林娟 紀(jì)瀚 李武

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0 引言

隨著人們生活水平的提高，各種家用電器的品質(zhì)控制變得愈加重要。熱泵干衣機(jī)作為高端的家用電器，其對各項性能指標(biāo)均有較高的要求，特別是機(jī)器的工作噪聲，直接影響用戶的使用體驗。熱泵干衣機(jī)的噪聲源主要包括滾筒工作時的機(jī)械噪聲，循環(huán)風(fēng)機(jī)的氣動噪聲、機(jī)械噪聲，以及壓縮機(jī)的機(jī)械噪聲等。對于現(xiàn)有機(jī)組測試表明，風(fēng)機(jī)工作的氣動噪聲是主要的噪聲源，降低該噪聲源可降低整機(jī)運(yùn)行的噪聲。許多學(xué)者聚焦于自然界，從仿生角度對風(fēng)機(jī)進(jìn)行設(shè)計研究，鄔長樂[1]等將波形前緣、鋸齒尾緣和表面凹坑3種仿生結(jié)構(gòu)應(yīng)用在離心風(fēng)機(jī)葉片上，并對其流動和噪聲輻射進(jìn)行了數(shù)值計算，結(jié)果表明設(shè)計工況下3種仿生結(jié)構(gòu)均可有效控制葉輪內(nèi)的渦尺度；熊仲營[2]等受鲹科魚類機(jī)動游動姿態(tài)和渦流特征啟發(fā)，設(shè)計了一種仿鲹科魚體彎曲姿態(tài)的多翼離心風(fēng)機(jī)用仿生葉片，與原型風(fēng)機(jī)相比噪聲平均值降低了2.78 dB；風(fēng)機(jī)集流器安裝在葉輪進(jìn)口，其作用以最小的阻力損失引導(dǎo)氣流均勻地充滿壓力入口，楊偉剛[3]等對某多翼離心風(fēng)機(jī)提出一種進(jìn)口集流器偏心安裝的方法，來控制進(jìn)口流動，使其性能獲得提升、噪聲降低；蝸舌可以防止部分氣流在蝸殼內(nèi)循環(huán)流動，其對風(fēng)機(jī)性能、效率和噪聲等均有很大的影響，劉昶[4]針對S流道7.8C低噪風(fēng)機(jī)進(jìn)行流場分析，在此基礎(chǔ)上采用傾斜蝸舌技術(shù)進(jìn)一步降低風(fēng)機(jī)噪聲；鄧偉、苗曉丹[5]基于風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場的數(shù)值計算結(jié)果，采用大渦模擬結(jié)合FW-H聲類比理論預(yù)測離心風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)場噪聲，并提出優(yōu)化方案，優(yōu)化風(fēng)機(jī)實現(xiàn)2 dB的降噪；王梅芳[6]等將吸音材料與隔音材料填充進(jìn)離心風(fēng)機(jī)外殼與過道中間的室內(nèi)空間，在聲波的傳遞中削弱噪聲，從而降低離心風(fēng)機(jī)噪聲。離心風(fēng)機(jī)應(yīng)用廣泛，眾多學(xué)者針對離心風(fēng)機(jī)降噪的研究也有了許多成果，但業(yè)界對于熱泵式干衣機(jī)往往更關(guān)注其烘干效率、能耗等性能上的問題，目前鮮有對熱泵式干衣機(jī)的降噪研究。因此，基于上述研究，本文將通過實驗對現(xiàn)有機(jī)組所存在的問題進(jìn)行分析，結(jié)合數(shù)值模擬得到改進(jìn)優(yōu)化方案并制作手板樣件在實驗室進(jìn)行對比測試，最終達(dá)到對熱泵干衣機(jī)風(fēng)機(jī)的降噪目的[7-8]。

1 現(xiàn)有機(jī)組問題分析

現(xiàn)有產(chǎn)品采用后向離心風(fēng)機(jī)，其風(fēng)葉與蝸殼如圖1所示，現(xiàn)有離心風(fēng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速高達(dá)4100 r/min，過高的運(yùn)行轉(zhuǎn)速是導(dǎo)致離心風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪聲大的主要原因。

圖1 現(xiàn)有機(jī)組離心風(fēng)葉及蝸殼示意圖

為了得到整機(jī)運(yùn)行的噪聲值，根據(jù)GB/T 4214.1—2017標(biāo)準(zhǔn)中7.1.2[9]對靠墻放置的落地式器具噪聲測試要求，采用六面體包絡(luò)面法在消聲室內(nèi)對現(xiàn)有機(jī)組進(jìn)行噪聲測試，測點(diǎn)位置如圖2所示。

