胡小帝
珠海格力电器股份有限公司 广东省珠海市 519070
摘 要：本文主要阐述了国内吸油烟机风机-蜗壳系统技术改进研究进展，包括各结构的优化方案，以及各结构的降噪技术研究，对于工程设计具有极为重要的指导意义。为进一步完善和提高吸油烟机性能，对风机-蜗壳系统技术改进的发展提出了展望。
关键词：吸油烟机、离心风机、蜗壳、降噪
前言
为了满足消费者的高品质生活需求，攻克吸烟效果和噪音无法兼顾的难题，本文对我国油烟机风机-蜗壳系统的技术研究进展进行阐述。
1.吸油烟机风机-蜗壳性能研究现状
蜗壳的几何结构对风机性能的影响是复杂的[8-16]。王树立研究了蜗壳宽度对离心风机噪声的影响，计算得到蜗壳宽度关于噪声的函数关系式，并求出极值最小的蜗壳宽度[17]。祁大同采用气动噪声源数值分析方法，分析了蜗壳宽度对非定常流场的离心风机噪声的影响。计算表明：当风机变工况运行时，增大蜗壳宽度，主要的偶极子声源强度逐渐降低，基频噪声也有降低，而涡流噪声却增大。当风机在中流量或大流量范围内运行时，气动性能提高，且其噪声特性有所改善[18]。蜗壳和叶轮的匹配情况对流体机械的整体性能产生重要影响。当风机蜗壳与叶轮的匹配欠合理时，叶片吸力面上出现明显的气流分离现象，前盘区域也存在强烈的漩涡，蜗舌部分存在的紊流现象也尤其明显[19]。
2.蜗壳系统技术改进
2.1蜗壳优化设计
传统的蜗壳在设计过程中，忽略了蜗壳的形状和大小，导致风量、风压不能满足生产所需，因此有必要对离心风机的蜗壳设计进行优化。
11目前选取蜗壳宽度B主要依靠经验公式以及经验数据。一般风机的蜗壳宽度B与叶轮出口宽度b的比值B/b在2-4之间，而多叶离心式风机在1.2-1.6之间，在此经验范围之内，其他参数不变的情况下，更改B/b值，对于多叶离心式风机的效率和噪声影响最小。离心风机蜗壳设计的优化方案还有，通过改变螺旋角优化蜗壳型线数值，然后采用二次回归正交实验的方法对其进行优化，从而降低噪声。另外，通过改变蜗壳形状和大小，减小风机使用过程中的阻力，提高蜗壳制作质量，延长其使用寿命。离心风机蜗壳的发展趋势是使其体积尽可能缩小，蜗壳体积越小，阻力越小。
2.2叶轮优化设计
11叶轮结构参数的进口角、轮径比、叶片数、出口角对风机全压和流量的影响程度较大，并且叶轮叶片出口角对风机压力和流量的影响最为显著。在参考范围内，风量与叶轮宽度、叶轮大径近似呈线性关系，风量随风扇入口角的增大而降低，且降低速度减小，风量随风扇出口角的增大而先增大再减小，并在风扇出口角约为160°时达到极大值。风量随叶片数的增加而先增大再减小，并在叶片数约为80时达到极大值。
11通过结构参数设计，确定风扇入口角150°βb1≤170°，风扇出口角βb2>60°，参照已确定的风扇出口角βb2，查表得到合适的压力系数，利用求得的圆周速度和电机转速确定叶轮大径，选取叶轮内外径之比为0.86-0.89，宽径比为0.4-0.6的范围之内，风机性能较好。风机的全压和风量随叶片数增加而提高和增大，同时比A声级下降，但当叶片数增加至一定程度后，风机全压大幅下降，噪声大幅提高[22]，根据合理叶片数取值范围公式，选取叶片数在73-105的范围之内。
2.3蜗壳与叶轮相对位置的优化设计
合理地对风机蜗壳宽度及叶轮与蜗壳前后端面间的距离进行改造，有可能减小蜗壳流道内的漩涡。经过对风机蜗壳与叶轮相对位置的优化改造，风机的效率得到较大幅度提高，小流量区尤为明显，使风机性能曲线的高效区扩宽。
对小型离心风机进行实验研究，发现：叶轮前盘与蜗壳前端面间距离的变化，对风机运行性能影响不大，但使风机性能曲线发生平移，叶轮后盘与蜗壳后端面间距离的变化，对风机运行性能影响较大，增大叶轮后盘与蜗壳后端面间的距离有利于风机运行性能的提高[25]。对离心风机蜗壳与叶轮的轴向相对位置进行优化研究，CFD数值模拟结果表明：叶轮前盘与蜗壳前端面的距离减小20mm，叶轮后盘与蜗壳后端面间的距离增加40mm，当风机负荷处于72%-110%之间，相对于原风机，效率平均提高了1.268%，全压平均提高了4.083%。
