金 龍,黃鑒良,黎金強(qiáng),段華鋒
(珠海三友環(huán)境技術(shù)有限公司,廣東 珠海 519000)
隨著科技創(chuàng)新生產(chǎn)力不斷發(fā)展,消費(fèi)者的生活質(zhì)量、生活品質(zhì)有了大步提升,對使用的產(chǎn)品功能、性能等要求也越來越高,為了提高空調(diào)產(chǎn)品在市場上的競爭力,設(shè)計(jì)的深入點(diǎn)不止于整機(jī)的性能,還在深入到產(chǎn)品使用體驗(yàn)上??照{(diào)運(yùn)行過程中通過兩器與外界的氣流進(jìn)行熱交換來實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的溫度的調(diào)節(jié),其內(nèi)部風(fēng)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)啟到了很大的作用,貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)是家用空調(diào)器中應(yīng)用最為廣泛的一種[1]。
貫流風(fēng)機(jī)工作氣流從風(fēng)葉一端進(jìn)入從另一端排出,氣流在葉輪內(nèi)被強(qiáng)制轉(zhuǎn)向,能量損耗大,且內(nèi)部氣流存在一部分回流并產(chǎn)生了非穩(wěn)態(tài)的偏心渦區(qū)域,當(dāng)使用環(huán)境、風(fēng)道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變都將會對風(fēng)道系統(tǒng)的風(fēng)量、噪聲有著不同程度的影響,但貫流風(fēng)機(jī)風(fēng)道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、噪聲低、風(fēng)量變化范圍大,其特點(diǎn)十分滿足家用電器的要求,因此在家用內(nèi)機(jī)壁掛空調(diào)得到了廣泛的應(yīng)用[2ˉ3]。目前對貫流風(fēng)機(jī)偏心渦、貫流風(fēng)葉幾何形狀的特性有不少實(shí)驗(yàn)研究,也發(fā)展了很多不同的降低氣動噪聲的方法和技術(shù),已有相應(yīng)的試驗(yàn)裝置用于這方面的研究。本文以風(fēng)機(jī)系統(tǒng)氣動特性為基礎(chǔ),研究了空調(diào)內(nèi)機(jī)運(yùn)行過程中的風(fēng)道抗風(fēng)阻性能,模擬了機(jī)器由于安裝空間不夠、濾網(wǎng)臟堵、電機(jī)反饋較慢等情況下的喘氣噪聲,以試驗(yàn)為依據(jù)分析其過程中風(fēng)道系統(tǒng)對其影響因素,得出了提高抗風(fēng)阻性能的方法以及抗風(fēng)阻性能的評估指數(shù)。
本文主要研究了VINO 牌家用空調(diào)內(nèi)機(jī)的貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng),如圖1 所示為貫流風(fēng)道系統(tǒng)截面,其由進(jìn)風(fēng)口、蒸發(fā)器部件、貫流風(fēng)葉、蝸殼、蝸舌、出風(fēng)口等結(jié)構(gòu)組成,其中風(fēng)葉直徑?98,葉片數(shù)量35,風(fēng)葉葉片的內(nèi)外直徑比為0.8,葉片的外周角為26°、內(nèi)周角為90°。風(fēng)道系統(tǒng)采用前、后蝸舌方案,其中前蝸舌與風(fēng)葉的距離為4.5 mm,后蝸舌與風(fēng)葉的間隙為5.5 mm。風(fēng)道系統(tǒng)出風(fēng)口上端面與下端面的風(fēng)口夾角為20°[4]。本文將對以上部分因素通過試驗(yàn)測試方法分析對整機(jī)的抗風(fēng)阻性能的影響。
圖1 空調(diào)內(nèi)機(jī)貫流風(fēng)機(jī)風(fēng)道截面Fig.1 The cross section of cross flow fan duct in air conditioner
