（寧波方太廚具有限公司）

0 引言

多翼離心風(fēng)機(jī)具有體積小，噪聲低、流量大和壓力系數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于生活家電產(chǎn)品中。隨著人們生活水平的提高，對(duì)家電產(chǎn)品的性能提出了更高的要求，隨之，對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)的優(yōu)化也提出了更高的挑戰(zhàn)。多翼離心風(fēng)機(jī)通道由集流器、蝸殼、葉輪和出風(fēng)連接件組成，這些結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化都會(huì)引起其性能的變化[2-3]。

針對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的理論計(jì)算、數(shù)值分析和試驗(yàn)研究。何立博等[4]以全壓為優(yōu)化指標(biāo)，采用數(shù)值模擬，通過(guò)正交分析得到了葉輪部分參數(shù)對(duì)全壓的影響重要性，從大到小依次為輪徑比、葉片數(shù)、進(jìn)口安裝角和出口安裝角。熊仲營(yíng)，王夢(mèng)等[5]對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)的葉片進(jìn)行了仿生設(shè)計(jì)，仿魚(yú)形葉片能夠提升12.5%的風(fēng)量，提升了5.65%的效率，并降低2.78dB左右的噪聲。周水清等[6]考慮壁面的粘性作用對(duì)蝸殼進(jìn)行了改型設(shè)計(jì)，并使用加入粘性項(xiàng)的標(biāo)準(zhǔn)k-ε計(jì)算模型進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算，結(jié)果表明：新蝸殼的出口靜壓較原型機(jī)約提升25Pa，噪聲下降2.5dB。蒲曉敏等[7]基于非均勻葉片對(duì)風(fēng)機(jī)通過(guò)頻率的調(diào)節(jié)，得出了非均勻調(diào)制程度和方式對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的影響規(guī)律?？梢钥吹剑壳按蟛糠盅芯恐饕诜治鰡我蛩氐挠绊懽饔靡约吧倭磕繕?biāo)優(yōu)化研究[8-10]，而風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)之間相關(guān)性較強(qiáng)，評(píng)價(jià)時(shí)需要參考多個(gè)指標(biāo)，因此，有必要對(duì)其更進(jìn)一步深入研究。

本文在他人研究基礎(chǔ)上，以葉輪優(yōu)化為出發(fā)點(diǎn)，以吸油煙機(jī)為落地產(chǎn)品，選取葉輪出口角、進(jìn)口角、葉輪輪徑比、葉片前端斜切深度這4個(gè)參數(shù)，通過(guò)正交試驗(yàn)方法分析了這4個(gè)參數(shù)及其交互作用對(duì)最大風(fēng)量、最大靜壓、全壓效率和噪聲4個(gè)指標(biāo)的影響，能為工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)和借鑒價(jià)值。

1 空氣動(dòng)力性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

整機(jī)空氣動(dòng)力性能（最大靜壓、全壓效率、最大風(fēng)量）測(cè)試遵循GB/T 17713-2011國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)附錄C外排式吸油煙機(jī)空氣性能試驗(yàn)方法[11]。

試驗(yàn)設(shè)備包括多翼離心風(fēng)機(jī)吸油煙機(jī)和空氣性能試驗(yàn)臺(tái)，其中空氣性能試驗(yàn)臺(tái)由連接段、十字整流段、擴(kuò)散段、減壓筒和11塊孔板組成，如圖1所示。吸油煙機(jī)產(chǎn)生的氣流依次通過(guò)空氣性能試驗(yàn)臺(tái)的各個(gè)部件，通過(guò)改變減壓筒后端的孔板即可測(cè)得每一個(gè)工況點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)。

空氣性能試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)為減壓筒內(nèi)的計(jì)示靜壓，通過(guò)GB/T 17713-2011中提供的公式換算即可求得分析所需的最大靜壓值、全壓效率值和最大風(fēng)量值[11]。

圖1 外排式吸油煙機(jī)空氣性能試驗(yàn)裝置Fig.1 The test device for the performance test of air extraction range hood

2 噪聲試驗(yàn)