3.风机-蜗壳系统降噪方法
11气动噪声占据了风机噪声的主要部分。在近十年离心风机气动噪声的降噪方法中，利用传播途径来控制风机气流噪声效果较好，在风机出口加消声器的情况也比较多，针对中低压离心风机配套消声器，该类消声器由矩形外壳、消声片和变径管组成，消声量可达15-20dB(A)。针对高压离心风机配套消声器，该类消声器设计为双层微穿孔板进出口消声器，具有吸声系数高，吸收频带宽，无需填充物的特点，在进口和出口分别能获得约3.5dB(A)和17dB(A)的降噪效果。此外，降噪蜗壳、非常规蜗舌、叶轮叶片型线、多参数优化设计对降噪也能起到很大的作用。
3.1蜗壳结构降噪
11风机-蜗壳系统的蜗壳结构能有效控制风机系统的噪声，由于蜗壳内气流复杂，对蜗壳结构进行改进能有效达到降噪的目的。降低风机噪声目前的技术途径有，在风机蜗壳内加入穿孔蜗板和高阻燃泡沫等吸声材料，A声级噪声能下降约4dB(A)。通过在蜗舌附近处，蜗壳型线曲面上采用突起结构，使流动面积增加，气流流速减小，流动噪声得到降低，风机效率得到提高，另外，在采用蜗壳突起的同时，通过在蜗壳出风口处设置一弯曲形状与蜗壳体弯曲形状相同的圆弧形导流叶片，使蜗壳出口处风速不均匀分布度下降，在提高平均风速时，噪音也有所降低。
3.2非常规蜗舌降噪
11蜗舌的不良形状能引起涡流噪声，改变蜗舌的几何形状可以从本质上降低声源的强度，从而达到改善噪声的目的。目前蜗舌降噪的技术途径，是将原有的直蜗舌结构改进为尾倾斜蜗舌结构，相比原风机在高效点处噪声下降约4-5dB(A)，再配置简易直圆管阻性消声器后，倾斜蜗舌比原风机降低了约14dB(A)左右。除了斜蜗舌的构型外，将蜗壳设计为翼型蜗舌也可以改善蜗舌处的流动状态。另外，利用长耳鹗等生物独特的体表降噪系统，设计了一种新型的仿生蜗舌来降噪，将仿生形态薄膜贴敷于蜗舌表面的方法获得，这种仿生蜗舌可以阻止气流在蜗舌尾缘处发生涡流脱落，其平均降噪量约为1.8dB，最大降噪值达到3.1dB。
3.3改进叶轮形式降噪
11目前通过改变叶轮形式的技术途径有，减小叶轮的宽度，在进口外环加档流圈来制止涡的生成，出口加扩压段，并在周围加吸声材料，减小内蜗板的孔径，蜗壳内加分流筋。径向直板叶轮都会产生较大的噪声，这是由于直板叶轮叶道短，气流在叶道中速度分布不均匀，将直板叶轮改进为全效率最高的10叶片机翼型叶轮，具有最低的噪声，降噪效果可以达到7dB(A)。对叶轮采用等距叶片，发现等距串列叶片在高效点附近有较好的降噪效果，降噪约2dB(A)，而在其他流量范围内气动和噪声性能恶化。
3.4多参数优化降噪
11吸油烟机风机系统叶轮旋转时的空气动力噪声声源以偶极子为主，以四极子源为辅。偶极子源噪声中，宽频噪声的诱导涡流主要集中于背离叶轮后盘外侧，在叶轮上几乎无附着。较多的叶片数导致叶槽距离较小，密集的叶槽起到了导流的作用，形成稳定流动的主流区，抑制了倒流的产生。偶极子源的旋转噪声，i=1的基频噪声为其主要部分，在可选尺寸范围内，基频噪声随叶轮大径、风扇出口角的增大而升高，且其增长速度降低。基频噪声随叶片数、叶轮宽度的增大而先增后减，随风扇入口角的增大而先减后增，最小的基频噪声出现在70°左右。基频噪声受叶轮大径D2及风扇出口角βb2影响较大，而对叶轮宽度b、风扇入口角βb1、叶片数Ｚ的变化并不敏感。因此，在风机叶轮的设计过程中，控制风机旋转噪声的产生可考虑减小叶轮大径D2和风扇出口角βb2。
4.结语
通过对风机-蜗壳系统各结构进行技术改进，达到降低气动噪声的目的。基于多目标的优化研究方法，对于风机风量和噪声的多目标优化，将成为未来风机系统研究中的热点，而基于多学科耦合的分析优化方法将是重要的发展方向，具有广阔的发展前景。
参考文献
[1] 游斌, E E Elhadi, 谢军龙等. 多翼离心风机的三维数值分析[J]. 工程热物理学报, 2003
[2] 栗新鹏. 锅炉风机节能降噪综合治理技术[J]. 节能技术, 1999