圖2 現(xiàn)有機(jī)組噪聲測點(diǎn)位置圖

當(dāng)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行20 min后，采集6個測點(diǎn)的噪聲值，并計算平均聲壓級，如表1所示，計算得到的機(jī)組平均聲壓級為52.33 dB(A)。GB/T 23118—2008標(biāo)準(zhǔn)中5.7[10]對滾筒式干衣機(jī)噪聲值規(guī)定應(yīng)不大于69 dB(A)，機(jī)組噪聲值雖然符合國標(biāo)規(guī)定，同時在噪聲值指標(biāo)分級上也達(dá)到A級標(biāo)準(zhǔn)，但目前干衣機(jī)干衣時間普遍較長，長期處于超過50 dB(A)的環(huán)境中會對用戶生活質(zhì)量產(chǎn)生影響。

表1 現(xiàn)有機(jī)組噪聲數(shù)據(jù)表

目前沒有標(biāo)準(zhǔn)的測試方法評價循環(huán)風(fēng)量，而機(jī)組工作時，氣流在機(jī)組內(nèi)部循環(huán)，難以進(jìn)行測試，因此，設(shè)計了圖3所示的風(fēng)量實驗裝置來評價風(fēng)機(jī)的風(fēng)量。

圖3 現(xiàn)有機(jī)組風(fēng)量測試示意圖

為保證測試的準(zhǔn)確性，該裝置系在現(xiàn)有機(jī)組上進(jìn)行相應(yīng)的改動而成，改動過程中保留了機(jī)組內(nèi)部阻力較大的冷凝器、蒸發(fā)器、過濾網(wǎng)等部件；移除滾筒進(jìn)口的密封機(jī)蓋，使機(jī)組內(nèi)部氣流流動方向從循環(huán)流動改變?yōu)閱蜗蛄鲃樱⑶覍㈦x心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口位置的滾筒更替為長風(fēng)管收集風(fēng)機(jī)氣流，風(fēng)管內(nèi)帶有整流格柵對風(fēng)機(jī)出口氣流進(jìn)行整流，獲得穩(wěn)定的氣流以便進(jìn)行風(fēng)速測量。風(fēng)管后部設(shè)置有熱線風(fēng)速儀，測試風(fēng)管圓形截面中心位置的風(fēng)速。

由于該裝置中移除的部件阻力較小，并且保留了內(nèi)部流道及阻力較大的部件，因此可以認(rèn)為該實驗裝置測試得到的風(fēng)機(jī)風(fēng)量即為機(jī)組實際運(yùn)行的循環(huán)風(fēng)量。

風(fēng)速測試時，首先使用轉(zhuǎn)速儀觀察風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速基本不變時開始采集風(fēng)速數(shù)據(jù)，每10 s記錄一個數(shù)據(jù)，總共采集20組，最終風(fēng)速結(jié)果取20組數(shù)據(jù)的平均值umax。經(jīng)過長管道及整流后的氣流符合流體在管內(nèi)的湍流流動規(guī)律，湍流流動時速度截面如圖4所示。平均速度數(shù)據(jù)的處理如表2所示，實驗中管內(nèi)的Re≈7.2×104，平均速度≈0.81umax，因此，風(fēng)量計算公式為Q=0.81umaxA，其中A為管道截面積，取8.7583×10-3m2。

表2 平均速度數(shù)據(jù)處理表

圖4 湍流速度截面圖

按上述風(fēng)量測試方法，測得現(xiàn)有機(jī)組的風(fēng)量數(shù)據(jù)如表3，20組風(fēng)量數(shù)據(jù)的平均值umax=10.677 m/s，因此可以得到現(xiàn)有機(jī)組平均風(fēng)速=8.648 m/s，經(jīng)計算現(xiàn)有機(jī)組風(fēng)機(jī)工作的循環(huán)風(fēng)量Q為4.544 m3/min。

表3 現(xiàn)有機(jī)組風(fēng)量數(shù)據(jù)表

2 離心風(fēng)機(jī)降噪方案

離心風(fēng)機(jī)工作時的氣動噪聲與風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)速度密切相關(guān)，有研究表明[11]離心風(fēng)機(jī)的聲功率是與風(fēng)葉圓周速度的5.5次方到6次方成正比，降低風(fēng)機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速可以降低風(fēng)機(jī)的運(yùn)行噪聲，但直接降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速將導(dǎo)致風(fēng)量降低，這對于熱泵干衣機(jī)來說將影響干衣的性能，因此，需要保證風(fēng)量至少不衰減的情況下，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速盡量低一些，從而達(dá)到降噪的目的。

