空調低壓軸流彎掠葉片參數化優化設計與實驗研究

朱芳勇，吳俊鴻，高旭，李建建

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

0 引言

軸流風機因風量大、效率高等特點，被廣泛運用于空調器和其他制冷、通風領域?！禛B 3096—93城市區域環境噪音標準》[1]中規定，關于城市5類環境噪音中，0類環境噪聲白天不高于50 dB，夜晚不高于40 dB。這對家用空調外機領域的軸流風機系統靜音性提出更高的要求。鑒于空調外機為強制對流換熱部件，如何提高軸流風機的流量系數并較好地控制風機噪音，是空調低壓軸流風機系統設計的關鍵問題。BOGOLD等[2]通過實驗驗證低壓前彎葉片可使風機效率提升1.0%～1.5%，國內研究人 員認為風葉的彎角對風機的風量和噪音影響不容忽視，正彎或反彎應當取決于風葉高損失所處的具體位置[3-6]。有研究人員對具有彎掠（扭）特征的風葉內流場進行了一系列的仿真及實驗研究，對這類半開式低壓軸流風葉的氣動特性及流場特征給出了較全面的描述[7-16]。國內對彎掠及安裝角等參數解耦分析的研究較少，主要因為空調用軸流風葉與外機導流圈、換熱器、電機等元器件相互耦合，出口氣流流動復雜。目前較為常用的葉片優化方法是采用基于Creo的風葉局部手動修改，可以較準確地調整風葉面的局部壓力分布，改善葉片氣動性能，但是該方法高度依賴于設計者的經驗，存在重復工作量大、效率低等問題。

本文提出了一種新的軸流風葉參數化優化方法，可實現葉片特征（葉柵積迭線、彎角、掠角、安裝角）的高精度靈活控制，一鍵式更新生成三維模型。結合CFD仿真技術，研究前彎、前掠和安裝角對風葉性能的影響，并結合實驗，提出了噪音更低、風量更大的軸流風葉。

1 葉柵控制方法及機理

1.1 葉柵控制方法

為了更準確地優化葉柵，本文提供一種高精度葉柵群控制方法，在優化目標風葉上沿不同徑向半徑上選取一定數量的葉柵作為直接控制對象，葉柵半徑與風葉半徑的比值r'/R將作為矩陣變量，進行同步控制。在葉片曲率變化明顯的局部位置，葉柵層應當適當加密，以便增加控制精度。如圖1所示，考慮該葉片前緣過渡較為光滑，其他邊緣及表面不存在明顯突變，因此沿徑向等間距提取葉柵。

圖1 葉柵提取示意圖

蔡娜等[17-19]用不同半徑上葉柵的重心連線作為葉片積迭線，而本文采用的是葉型弦線中點連線作為葉片積迭線。通過控制積迭線沿旋轉周向前后彎，沿出風軸線的前后掠，以及沿徑向的扭曲來控制風葉的彎角、掠角和安裝角等參數。為了使風葉變形流暢，符合氣動力學，在積迭線控制理論上，采用非均勻有理B樣條（簡稱NURBS）方法[20-22]進行自由曲線控制。

1.2 葉柵控制工具及實現機理

基于Matlab語言，實現初始各r'/R變量上的積迭點（x0, y0, z0）相對原點的旋轉、平移、投影等操作得到新的坐標點（x', y', z'），所有葉柵執行各自積迭點的相同操作，即可得到不同彎角、掠角和安裝角的葉形數據，如圖2和圖3所示。

繞著z軸旋轉：

沿著y軸平移：

繞積迭點旋轉并沿著x軸投影：

式中：

α——繞z軸旋轉角度，°；

a——沿y軸平移距離，m；

θ——繞積跌點旋轉角度，°；

r'——投影生成的點距離風葉中心軸線的距離，m。

圖2 葉彎角漸變示意圖

圖3 葉掠角漸變示意圖

2 風葉單體仿真對比分析

基于以上方法，筆者對國內某空調廠家現有一款性能較好的軸流風葉進行了基于彎角、掠角和安裝角的參數化設計，并進行了網格劃分和CFX計算對比分析，該風葉在同款機型中的同風量噪音、同風量功率實驗表現最優，風葉實物如圖4所示。

