前倾式离心风机叶轮设计参数对空气净化器性能的影响研究

蔺勇智， 刘东海， 杨 辉

（1.无限极（中国）有限公司， 广东 广州 510663； 2.浙江星月电器有限公司， 浙江 永康 321300）

0 引言

空气净化器作为有效的室内空气净化处理设备一直被专家学者们研究及认可。离心风机应用广泛，也是大风量空气净化器所采用的核心部件及动力来源。 离心风机叶轮的关键设计参数对风机的性能影响较大， 其中离心风机叶轮叶片的关键角度设计参数对空气净化器的CADR 值（Clean Air Delivery Rate，洁净空气量）、功率值、噪音值及能效等指标影响较为明显。 当前在空气净化器研发制造行业内， 对于离心风机叶轮叶片角度设计参数影响整机性能的研究并不多。

多年来， 为了进一步的改善风机性能及了解离心风机内部的复杂流体情况， 国内外众多学者进行了大量研究与试验。 其中一部分学者通过理论计算结合试验验证为主要手段进行研究[1-4]。 其中有学者根据多翼离心通风机叶轮的3 个主要特征参数，即出口安装角、进口安装角及轮径比作为影响因素， 每个因素取3 个水平进行正交试验，并采用方差分析法对结果进行分析[1-2]，这种方法需要制作9 种不同的叶轮手板， 成本较高， 测试周期也较长。 也有学者主要通过变更离心风叶的单一参数来测试验证其对产品的性能影响[3-4]，这种方法无法确认叶轮其他重要参数对产品性能的影响。 另外一部分学者利用基于流体力学的计算机辅助设计及仿真为主要手段进行研究[5-7]，随着近些年来计算机技术和流体力学计算技术的发展， 计算机辅助设计及仿真技术在风机风道技术研究中应用的越来越广， 其可以作为一种有效的仿真验证工具， 辅助研究人员快速寻找风机风道设计不足点及迭代优化方向。但是单靠计算机辅助仿真还是不够的，研究人员在确定叶轮结构优化方向后， 新叶轮仍需要做手板并通过试验测试验证， 反向论证计算机仿真的趋势性结论是否与实际一致。 这样做的好处是通过计算机辅助仿真技术来减少实际样品的手板制作数量及试验测试次数、降低研发成本及缩短产品的开发周期[8]。

1 叶轮建模及仿真分析

1.1 叶轮叶片参数确认

表1 为叶轮叶片非变量数据表，通过调整其卷角θ 及出口角β2来改变叶轮结构，详细叶轮叶片变量数据表见表2。

表1 叶轮叶片非变量数据表Tab.1 Non variable data table of impeller blade

表2 叶轮叶片变量数据表Tab.2 Variable data table of impeller blade

1.2 叶轮建模及简化

根据表1、表2 数据对#1～#5 叶轮分别建模，叶轮建模图纸的简化模型见图1。

图1 风机叶轮简化模型Fig.1 Simplified model of fan impeller

1.3 仿真分析

将装有5 种叶轮结构方案的整机简化模型分别导入Flow Simulation 软件中， 并将5 种叶轮方案仿真对象的计算域、叶轮转速、 多孔介质、 边界条件、目标、 网格等设置为相同的参数。其中将叶轮转速定义为n=900rpm， 滤网作为多孔介质定义为各向同性， 通过测量滤网样品可得知压降与流速的关系，见图2，从而得出滤网在不同流速下对应的滤网阻力值。

图2 滤网压降-流速实测曲线Fig.2 Pressure drop current velocity measured curve of filter

对5 种方案模型分别进行流体仿真分析， 其仿真分析数据包含：风机风道两侧进风口截面最大流速、流体区域声学能量等级、 出风口最大流速及出风口最大流量5个指标。 仿真结果截图详见图3-图6。

图3 进风口65mm 截面处最大流速仿真（电机安装侧）Fig.3 Simulation of the maximum flow velocity at the 65mm section of the air intake（motor installation side）

图4 进风口65mm 截面处最大流速仿真（非电机安装侧）Fig.4 Simulation of the maximum flow velocity at the 65mm section of the air intake（non motor installation side）

图5 流体区域声学能量等级仿真Fig.5 Simulation of acoustic energy level in fluid area

图6 出风口最大流速及流量仿真Fig.6 Simulation of maximum velocity and flow at air outlet

从表3 仿真数据可得出以下几点结论：

表3 计算机仿真数据统计表Tab.3 Statistical table of computer simulation datas

（1）#1～#3 叶轮结构出风口最大流量未达到目标值900m3/h 要求，且两侧进风不均匀。

（2）#4 叶轮结构两侧进风口的最大流速几乎相当，说明两侧进风均匀。

（3）#4 叶轮结构对比#3 叶轮结构， 出风口最大流量增加约90m3/h，声学能量等级却降低了0.68dB。

2.1.4 急性型发生在适宜的发病条件下，感病品种的叶片常产生暗绿色近圆至椭圆形的病斑，正反两面都有大量灰色霉层，这种病斑是大流行的先兆，但若天气转晴、温度小，可转为慢性型病斑。