噪聲測(cè)試遵循GB/T 17713-2011國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)附錄E噪聲試驗(yàn)方法[11]。研究采用全球包絡(luò)法進(jìn)行噪聲的測(cè)試，噪聲值由四個(gè)噪聲測(cè)試探頭測(cè)得的數(shù)據(jù)求平均值得到，探頭位于被測(cè)吸油煙機(jī)葉輪中心低1m的水平面上，四個(gè)點(diǎn)成90°對(duì)稱布置，具體見(jiàn)圖2所示。

圖2 全球包絡(luò)法噪聲測(cè)試點(diǎn)簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of noise test site using the global envelopment analysis

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 正交試驗(yàn)方案

多翼離心風(fēng)機(jī)的性能與葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)息息相關(guān)，本研究基于葉輪重要參數(shù)的正交研究得到各因子間的影響重要性排布。基于前人的研究，葉輪進(jìn)口角α推薦大于60°、葉輪出口角β推薦大于150°、葉輪內(nèi)外徑比D1/D2推薦0.86～0.89、進(jìn)口段斜切深度比h/B推薦小于0.5四個(gè)參數(shù)，本研究針對(duì)各因素取兩個(gè)水平，α，β，D1/D2和h/B的第一水平分別為75°，160°，0.86和0.1，α，β，D1/D2和h/B的第二水平分別為85°，170°，0.89和0.3。

考慮到葉輪進(jìn)口角α、葉輪出口角β、葉輪內(nèi)外徑比D1/D2三個(gè)因素互相關(guān)聯(lián)，可能存在交互作用，采用7因素第二水平的L8(27)正交試驗(yàn)表，方案如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)方案Tab.1 Orthogonal test cases

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 試驗(yàn)指標(biāo)及對(duì)應(yīng)結(jié)果

油煙機(jī)的性能指標(biāo)包含最大風(fēng)量、最大靜壓、全壓效率和噪聲，將這四個(gè)指標(biāo)作為正交分析的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行后續(xù)的單指標(biāo)和多指標(biāo)優(yōu)化分析。因?yàn)楦髦笜?biāo)的量級(jí)與單位都不同，通過(guò)換算公式（1），得到各指標(biāo)數(shù)值的增加或降低百分比來(lái)進(jìn)行后續(xù)的分析，換算后結(jié)果列于表2，用于后續(xù)極差分析。

其中，Mi為第i試驗(yàn)相應(yīng)的指標(biāo)值。

表2中試驗(yàn)組一所有指標(biāo)都為0%，這是因?yàn)楸狙芯坎捎昧税俜种疲⒁缘谝唤M為基準(zhǔn)值。其余第二至第八組分別以正和負(fù)百分比表示，舉例來(lái)說(shuō)，試驗(yàn)組一、二、八組最大靜壓實(shí)測(cè)值分別為357.5Pa，347.3Pa和392Pa，且第八組試驗(yàn)中最大靜壓的極大、較小值分別出現(xiàn)在試驗(yàn)組八和二中，因此，通過(guò)上述提到的換算公式得到試驗(yàn)組二的最大靜壓百分比為-22.82%，試驗(yàn)組八為77.18%，負(fù)值表示實(shí)測(cè)值低于第一組數(shù)據(jù)，正值則反之。另外，在最大風(fēng)量數(shù)據(jù)列中，第八組數(shù)據(jù)為-100%，注意這并非指風(fēng)量變?yōu)?，且第二至第八組百分比都為負(fù)數(shù)，表明第八組中最大風(fēng)量的極大、極小值出現(xiàn)在了第一組和第八組。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)Tab.2 Summary of results in orthogonal test cases

3.2.2 單一指標(biāo)的極差分析

正交試驗(yàn)法可以通過(guò)每一指標(biāo)下各因素水平的極差分析，來(lái)反映各因素及其交互作用對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響權(quán)重的大小。其計(jì)算方法為：計(jì)算第i因素j水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)和Kij，為其平均值，通過(guò)比較Kij或可以得到i因素下的最優(yōu)水平；計(jì)算第i因素的極差值Ri，通過(guò)比較不同因素的Ri，可以得到各因素或交互作用對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度。

