分布式送風空調用多翼離心風機集流器的優化研究

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

0 引言

合理的送風形式及空調房間氣流組織分布對人體熱舒適起到至關重要的作用［1］，分布式送風空調結合空氣的物理性質，綜合考慮人體穩態環境及動態環境下的舒適性需求進行氣流組織設計。制冷時，主要需要房間上部送風氣流組織，依靠冷空氣下沉的物理特性，冷風能夠從上至下沐浴式制冷。制熱時，熱空氣具有上浮的物理特性，因此房間主要需要下部送風氣流組織，溫度從房間下部人體活動區開始上升，實現地毯式制熱［2-5］。

多翼離心風機具有流量、壓力系數高，噪聲低的優勢，在家用方形柜機上得到廣泛應用。多翼離心風機的進出風方式能夠較好的滿足分布式送風空調的送風形式設計需求，鑒于對外觀形體尺寸的要求，分布式送風機型采用多離心風機緊湊型布局，單個離心風機的尺寸約只有傳統方形柜機的一半，因此，為了滿足分布式送風機型整機風量，對這種小型多翼離心風機的性能提出了更高的要求。前人對集流器的研究主要集中為氣流在集流器中的流動平穩性以及針對集流器背部渦流區域的研究［6-7］，林世楊等［8］對集流器背部的漩渦區域做了研究，指出由于柜機多翼離心風機葉輪通常不帶前盤，往往影響到葉輪中傳統概念中的“前盤”附近氣流的流動狀況，是造成風機損失以及噪聲的一個主要來源。王嘉冰等［9-10］采用CFD方法對3種不同結構型式集流器的風機進行整機模擬計算，通過研究集流器型式的變化對柜式空調用多翼離心風機內部流場以及風機整體性能的影響，得出結論采用出口截面直徑大于葉輪內徑的收斂型集流器效果最佳。本文采用出口截面直徑大于葉輪內徑的結構形式，并對集流器型線及結構型式進一步優化。

本文采用CFD仿真軟件對不同結構型式集流器的多翼離心風機進行模擬計算，詳細分析氣流經過集流器進入蝸殼的流動情況，以尋求最佳優化方案的集流器型式。

1 風機及集流器基本結構參數

分布式送風空調用多翼離心風機的結構參數如表1所示。集流器結構參數見表2，幾種集流器結構如圖1所示。其中方案A集流器是原始未改進集流器，只有進口段采用圓弧面。方案B集流器與方案A集流器進口截面直徑、內徑相同，方案B集流器的形狀相比方案A集流器做了改進，整個集流器型線全部采用圓弧面過渡，并增加一個出口截面側喇叭形擴口，出口截面直徑相比A增大，在軸向寬度上長于A集流器。方案C集流器與方案B集流器相比增大了進口截面直徑、內徑、出口截面直徑。方案D集流器相比方案C集流器增加了集流器擋筋，擋筋位于蝸殼與葉輪之間沿圓周分布。

表1 多翼離心風機結構參數

表2 集流器結構參數 mm

圖1 幾種集流器結構示意

2 數值計算方法

為了真實的反映多翼離心風機內部流場，建立三維模型進行仿真分析。將三維模型分三部分：葉輪區域、葉輪內部區域、蝸殼及出風口區域。計算采用三維雷諾平均守恒Navier-stokes方程，湍流模型選取k-ε標準方程模型，近壁面的流動模擬采用標準壁面函數，壓力-速度耦合采用標準SIMPLE算法求解。葉輪進口與出風口給定總壓為0 Pa，旋轉區域采用MRF多參考坐標系模型，湍流耗散項、湍流動能和動量方程的離散均采用二階迎風格式。

3 數值計算結果及分析

多翼離心風機的集流器對蝸殼內部整個氣流組織起著至關重要的作用，特別是蝸殼進口處的氣流組織。通過集流器的氣流主要是從葉片前緣進入葉輪，由于用于家用空調柜機的多翼離心風機葉輪通常都不帶有前盤，并且與集流器之間存在間隙，因此一部分流量通過集流器從側面進入葉輪，對4種集流器方案的多翼離心風機進行仿真分析，其截面速度流線如圖2所示。

圖2 葉輪直徑截面上速度流線

從圖可以看出，傳統集流器結構型式（方案A），集流器進入口基本與葉輪軸向方向平行，氣流沿軸向方向進入葉輪。多翼離心風機具有其特有的進出風方式，氣體經過集流器的導流進入蝸殼，沿葉輪軸向運動的同時不斷有一部分氣體變向沿徑向進入葉輪，經過葉輪的做功氣流速度加快，沿擴壓段流道排出蝸殼。方案B集流器根據氣流進過集流器進入葉輪后主氣流方向的變化特別設計了一小段內擴圓弧面，此內擴圓弧面能夠起到輔助氣流經過集流器變向的作用，導流效果優于方案A集流器，提高了葉輪對氣流的利用率。