（4）#5 叶轮结构对比#4 叶轮结构， 虽然出风口最大流量达到984.6m3/h，但是其两侧进风不均匀，且声学能量等级比#4 叶轮结构升高0.92dB。

（5）卷角θ 从0.2°到3.88°逐渐微调的同时，出口角β2值在研究区间内并非越小越好，当β2值从28°变为25°时，产品性能参数由优转差。

不论从目标风量值、两侧进风均匀性还是流体域声学能量大小来综合评估，#4 叶轮均占优。 所以，从仿真结果来看，初步可以确认#4 叶轮是比较理想的结构设计方案。

由于计算机辅助仿真较易受风机风道内部流体环境的复杂性、边界条件设置、模型简化、网格划分数量以及对计算机性能要求高等因素的影响及限制， 可能会导致其仿真结果与实际测试数据有差异， 计算机辅助仿真一般仅能找到规律性的趋势及结构设计迭代优化方向，并不能代表产品性能的实际测试值。 为了进一步验证仿真趋势及结果的准确性，需要制作叶轮手板实际测试验证。

结合仿真结论， 为节省手板样品制作成本及缩短测试周期， 考虑到#1 叶轮结构产品出风口风量最小及#5叶轮结构产品噪音最大， 所以将#1 叶轮与#5 叶轮先淘汰。 将#2、#3 及#4 叶轮制作结构手板及试验测试验证，通过试验测试数据与仿真结果进行对比及分析。

2 手板制作与试验测试

2.1 确定试验测试方法

（1）颗粒物CADR 测试方法。颗粒物的过滤效果测量参考GB/T 18801-2015《空气净化器》[9]中要求的方法，以香烟烟雾中的颗粒物作为污染源。采集测试数据后使用GB/T 18801-2015《空气净化器》中要求的流程计算该空气净化器的CADR。

（2）整机噪音测试方法。整机噪音测试依据GB/T 4214.1-2017《家用和类似用途电器噪声测试方法通用要求》[10]中要求的方法，测量表面为带有9 个测点的矩形六面体。采集测试数据后使用各测点平均声压级的计算方法计算出该空气净化器的噪音值，再换算为声功率级。

图7 叶轮手板样品Fig.7 Sample of impeller hand board

2.2 试验测试结果及分析

根据测试标准及方法，记录装有#2、#3 及#4 风轮的整机试验数据如表4 及图8 所示。

表4 试验测试结果数据表Tab.4 Data table of test results

图8 三种出口角对应的颗粒物CADR、噪音及电机功率数据图（定转速900rpm）Fig.8 Data diagram of particle CADR，noise and motor power corresponding to three outlet angles （constant speed 900rpm）

从表4 及图8 可以更加清晰的看到，当风机转速n=900rpm，出口角β2=28°时，即装有#4 叶轮的整机颗粒物CADR 值较高，噪音值较低，这说明装有#4 叶轮的整机结构设计较为合理，产品出风更加顺畅，也同时说明了实际测试数据与仿真趋势基本一致。

通过计算机仿真设计及试验测试验证，印证#4 叶轮是产品较优的叶轮结构，从而可以较为精准的评估#4 叶轮结构可以进入模具开发阶段。

3 结论

本文以享优乐空气净化器为例， 叶轮结构设计过程中通过调整其叶片卷角θ 及出口角β2两项参数，依据计算机仿真结果分析来减少叶轮手板制作数量， 并结合试验测试装有不同参数手板离心风机叶轮的空气净化器的性能指标，用实际测试结果与仿真结果进行比对，印证了#4 叶轮是该产品较优的结构设计方案。

本文通过计算机仿真技术及试验测试验证相结合的方法对享优乐空气净化器的叶轮结构设计进行研究、设计优化与测试验证。 研究结果表明： 针对此款空气净化器，当转速恒定为900rpm 时，在叶轮的入口角不变的情况下，卷角在0.2°-2.95°以内逐渐增加，出口角在55°-28°以内逐渐减小时，空气净化器出风口风量逐步提升，同时非稳态出风噪音逐渐减小，风声听感越舒适。

通过此方式设计及优化的叶轮结构可以做到较为精准匹配性能目标值， 而且还可以缩短开发周期及降低手板结构件制作费用， 对空气净化器品类产品风机风道研发设计有一定的借鉴意义。