表3列出了葉輪進(jìn)口角α、葉輪出口角β、葉輪內(nèi)外徑比D1/D2、進(jìn)口段斜切深度比h/B四個(gè)參數(shù)及其交互作用針對(duì)最大流量、最大靜壓、全壓效率和噪聲作出的極差分析。

表3 額定工況下的最大風(fēng)量、最大靜壓、全壓效率和噪聲的極差分析Tab.3 Variance analysis of maximum flow,maximum static pressure,total pressure efficiency and noise at rated condition

針對(duì)最大風(fēng)量，因素對(duì)其影響程度從大到小依次為β，h/B和α，與D1/D2相關(guān)的極差明顯小于其他項(xiàng)，可認(rèn)為D1/D2的取值不影響最大風(fēng)量這一指標(biāo)，可到最佳因素水平組合為β（1），h/B（1），α（1），β直接關(guān)系到葉輪出口的堵塞情況，這也是出口角為160°的流量大于170°出口角的原因。

針對(duì)最大靜壓，可以明顯看到不同β水平引起的極差值明顯高于其他任意一項(xiàng)的極差值，β越大，風(fēng)機(jī)的壓力系數(shù)越高，對(duì)最大靜壓影響大，α和α與D1/D2的交互作用也有小幅度影響，但與β的極差值相比有5倍多的差距，因此可忽略其影響，可得出優(yōu)選因素水平為水平-1，即170°。

針對(duì)全壓效率，排在前三位的影響因素依次為β，h/B和D1/D2，根據(jù)各因素的大小可得到較優(yōu)因素水平組合為β（-1），h/B（1），D1/D2（1），可以看到，對(duì)于多翼離心風(fēng)機(jī)，雖然葉輪出口角更大，但因流道短，流道扭曲并不一定會(huì)惡化流動(dòng)狀態(tài)，導(dǎo)致效率降低。

針對(duì)噪聲值，與最大靜壓類似，可以明顯看到不同β水平引起的極差值明顯高于其他任意一項(xiàng)的極差值，噪聲值是越小越好，因此較優(yōu)的β水平為-1，即170°，這可能是因?yàn)棣螺^大時(shí)盡管惡化了流道，但壓力系數(shù)升高下，圓周速度會(huì)降低導(dǎo)致渦流噪聲低，α與D1/D2的交互作用也有小幅度影響，但比起β的影響也有5倍左右的差距。

以上分析均為基于單項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行的評(píng)價(jià)，但考慮風(fēng)機(jī)效率時(shí)需要綜合各方面的指標(biāo)，最后權(quán)衡得到最優(yōu)解為β（-1），h/B（1），α（1），D1/D2（1）。針對(duì)上述單指標(biāo)影響進(jìn)行直觀分析，影響最大的因素是β，其對(duì)所有指標(biāo)均為第一影響因素，但不同水平在不同指標(biāo)中表現(xiàn)并不一樣，其中-1水平為3個(gè)指標(biāo)（最大靜壓、全壓效率、噪聲）的較優(yōu)解，但惡化了最大流量，綜合建議優(yōu)選β為-1水平，即170°；其次是h/B占據(jù)了兩個(gè)指標(biāo)的第二大影響因素，優(yōu)選均勻水平1，即0.1的比例；隨后是α和D1/D2，α對(duì)于最大風(fēng)量是第三大影響因素，而D1/D2是全壓效率的第三位影響因素，α和D1/D2的交互作用對(duì)噪聲值和最大靜壓也有一定的影響，綜合而言優(yōu)選α（1），D1/D2（1）。

3.2.3 多指標(biāo)的綜合評(píng)分分析

上述針對(duì)每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行極差分析，然后再根據(jù)分析的結(jié)果進(jìn)行綜合平衡，在平衡過(guò)程中帶有較大的主觀性，因此，以下采用綜合評(píng)分法，針對(duì)不同指標(biāo)賦予不同的權(quán)重并歸納為一綜合指標(biāo)進(jìn)行分析，得到最優(yōu)的方案。

