贯流风机风道系统的抗风阻性能试验与分析

金 龙，黄鉴良，黎金强，段华锋

（珠海三友环境技术有限公司，广东 珠海 519000）

0 引言

随着科技创新生产力不断发展，消费者的生活质量、生活品质有了大步提升，对使用的产品功能、性能等要求也越来越高，为了提高空调产品在市场上的竞争力，设计的深入点不止于整机的性能，还在深入到产品使用体验上。空调运行过程中通过两器与外界的气流进行热交换来实现对环境的温度的调节，其内部风风机系统启到了很大的作用，贯流风机系统是家用空调器中应用最为广泛的一种[1]。

贯流风机工作气流从风叶一端进入从另一端排出，气流在叶轮内被强制转向，能量损耗大，且内部气流存在一部分回流并产生了非稳态的偏心涡区域，当使用环境、风道系统结构的改变都将会对风道系统的风量、噪声有着不同程度的影响，但贯流风机风道系统结构简单、体积小、噪声低、风量变化范围大，其特点十分满足家用电器的要求，因此在家用内机壁挂空调得到了广泛的应用[2ˉ3]。目前对贯流风机偏心涡、贯流风叶几何形状的特性有不少实验研究，也发展了很多不同的降低气动噪声的方法和技术，已有相应的试验装置用于这方面的研究。本文以风机系统气动特性为基础，研究了空调内机运行过程中的风道抗风阻性能，模拟了机器由于安装空间不够、滤网脏堵、电机反馈较慢等情况下的喘气噪声，以试验为依据分析其过程中风道系统对其影响因素，得出了提高抗风阻性能的方法以及抗风阻性能的评估指数。

1 贯流风机风道系统结构

本文主要研究了VINO 牌家用空调内机的贯流风机系统，如图1 所示为贯流风道系统截面，其由进风口、蒸发器部件、贯流风叶、蜗壳、蜗舌、出风口等结构组成，其中风叶直径ϕ98，叶片数量35，风叶叶片的内外直径比为0.8，叶片的外周角为26°、内周角为90°。风道系统采用前、后蜗舌方案，其中前蜗舌与风叶的距离为4.5 mm，后蜗舌与风叶的间隙为5.5 mm。风道系统出风口上端面与下端面的风口夹角为20°[4]。本文将对以上部分因素通过试验测试方法分析对整机的抗风阻性能的影响。

图1 空调内机贯流风机风道截面Fig.1 The cross section of cross flow fan duct in air conditioner

2 试验与分析

2.1 喘振分析

贯流风机风道系统中的动压、静压在运行时是处于动态平衡状态，试验中发现风叶转速、风道系统进风口和出风口阻力发生变化后，贯流风机内部的偏心涡的强度、范围会随之发生变化并向稳定状态进行动态调节，其风道内部的动压Pbi、风道出口动压Pbo两者相互转化，电机则通过持续调节转速来平衡风道内部气流的波动，内部压差越大越易受到外界的干扰，此时出风口就会出现连续不断的喘振声。测试发现风叶运行时转速波动越小，整个系统累计风量越大，反之风机系统中存在喘振情况会直接降低了风机的效率。贯流风机风道系统内部的蜗舌与风叶之间的距离也对其性能有影响，距离越小则风量越大[1]。出风口的尺寸、角度可调节风道出风阻尼，尺寸和角度减小，风叶也会减小。通过分析，在相同条件下，其可控且影响风机性能的因素[5-6]应有如下关系：

式中：Pbi为风道内部的动压；Pbo为风道出口动压；N为风叶叶片数量；Δω为风叶旋转波动幅度；η1为风叶作用效率；1/ε1为风叶与前蜗舌间隙的倒数；1/ε2为风叶与后蜗舌间隙的倒数；1/θ为风道出风口开口角度的倒数；D为风道出风口开口距离。

式（1）描述了对其风道系统性能的影响趋势，通过更改相关参数可对风道内部动压、风叶转动波动进行调节，以降低实际使用过程中由于内部气流不稳而造成的喘振声，本文按照此思路对空调内机风道系统参数进行优化分析试验[7ˉ8]。

2.2 试验方案与设计

进风口与天花板距离太近，长时间使用易造成进风口过滤网脏堵，都增大了进风阻力，影响了风道系统内部的动压、风道系统内部的偏心涡。按机器安装情况，本文设置进风口面与天花板之间的距离为15 cm，并采用多层60 目塑料滤网模拟滤网脏堵程度，空调出风口导风板固定到第3 定格，风机转速设置850 r/min 挡位，测试内机在更改影响喘振声因素后持续运行1 min内的喘振次数，并以此作为各因素影响强弱的指标来评估现有机器的抗风阻性能，测试工况设置如2所示。

图2 抗风阻性能模拟试验示意图Fig.2 Schematic diagram of wind resistance performance simulation experiment

