机械，2012，40（3）：1-7.

［8］ 韩平，王天堃，孟永毅.基于LSSVM的一次风机振动在线监测及故障预警研究［J］.机电工程，2016，33（5）：629-632.

［9］ 张玉成，仪登利，冯殿义.通风机设计与选型［M］.北京：化学工业出版社，2011.

［10］ 潘华辰，郑灵超，花聪聪，等.离心风机叶轮径向间隙对其泄漏及性能的影响研究［J］.流体机械，2016，44（11）：36-40.

［11］ 董子瑜，丁振宇，陈冰冰，等.带TMD减振装置的高耸设备模型风洞试验［J］.压力容器，2016，33（5）：9-14.

［12］ 国家质量监督局.GB/T 17713-2011吸油烟机［S］.北京：中国标准出版社，2011.