表4 額定工況下的綜合指標(biāo)的極差分析Tab.4 Variance analysis of aggregative indicator at rated condition

從表4可以看出，排在前4位的影響因素依次為出口角β、進(jìn)口段斜切深度比h/B、進(jìn)口角α與葉輪內(nèi)外徑比D1/D2的交互作用、進(jìn)口角α。出口角β仍占據(jù)第一位，這是因?yàn)槌隹诮嵌圈屡c風(fēng)機(jī)的壓力系數(shù)息息相關(guān)，且對(duì)流道彎曲程度的影響也較大，對(duì)各個(gè)指標(biāo)都有較大影響。

表5列出了α與D1/D2兩水平下的交互作用，這是因?yàn)棣僚cD1/D2交互作用對(duì)綜合評(píng)分也有一定影響，因此有必要進(jìn)行分析。從表中可以看到，四組值中α和D1/D2都取水平1時(shí)綜合指標(biāo)值為0.162，為最佳值，這與表4中α和D1/D2較優(yōu)選擇正好吻合。因此根據(jù)值和交互作用表，得到最優(yōu)解為β（-1）,h/B（1）,α（1）,D1/D2（1）。

表5 兩元素交互作用Tab.5 Interaction betweenαandD1/D2

進(jìn)一步，針對(duì)選出的最優(yōu)方案進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)實(shí)測(cè)值如下：最大風(fēng)量為16.94m3/min、噪聲為57.47dB、最大靜壓為384Pa、全壓效率為27.05%。采用公式1對(duì)各指標(biāo)實(shí)測(cè)值進(jìn)行百分?jǐn)?shù)換算，后采用公式（2）計(jì)算出綜合指標(biāo)值為0.281，原8組試驗(yàn)中，綜合評(píng)分最高的方案為試驗(yàn)4，值為0.193，盡管最大風(fēng)量降低了，但綜合來(lái)看，總體性能還是同比提升45.6%，需要注意的是在換算成百分?jǐn)?shù)時(shí)，各組指標(biāo)值都以第一組進(jìn)行了差值計(jì)算，因此這里的提升量是相對(duì)值，并非是實(shí)測(cè)值的絕對(duì)提升量。

4 結(jié)論

本研究運(yùn)用正交試驗(yàn)的方法，研究了葉輪進(jìn)口角α、葉輪出口角β、葉輪內(nèi)外徑比D1/D2、進(jìn)口段斜切深度比h/B四個(gè)因素及其交互作用對(duì)以吸油煙機(jī)為應(yīng)用場(chǎng)景的多翼離心風(fēng)機(jī)的多性能指標(biāo)優(yōu)化的影響，得出以下結(jié)論：

1）試驗(yàn)選取的四個(gè)因素及其交互作用對(duì)不同指標(biāo)的影響程度并非一致。其中，出口角β對(duì)各個(gè)指標(biāo)都為顯著影響因素，因出口角與葉輪壓力系數(shù)、流道彎曲程度息息相關(guān)，但進(jìn)口段斜切深度h/B對(duì)最大風(fēng)量的影響排在第二位，對(duì)最大靜壓的影響反而排在第六位，這是因?yàn)檫M(jìn)口段斜切深度主要改善的是葉輪進(jìn)口氣流，使得氣流更易進(jìn)入葉片流道；

2）不同水平在不同指標(biāo)中的表現(xiàn)也并非一致，例如，因出口角加大，壓力系數(shù)增大，但流道更為不通暢，導(dǎo)致出口角β為160°時(shí)，最大風(fēng)量較優(yōu)，但最大靜壓卻較差；

3）研究通過(guò)單指標(biāo)的極差權(quán)衡分析，和多指標(biāo)綜合評(píng)分分析，均得到了最優(yōu)的各因素水平方案，其均為β（170），h/B（0.1），α（75），D1/D2（0.86），優(yōu)化后的方案綜合性能指標(biāo)相比試驗(yàn)組8組方案的最高值提升45.6%。