貫流風(fēng)機(jī)風(fēng)道系統(tǒng)中的動壓、靜壓在運(yùn)行時(shí)是處于動態(tài)平衡狀態(tài),試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)風(fēng)葉轉(zhuǎn)速、風(fēng)道系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口阻力發(fā)生變化后,貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)部的偏心渦的強(qiáng)度、范圍會隨之發(fā)生變化并向穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié),其風(fēng)道內(nèi)部的動壓Pbi、風(fēng)道出口動壓Pbo兩者相互轉(zhuǎn)化,電機(jī)則通過持續(xù)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來平衡風(fēng)道內(nèi)部氣流的波動,內(nèi)部壓差越大越易受到外界的干擾,此時(shí)出風(fēng)口就會出現(xiàn)連續(xù)不斷的喘振聲。測試發(fā)現(xiàn)風(fēng)葉運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速波動越小,整個(gè)系統(tǒng)累計(jì)風(fēng)量越大,反之風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中存在喘振情況會直接降低了風(fēng)機(jī)的效率。貫流風(fēng)機(jī)風(fēng)道系統(tǒng)內(nèi)部的蝸舌與風(fēng)葉之間的距離也對其性能有影響,距離越小則風(fēng)量越大[1]。出風(fēng)口的尺寸、角度可調(diào)節(jié)風(fēng)道出風(fēng)阻尼,尺寸和角度減小,風(fēng)葉也會減小。通過分析,在相同條件下,其可控且影響風(fēng)機(jī)性能的因素[5-6]應(yīng)有如下關(guān)系:
式中:Pbi為風(fēng)道內(nèi)部的動壓;Pbo為風(fēng)道出口動壓;N為風(fēng)葉葉片數(shù)量;Δω為風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)波動幅度;η1為風(fēng)葉作用效率;1/ε1為風(fēng)葉與前蝸舌間隙的倒數(shù);1/ε2為風(fēng)葉與后蝸舌間隙的倒數(shù);1/θ為風(fēng)道出風(fēng)口開口角度的倒數(shù);D為風(fēng)道出風(fēng)口開口距離。
式(1)描述了對其風(fēng)道系統(tǒng)性能的影響趨勢,通過更改相關(guān)參數(shù)可對風(fēng)道內(nèi)部動壓、風(fēng)葉轉(zhuǎn)動波動進(jìn)行調(diào)節(jié),以降低實(shí)際使用過程中由于內(nèi)部氣流不穩(wěn)而造成的喘振聲,本文按照此思路對空調(diào)內(nèi)機(jī)風(fēng)道系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析試驗(yàn)[7ˉ8]。
進(jìn)風(fēng)口與天花板距離太近,長時(shí)間使用易造成進(jìn)風(fēng)口過濾網(wǎng)臟堵,都增大了進(jìn)風(fēng)阻力,影響了風(fēng)道系統(tǒng)內(nèi)部的動壓、風(fēng)道系統(tǒng)內(nèi)部的偏心渦。按機(jī)器安裝情況,本文設(shè)置進(jìn)風(fēng)口面與天花板之間的距離為15 cm,并采用多層60 目塑料濾網(wǎng)模擬濾網(wǎng)臟堵程度,空調(diào)出風(fēng)口導(dǎo)風(fēng)板固定到第3 定格,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置850 r/min 擋位,測試內(nèi)機(jī)在更改影響喘振聲因素后持續(xù)運(yùn)行1 min內(nèi)的喘振次數(shù),并以此作為各因素影響強(qiáng)弱的指標(biāo)來評估現(xiàn)有機(jī)器的抗風(fēng)阻性能,測試工況設(shè)置如2所示。
圖2 抗風(fēng)阻性能模擬試驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of wind resistance performance simulation experiment
(1)出風(fēng)口對風(fēng)道系統(tǒng)抗風(fēng)阻性能的影響