2.1 網格無關性驗證

通過風葉葉柵數據提取，運用Matlab對葉柵數據的調用和一鍵化修改，以及網格劃分軟件對葉片數據的讀取和復現等手段，實現了風葉結構化網格高效劃分，如圖5所示。當網格采用自動拓撲優化網格，網格比例系數2.0，全局尺寸因子1.2時，流量系數穩定，如圖6所示。與Fluent計算結果進行對比，500～900 r/min下的風量誤差在2%以內，實現網格無關，如圖7所示。

圖4 優化前風葉實物

圖5 計算域結構化網格劃分示意圖

圖6 網格尺寸因子與結果偏差度

圖7 CFX與Fluent計算差異度

2.2 彎角對比分析

風葉葉片沿旋轉方向的彎，稱為前彎。圖8所示為彎角在16°～33°范圍內與風量與功率關系曲線。由圖8可知，當彎角從16°逐漸增加時，風機的風量和功率均逐漸升高，當彎角增加到20°～21°時，風量達到最高，之后逐步下降，而功率趨勢與風量趨勢相似。因此，當風葉其他參數不變，前彎角為21°時，風機的出風效率最高。

圖8 彎角與風量、功率關系曲線

2.3 掠角對比分析

風葉的軸向掠，定義為向來風側的掠為后掠（負角），向出風側的掠為前掠（正角）。圖9所示為掠角與風量、功率關系曲線。由圖9可知，在21°掠角之前，風機的風量和功率隨著掠角的增加而增加。21°掠角之后，風量隨著掠角的增加而降低，功率則先增加后降低。因此，前掠對低壓軸流風機的風量有一定促進作用，且在特定工況下存在一個最優值，最優掠角為前掠21°。

圖9 掠角與風量、功率關系曲線

2.4 安裝角影響分析

風葉安裝角是影響風葉做功能力最為關鍵的因素之一。圖10所示為安裝角與風量、功率關系曲線?？芍谝欢ǚ秶鷥?，風機風量和功率隨著安裝角的增加而增加，且功率與安裝角呈類一次線性關系。當安裝角超過49°以后，因風機進入失速狀態，風量和功率驟然下降。在風量提升階段，隨著安裝角的增加，風量增加幅度逐漸縮小。當風葉安裝角從原來的27°增加到30°后，風量增加了13.6%；而從30°提升到33°后，風量僅提升了10.1%。因此，當其他參數控制相同時，考慮風機安全平穩運行裕度，安裝角調整為30°時風機效率較好。

圖10 安裝角與風量、功率關系曲線

3 整機實驗對比

根據仿真結果，優化前后風葉參數變化如表1所示。依次對彎角、掠角和安裝角進行優化后的風葉單體較原風葉具有明顯優勢，因此對優化后的新風葉進行手板制作，新風葉手板如圖11所示，并在原風葉所配外機殼體上進行測試。

表1 新舊風葉特征參數對照表

圖11 優化后風葉實物

將兩種風葉放在外機殼體上測試結果如表2所示，測試結果表明：同轉速（850 r/min）風量提升了334 m3/h（14.4%），如圖12所示，與仿真結果吻合度高，同風量（2,316 m3/h）噪音降低了1.0 dB，如圖13所示。同風量功率相當，與優化前風葉相比，優化后風葉風量和噪音優勢明顯。

表2 新舊風葉整機測試對照表（環溫27 ℃）

圖12 實測風量-轉速曲線

圖13 實測風量-噪音曲線

4 結論

本文基于Matlab語言及CFD數值模擬技術，通過應用非均勻有理B樣條公式對空調低壓軸流風葉積迭線進行軸向、周向的平移、旋轉與投影，實現了軸流風葉彎角、掠角和安裝角的參數化設計與優化，得到如下結論：

1）空調低壓軸流風葉的前彎和前掠，能一定程度上提升風機的出風效率，改善噪音，但前彎角或前掠角超過一定數值后，風機性能下降。因此軸流風葉的彎角和掠角，在特定工況下存在最優解；

2）空調低壓軸流風葉的安裝角可以顯著影響風葉的風量和噪音，在不失速的前提下，風葉的安裝角選取應當考慮電機及風量需求；

3）使用本次參數及CFD優化工具，實現了現有軸流風機系統的性能提升。采用優化后的軸流風葉，空調外機的風量提升14.4%，同風量噪音降低1.0 dB，滿足了工程應用要求。