2.3 抗风阻性能试验与分析

（1）出风口对风道系统抗风阻性能的影响

调节出风口的结构能够调整风道内部气流气压，当减小出风口角度或距离时，风道内部的气压会增大，对应的Pbi/Pbo值会相对增大，但是风量会降低，出风口的气流速度会增大，此更改提高了干扰能力，减弱了由内部气压不稳定而产生的喘振声，反之出风口尺寸增大，风量增加，但抗风阻性能会降低。实际应用时，减小了出风口的尺寸或者更改了出风口的角度都将会导致风道系统的产生的风量会有所减小，此调整需要按照实际性能要求调节风口尺寸[9ˉ10]。本节减小了风道系统出风口上下端面之间距离以及开口角度，风机转速在850 r/min进行了抗风阻性能测试，如图3 所示更改前原样机在1 min 内没有喘气声条件下在能够堆叠2、3 层滤网，在更改了出风口结构后在其抗风阻性能有一定提升，能够做到4、5层，有一定的改善。

图3 出风口尺寸对风道系统抗风阻性能的影响Fig.3 Influence of outlet size on wind resistance performance of air duct system

（2）前蜗舌结构对风道系统抗风阻性能的影响

蜗舌的位置和结构贯流风道系统性能有显著影响，蜗舌分割点与风叶越近，产生的偏心涡范围减小，风量增大直接影响内部的动压增大，风阻性能也会增大。本节设计了加高前蜗舌、减小了蜗舌与贯流风机的距离两种方案进行了抗风阻性能测试，如图4 所示，测试数据显示前蜗舌加高后对抗风阻性能没有改善，但减小了蜗舌与贯流风机距离风道系统的抗风阻性能相对原样机有2 层的提高，此更改风量有一定程度的提高，在相同情况下偏心涡的范围减小，内部动压增大，受到相同进风口阻尼时抗风阻性能明显增强。

图4 前蜗舌对风道系统抗风阻性能的影响Fig.4 Influence of anterior cochlear tongue on wind resistance of air duct system

（3）风叶叶型对风道系统抗风阻性能的影响

理论分析更换不同形式风叶目的在于更改风道系统内部的气流强度以及气流方向。图5 所示为原机型状态下更换了不同形式的风叶后测试的风道系统抗风阻性能指数，其中原风叶1的叶型与风叶2的叶型是一致的，区别在于风叶2增加了中结密封结构，风叶2能够很好的将每个中结内的气流分割，减小出现气动串动，降低了气压不稳，提高了风叶转速稳定性。其中风叶3 是斜齿风叶，旋转过程中对气流作用与出口方向存在一定的夹角，使内部气流动存在一定方向，整个风道内偏向侧受到气压作用，对应的区域气压升高，相对不稳定的区域减小，这也提高了风叶转速稳定性，虽然相对于直齿风叶风量偏低，但气动特性相对稳定。风叶其匹配性要求较高，不同的风道表现出的结果不同，需要通过多组试验才能得到与风道系统最为匹配的风叶叶型[7ˉ8]。从测试数据看，针对性更换风叶，抗风阻性能有1～2 层的提升，并且风叶3 提升较风叶2 好，斜齿风叶带来的气动特性会更好。

图5 风叶结构对风道系统抗风阻性能的影响Fig.5 Influence of blade structure on wind resistance performance of air duct system

（4）电机参数对风道系统抗风阻性能的影响

为了减小由气流气压不稳而导致电机转速的波动，本节换大扭矩电机，同时还缩短了调节了控制电机反馈的周期，将电机反馈周期缩短一半，对以上两种方案也进行了抗风阻性能测试，测试结果如图6 所示，其上述更改抗风阻性能指数只有1 层滤网的提升，效果不明显[11]。

图6 电机、控制逻辑对风道系统抗风阻性能的影响Fig.6 Influence of motor and control logic on wind resistance performance of air duct system

（5）试验样机优化前、后的抗风阻性能指数分析

通过对各因素抗风阻性能的更改方案实施成本分析，在满足性能的要求下，更改风道系统中前蜗舌结构、更换风叶以及调整电机控制逻辑成本最低。图7 所示为样机按此方案调整前后4 台样机抗风阻性能指数，数据显示更改前后的抗风阻性至少有4 层滤网性能提升，且进风口滤网堆叠数量都能够达到7 层，也说明了优化方案是有效的。

图7 样机优化前、后的抗风阻性能指数Fig.7 The wind resistance performance index of the prototype before and after optimization

对抗风阻性能达到7 层滤网的样机，更换上已经严重脏堵的滤网和蒸发器部件后运行时没有出现喘振声，这说明了可将7层60目滤网堆叠在进风口处1 min内不产生喘振声的要求作为贯流风机系统的抗风阻性能评估指数，满足此要求的空调内机，长时间使用出现喘振声的概率更低。

3 结束语

本文通过分析了贯流风叶方案的空调内机前蜗舌结构、更换不同叶型风叶等参数对抗风阻性能的影响，设计了能够评估贯流风机系统的抗风阻性能测试方案。通过多组试验测试数据显示，在空调内机进风口堆叠7 层60 目滤网且1 min 内出风口没有出现喘振声可作为新开发的贯流分析风道系统抗风阻性能评估指数，此不仅为出现喘振问题的已定形的机器提供解决方案，还为以后贯流风道结构设计以及贯流风机系统的抗风阻性能评估提供参考依据。