調(diào)節(jié)出風(fēng)口的結(jié)構(gòu)能夠調(diào)整風(fēng)道內(nèi)部氣流氣壓,當(dāng)減小出風(fēng)口角度或距離時(shí),風(fēng)道內(nèi)部的氣壓會增大,對應(yīng)的Pbi/Pbo值會相對增大,但是風(fēng)量會降低,出風(fēng)口的氣流速度會增大,此更改提高了干擾能力,減弱了由內(nèi)部氣壓不穩(wěn)定而產(chǎn)生的喘振聲,反之出風(fēng)口尺寸增大,風(fēng)量增加,但抗風(fēng)阻性能會降低。實(shí)際應(yīng)用時(shí),減小了出風(fēng)口的尺寸或者更改了出風(fēng)口的角度都將會導(dǎo)致風(fēng)道系統(tǒng)的產(chǎn)生的風(fēng)量會有所減小,此調(diào)整需要按照實(shí)際性能要求調(diào)節(jié)風(fēng)口尺寸[9ˉ10]。本節(jié)減小了風(fēng)道系統(tǒng)出風(fēng)口上下端面之間距離以及開口角度,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在850 r/min進(jìn)行了抗風(fēng)阻性能測試,如圖3 所示更改前原樣機(jī)在1 min 內(nèi)沒有喘氣聲條件下在能夠堆疊2、3 層濾網(wǎng),在更改了出風(fēng)口結(jié)構(gòu)后在其抗風(fēng)阻性能有一定提升,能夠做到4、5層,有一定的改善。
圖3 出風(fēng)口尺寸對風(fēng)道系統(tǒng)抗風(fēng)阻性能的影響Fig.3 Influence of outlet size on wind resistance performance of air duct system
(2)前蝸舌結(jié)構(gòu)對風(fēng)道系統(tǒng)抗風(fēng)阻性能的影響
蝸舌的位置和結(jié)構(gòu)貫流風(fēng)道系統(tǒng)性能有顯著影響,蝸舌分割點(diǎn)與風(fēng)葉越近,產(chǎn)生的偏心渦范圍減小,風(fēng)量增大直接影響內(nèi)部的動壓增大,風(fēng)阻性能也會增大。本節(jié)設(shè)計(jì)了加高前蝸舌、減小了蝸舌與貫流風(fēng)機(jī)的距離兩種方案進(jìn)行了抗風(fēng)阻性能測試,如圖4 所示,測試數(shù)據(jù)顯示前蝸舌加高后對抗風(fēng)阻性能沒有改善,但減小了蝸舌與貫流風(fēng)機(jī)距離風(fēng)道系統(tǒng)的抗風(fēng)阻性能相對原樣機(jī)有2 層的提高,此更改風(fēng)量有一定程度的提高,在相同情況下偏心渦的范圍減小,內(nèi)部動壓增大,受到相同進(jìn)風(fēng)口阻尼時(shí)抗風(fēng)阻性能明顯增強(qiáng)。
圖4 前蝸舌對風(fēng)道系統(tǒng)抗風(fēng)阻性能的影響Fig.4 Influence of anterior cochlear tongue on wind resistance of air duct system
(3)風(fēng)葉葉型對風(fēng)道系統(tǒng)抗風(fēng)阻性能的影響
理論分析更換不同形式風(fēng)葉目的在于更改風(fēng)道系統(tǒng)內(nèi)部的氣流強(qiáng)度以及氣流方向。圖5 所示為原機(jī)型狀態(tài)下更換了不同形式的風(fēng)葉后測試的風(fēng)道系統(tǒng)抗風(fēng)阻性能指數(shù),其中原風(fēng)葉1的葉型與風(fēng)葉2的葉型是一致的,區(qū)別在于風(fēng)葉2增加了中結(jié)密封結(jié)構(gòu),風(fēng)葉2能夠很好的將每個(gè)中結(jié)內(nèi)的氣流分割,減小出現(xiàn)氣動串動,降低了氣壓不穩(wěn),提高了風(fēng)葉轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性。其中風(fēng)葉3 是斜齒風(fēng)葉,旋轉(zhuǎn)過程中對氣流作用與出口方向存在一定的夾角,使內(nèi)部氣流動存在一定方向,整個(gè)風(fēng)道內(nèi)偏向側(cè)受到氣壓作用,對應(yīng)的區(qū)域氣壓升高,相對不穩(wěn)定的區(qū)域減小,這也提高了風(fēng)葉轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性,雖然相對于直齒風(fēng)葉風(fēng)量偏低,但氣動特性相對穩(wěn)定。風(fēng)葉其匹配性要求較高,不同的風(fēng)道表現(xiàn)出的結(jié)果不同,需要通過多組試驗(yàn)才能得到與風(fēng)道系統(tǒng)最為匹配的風(fēng)葉葉型[7ˉ8]。從測試數(shù)據(jù)看,針對性更換風(fēng)葉,抗風(fēng)阻性能有1~2 層的提升,并且風(fēng)葉3 提升較風(fēng)葉2 好,斜齒風(fēng)葉帶來的氣動特性會更好。