2.1 離心風(fēng)葉類型選擇

家電產(chǎn)品常用的離心風(fēng)機(jī)包括后向離心風(fēng)機(jī)和前向多翼離心風(fēng)機(jī)?，F(xiàn)有方案的熱泵干衣機(jī)采用后向離心風(fēng)機(jī)，該類風(fēng)機(jī)的風(fēng)葉運(yùn)行效率高，但風(fēng)機(jī)的流量小和壓力系數(shù)小。因此，為了達(dá)到目標(biāo)循環(huán)風(fēng)量，需要較高的風(fēng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，現(xiàn)有機(jī)組的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速高達(dá)4100 r/min。

在相同尺寸下，采用前向多翼離心風(fēng)機(jī)來代替后向離心風(fēng)機(jī)可以在滿足相同的風(fēng)量時，獲得更低的風(fēng)機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，從而降低風(fēng)機(jī)的運(yùn)行噪聲。由于風(fēng)機(jī)類型的改變，相應(yīng)的風(fēng)葉設(shè)計參數(shù)也需進(jìn)行調(diào)整。優(yōu)化風(fēng)葉增加了葉片數(shù)量由20片增加到39片，并且減小了內(nèi)外徑比（即增加了葉片長度），經(jīng)CFD仿真分析[12]，增加葉片數(shù)量和葉片長度能更好地控制蝸舌位置和葉道內(nèi)的氣流，能有效抑制蝸舌位置的回流和葉輪內(nèi)的二次流；優(yōu)化風(fēng)葉加大了葉片進(jìn)出口角，使其更適合前向多翼離心風(fēng)機(jī)的特性，CFD仿真對比分析結(jié)果顯示在該工況區(qū)域內(nèi)，進(jìn)口角為61°、出口角為171.5°較佳。優(yōu)化前后的離心風(fēng)葉參數(shù)如表4所示，優(yōu)化風(fēng)葉與原型風(fēng)葉對比如圖5所示。

表4 離心風(fēng)葉設(shè)計參數(shù)表

圖5 優(yōu)化風(fēng)葉與原型風(fēng)葉對比圖

2.2 離心蝸殼優(yōu)化設(shè)計

離心蝸殼的作用是將離心風(fēng)葉葉道流出來的氣流進(jìn)行匯集并將動壓轉(zhuǎn)換為靜壓，提高氣流中反作用度，用以克服后續(xù)的風(fēng)道阻力。因此，優(yōu)秀的蝸殼方案也將提升整個離心風(fēng)機(jī)的性能。通過CFD仿真計算改進(jìn)方案的性能，經(jīng)過不斷的優(yōu)化設(shè)計，最終得到優(yōu)化后離心蝸殼，下面是蝸殼各部分的具體改動點(diǎn)。

2.2.1 上蝸殼

上蝸殼的改動點(diǎn)如圖6所示，其中①為蝸殼出風(fēng)口去掉遮擋結(jié)構(gòu)，增加出風(fēng)面積；②為過渡段，設(shè)計更加光順，減小氣流經(jīng)過時的流動阻力；③為增加蝸殼進(jìn)風(fēng)口面積，降低進(jìn)風(fēng)氣流速度；④為填平蝸殼入口處深凹位置，從而減小蝸殼入口與風(fēng)葉入口處的間隙，減小風(fēng)葉工作時泄漏的氣流。

圖6 上蝸殼改動點(diǎn)對比圖

2.2.2 下蝸殼

下蝸殼的改動點(diǎn)如圖7所示，其中①為傾斜蝸舌優(yōu)化，減小蝸舌面積，增加該位置的過流面積；②為蝸殼過渡段優(yōu)化，改進(jìn)過渡段面積及傾斜角度，減小該位置流動阻力。

圖7 下蝸殼改動點(diǎn)對比圖

3 CFD仿真結(jié)果對比

為了得到優(yōu)化前后的風(fēng)機(jī)性能，同時，可視化的分析離心風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場，采用CFD分析技術(shù)對原型方案和優(yōu)化方案進(jìn)行仿真計算，并提取仿真計算結(jié)果進(jìn)行對比。