方案C集流器與方案B相比增大了進口截面直徑、內徑、出口截面直徑，即加大了集流器進口面積，集流器進口面積不同，葉輪對氣流的利用程度不同，加大進口面積相當于加大多翼離心風機的進氣量，但是集流器截面直徑不能大于葉輪外徑，當集流器截面直徑大于葉輪外徑時，集流器的導流作用顯著減弱，葉輪前端直接進入蝸殼的氣流量增大，這部分氣流沒有經過葉輪充分做功，降低了進入蝸殼的氣流利用率。從圖2中可以看出，當適當增加集流器截面直徑后，方案C集流器對氣流的導流作用明顯增強，進入蝸殼氣流量利用率提升。風機靜壓都為36 Pa時，通過方案B集流器進入葉輪做功有效流量占比85.7%，通過方案C集流器進入葉輪做功有效流量占比95.5%。仿真分析了不同內徑集流器的多翼離心風機風量變化趨勢，如圖3所示，對于此類型的小型多翼離心風機，集流器包圍住葉片寬度的一半左右時風機風量最佳，即（葉輪外徑-集流器內徑）≈（葉輪外徑-葉輪內徑）/2。

圖3 風量隨集流器內徑變化趨勢

方案D集流器與方案C相比增加了集流器擋筋，擋筋從集流器與蝸殼連接面處向蝸殼內側延伸，基本與葉輪前端面平齊，此擋筋的主要作用是控制葉輪前盤與蝸殼間間隙的流量泄漏。氣流經過集流器的導流進入葉輪，經過葉輪后速度分量中有很大一部分變向垂直于蝸殼的方向，對蝸殼產生很大的沖擊力，并且經過蝸殼壁的反彈作用在葉輪前端面附近有部分氣流穿過葉輪前端與集流器之間的間隙，形成泄漏流，并和進入葉輪的主氣流相互摻混，在蝸殼的軸向方向上產生旋渦。這些旋渦進一步影響了葉輪進口流量，泄漏量增大，葉輪進口流量減小。經過改進的方案D集流器對氣流的引導如圖2所示，產生的回流和旋渦現象明顯小于其他方案，氣流在蝸殼內的整個氣流組織更順暢。

對使用4種方案集流器的多翼離心風機進行風量模擬，結果顯示，方案A集流器離心風機風量VA=517 m3/h，經過優化后的方案B，C，D集流器離心風機的風量分別為VB=525 m3/h，VC=548 m3/h，VD=576 m3/h，相比原風機分別增加了1.5%，6.0%，11.4%。

4 試驗驗證

經過數值模擬驗證，方案B，C和D均對離心風機的風量有提升，因此對4種集流器制作樣板并進行試驗驗證。4種集流器做成可拆卸零件，能夠安裝在同一蝸殼上，排除其他因素對試驗結果的影響。

風量、噪聲測量分別在珠海格力電器股份有限公司焓差實驗室、半消聲實驗室進行，該實驗室是完全按照國家標準建造的空調器性能、噪聲測試室。測試結果見表3。

表3 試驗結果

從表3可以看出，方案B，C，D的實際測試風量均比方案A有所增加，分別增加2.3%，5.6%，10.7%，趨勢與數值模擬計算結果一致。從噪聲的測試結果來看，方案B，C，D對整個蝸殼氣流組織做出的改進，均正向積極的反映在了噪聲值上，噪聲值均有所降低。其中可以認為方案A，B，C的噪音值基本相當，但是方案B，C的風量是增加的。方案D噪聲值相比方案A降低了1.2 dB，降低幅度較大，噪聲改善明顯。這是因為通過集流器結構型式的優化，減少了蝸殼內氣流沖撞和漩渦，減少了葉輪前端面與蝸殼之間的泄露損失。

5 結論

（1）通過數值模擬發現，改變集流器結構型式對風機主氣流利用率、葉輪前端面與蝸殼間間隙泄漏量對主氣流流量的影響以及蝸殼內氣流漩渦區域的大小產生很大影響，進而影響風機內氣流組織分布及風機整體性能。根據氣流進入集流器再進入葉輪的流動特性設計的內擴口型式集流器導流作用更優，有助于氣流進入葉輪的變向，提升葉輪的做功能力。經驗證，改進后的集流器能夠提升風量2.3%。

（2）當集流器出口截面直徑大于葉輪內徑時，再適當加大集流器出口截面直徑可以提升多翼離心風機的進氣量，進而增大多翼離心風機的出風量。當出口截面直徑加大到一定程度后，由于從軸向進入葉輪前端面的氣流量增大，葉輪對主氣流的有效做功氣流量減少，風機性能受到影響，導致多翼離心風機風量減小。經驗證，當集流器包圍住葉片寬度的一半左右時風機風量最佳，即（葉輪外徑-集流器內徑）≈（葉輪外徑-葉輪內徑）/2時，多翼離心風機風量最佳。

（3）氣流至集流器進入葉輪，經葉輪做功與蝸殼壁面沖擊過程中會有部分氣流回流至葉輪前端面與蝸殼間間隙處，回流氣流與進入葉輪氣流相互沖撞影響風機進氣量。增加擋筋后能減弱葉輪前端面與蝸殼間間隙泄漏量，提升風機性能。經驗證，增加擋筋后風機風量提升10.7%。