圖5 風(fēng)葉結(jié)構(gòu)對風(fēng)道系統(tǒng)抗風(fēng)阻性能的影響Fig.5 Influence of blade structure on wind resistance performance of air duct system
(4)電機(jī)參數(shù)對風(fēng)道系統(tǒng)抗風(fēng)阻性能的影響
為了減小由氣流氣壓不穩(wěn)而導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動,本節(jié)換大扭矩電機(jī),同時(shí)還縮短了調(diào)節(jié)了控制電機(jī)反饋的周期,將電機(jī)反饋周期縮短一半,對以上兩種方案也進(jìn)行了抗風(fēng)阻性能測試,測試結(jié)果如圖6 所示,其上述更改抗風(fēng)阻性能指數(shù)只有1 層濾網(wǎng)的提升,效果不明顯[11]。
圖6 電機(jī)、控制邏輯對風(fēng)道系統(tǒng)抗風(fēng)阻性能的影響Fig.6 Influence of motor and control logic on wind resistance performance of air duct system
(5)試驗(yàn)樣機(jī)優(yōu)化前、后的抗風(fēng)阻性能指數(shù)分析
通過對各因素抗風(fēng)阻性能的更改方案實(shí)施成本分析,在滿足性能的要求下,更改風(fēng)道系統(tǒng)中前蝸舌結(jié)構(gòu)、更換風(fēng)葉以及調(diào)整電機(jī)控制邏輯成本最低。圖7 所示為樣機(jī)按此方案調(diào)整前后4 臺樣機(jī)抗風(fēng)阻性能指數(shù),數(shù)據(jù)顯示更改前后的抗風(fēng)阻性至少有4 層濾網(wǎng)性能提升,且進(jìn)風(fēng)口濾網(wǎng)堆疊數(shù)量都能夠達(dá)到7 層,也說明了優(yōu)化方案是有效的。
圖7 樣機(jī)優(yōu)化前、后的抗風(fēng)阻性能指數(shù)Fig.7 The wind resistance performance index of the prototype before and after optimization
對抗風(fēng)阻性能達(dá)到7 層濾網(wǎng)的樣機(jī),更換上已經(jīng)嚴(yán)重臟堵的濾網(wǎng)和蒸發(fā)器部件后運(yùn)行時(shí)沒有出現(xiàn)喘振聲,這說明了可將7層60目濾網(wǎng)堆疊在進(jìn)風(fēng)口處1 min內(nèi)不產(chǎn)生喘振聲的要求作為貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的抗風(fēng)阻性能評估指數(shù),滿足此要求的空調(diào)內(nèi)機(jī),長時(shí)間使用出現(xiàn)喘振聲的概率更低。
本文通過分析了貫流風(fēng)葉方案的空調(diào)內(nèi)機(jī)前蝸舌結(jié)構(gòu)、更換不同葉型風(fēng)葉等參數(shù)對抗風(fēng)阻性能的影響,設(shè)計(jì)了能夠評估貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的抗風(fēng)阻性能測試方案。通過多組試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)顯示,在空調(diào)內(nèi)機(jī)進(jìn)風(fēng)口堆疊7 層60 目濾網(wǎng)且1 min 內(nèi)出風(fēng)口沒有出現(xiàn)喘振聲可作為新開發(fā)的貫流分析風(fēng)道系統(tǒng)抗風(fēng)阻性能評估指數(shù),此不僅為出現(xiàn)喘振問題的已定形的機(jī)器提供解決方案,還為以后貫流風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的抗風(fēng)阻性能評估提供參考依據(jù)。