3.1 風(fēng)量

CFD仿真計算收斂后，提取風(fēng)機(jī)出口的體積流量，原型方案風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速4100 r/min時流量為4.61 m3/min；優(yōu)化方案風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2560 r/min時流量為4.73 m3/min，可見優(yōu)化方案比原型方案風(fēng)量提升2.6%時，風(fēng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速可以降低1540 r/min，這也體現(xiàn)出前向離心風(fēng)葉具有更強(qiáng)的做功能力。

3.2 蝸殼內(nèi)部流線圖

提取蝸殼內(nèi)部流線圖，原型方案與優(yōu)化方案的流線圖對比如圖8所示。原型蝸殼由于存在臺階結(jié)構(gòu)，流道變窄，使得該區(qū)域存在渦流。優(yōu)化方案過渡區(qū)域流動順暢，未存在明顯渦流區(qū)域。

圖8 原型方案與優(yōu)化方案的蝸殼流線對比圖

3.3 蝸舌區(qū)域內(nèi)部流動圖

提取蝸舌位置截面速度矢量圖及蝸殼區(qū)域流線圖，原型方案與優(yōu)化方案的對比如圖9所示。原型方案箭頭所指為氣流回流區(qū)域，氣流重新進(jìn)入蝸殼內(nèi)部，優(yōu)化方案在相同位置蝸舌區(qū)域截面上，回流氣流相比原始方案明顯較小，這也使得風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率得以提升[13]。

圖9 原型方案與優(yōu)化方案的蝸舌區(qū)域流動對比圖

3.4 風(fēng)葉表面噪聲源對比圖

離心風(fēng)機(jī)在相同的運(yùn)行風(fēng)量下，提取風(fēng)葉表面噪聲源云圖，原型方案與優(yōu)化方案的對比如圖10所示。優(yōu)化方案的表面噪聲源最大值比原型方案降低5.2 dB，這表明優(yōu)化方案在噪聲方面優(yōu)于原型方案。

圖10 原型方案與優(yōu)化方案的風(fēng)葉表面噪聲源對比圖

4 樣件制作及實驗對比

為了準(zhǔn)確地對比優(yōu)化方案與原型方案的差異，將優(yōu)化方案制作手板樣件，并在實驗室進(jìn)行對比測試。風(fēng)葉采用5052鋁合金加工成型，蝸殼采用ABS料3D打印成型，樣件實物如圖11所示。

圖11 優(yōu)化方案樣件實物圖

將優(yōu)化方案樣件與原型方案樣件分別安裝到同一臺熱泵干衣機(jī)上，采用前文第一節(jié)所述的方法測試風(fēng)量與噪聲值，風(fēng)量測試結(jié)果如表5所示，噪聲測試結(jié)果如表6所示。在達(dá)到與原型方案相同風(fēng)量時，優(yōu)化方案的風(fēng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速為2530 r/min、運(yùn)行噪聲為49.42 dB(A)，相比原型方案轉(zhuǎn)速降低1570 r/min、風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪聲降低2.91 dB(A)。

表5 優(yōu)化方案風(fēng)量數(shù)據(jù)表

表6 優(yōu)化方案噪聲數(shù)據(jù)表

5 結(jié)論

現(xiàn)有熱泵干衣機(jī)整機(jī)噪聲中風(fēng)機(jī)的氣動噪聲是主要的噪聲源，離心風(fēng)機(jī)噪聲氣動噪聲過大的主要原因是風(fēng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速太高。因此，降低該噪聲源即可降低整機(jī)運(yùn)行的噪聲，結(jié)合實驗研究與數(shù)值模擬對熱泵干衣機(jī)的降噪進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：

（1）選用前向多翼離心風(fēng)葉替換原來的后向離心風(fēng)葉，增強(qiáng)風(fēng)葉的做功能力，同時優(yōu)化蝸殼結(jié)構(gòu)，提升氣流在蝸殼內(nèi)部的流動效率，相同風(fēng)量下風(fēng)機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速降低38.3%。

（2）采用CFD仿真技術(shù)直觀對比風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場情況，優(yōu)化方案蝸殼內(nèi)部流場相較于原始方案更加順暢，并且由于減少了蝸舌的面積，回流氣流相比原始方案明顯較小。

（3）通過制作樣件對比測試優(yōu)化方案與原型方案的噪聲值，優(yōu)化方案在相同的風(fēng)量下噪聲值為49.42 dB(A)，相比原型方案的噪聲值52.33 dB(A)降低了2.91 dB(A)。