吸油烟机用离心风机蜗壳降噪优化设计

 吸油烟机用离心风机蜗壳降噪优化设计

梁之博

华帝股份有限公司

摘要：吸油烟机是家庭常用的电器，随着人们生活水平的提高，相应也对吸油烟机的振动及噪声水平有了更高的要求。因多翼离心风机具有风量大、压力系数高等特征，成为了吸油烟机风机的首选。但有研究发现，在吸油烟机离心风机蜗壳设计不合理的情况下，会有较大的噪音产生。基于此，本文借助仿真分析的方式，提出降低吸油烟机用离心风机蜗壳噪音的优化设计方案，以供参考。

关键词：吸油烟机；离心风机；降噪；优化设计

引言

面对厨房日常烹饪菜肴时所产生的油烟，最有效的方法之一就是使用吸油烟机，吸油烟机能将燃烧的废弃及烹饪产生的油烟快速抽出室外，以减少室内污染，净化空气，这也使得吸油烟机成为了现代家庭中必不可少的厨房设备。而随着人们生活水平的提高，随之对吸油烟机的性能与品质要求更高，吸油烟机不仅需要满足基本的吸油烟功能以外，还需降低运行时的噪声，从而给用户带来良好的使用体验。

多翼离心风机因具有压力系数高、流量系数大、噪声低等优势，目前广泛应用在吸油烟机中，并成为了吸油烟机的核心部件之一。这也意味着多翼离心风机的性能将直接影响吸油烟机的风量、静压及噪声水平。蜗壳是多翼离心风机的重要组成部分，很大程度上影响多翼离心风机的性能，进而影响吸油烟机的噪声水平。因此，要想保证吸油烟机的使用达到低噪音的标准要求，就需要对其离心风机蜗壳进行降噪优化设计。

1、离心风机蜗壳噪音及原因分析

在理想状态下，离心风机外圆周流体质点的运动规轨迹，为蜗壳的型线。通常在设计蜗壳型线时，主要有阿基米德螺旋线法和对数螺旋线法这两种。但在工程实际中，常用与阿基米德螺旋线法相似的基元圆弧蜗壳型线法来绘制蜗壳，因此本文也是采用这一个方法来绘制蜗壳型线。

一般蜗壳的厚度B为160mm，在绘制过程中，以风轮为中心做边长a=A/4正方形基元，以正方形的四个定点为圆心R1、R2、R3、R4为半圆，四段圆弧平滑连接的螺旋线为蜗壳型线。其中，R1=190mm，R2=170mm，R3=150mm，R4=130mm。通过理论计算获得蜗壳模型制成样机，然后通过配电机进行噪声测试。测试后发现，在出风口处有不均匀的“呼啦”声，噪声频谱表现为中低频的宽屏噪声，音质差。

为明确这一现象产生的原因，在离心风机模型上加上进风与出风延长段，由此对流场进行仿真计算。在叶片的作用下气流的出流方向发生了改变，在接近蜗舌处，气流以近45°的入射角对蜗壳出口扩压段进行冲击，然后再反射至流道中与风轮顶部出流的气流汇集。而由于蜗舌处的气流并未经过蜗壳流道内部的加速过程，并且在壁面反射时有一部分动能流失，使得出流的速度要比蜗壳顶部经过加速的气流要低，在两股气流汇集之后，高速气流就会阻断低速气流的正常流出，从而使得低速气流在蜗舌出形成回流，产生漩涡。这是导致出风口处出风不均匀的一个重要原因。

2、离心风机蜗壳降噪优化设计

为确保在预设风量下前提下，能达到消烟除尘的效果，吸油烟机的排风管的最大外径为180mm，所对应的蜗壳出风口尺寸为160mm×160mm。同时为了满足出风口的静压要求以及确保安装合理，出风口扩压角与出口长度不宜太大。基于这些限制，拟通过微调蜗壳的形状来降低出风口的不均匀噪声。

表1 倾斜蜗壳尺寸参数

有研究发现采用斜蜗舌对高次谐波的离散噪声具有良好的降噪效果，但是对于中低频的宽频噪声降噪效果不明显。由于在风轮高速运转下，惯性作用会使蜗壳底部与旋转中心靠近并形成低压漩涡区，同时在风轮的高速运转作用下，在风轮外缘会形成高压区，使得靠近底壳的整个界面沿着叶轮径向形成较大的压力梯度，此时湍流强度非常大。对此，拟采用倾斜蜗壳来降低蜗壳底部的压力梯度以及湍流强度。不同倾斜角下的蜗壳最小蜗舌间隙不同，具体见表1所示。从表1中得知，随着蜗舌间隙的不断减小，风机效率有所提高，但是会产生较大的气动噪声。基于此，综合考虑采用倾斜角2°的方案，并拟定两种方案：一种是将蜗壳设计成为向上倾斜2°；另一种是将蜗壳设计为向下倾斜2°。

若将蜗壳设计为向上倾斜2°，同样会使离心风机内流场靠近蜗舌出有明显的回流现象，出风口处高速气流与低速气流汇合，进而导致出风口出风不均。而将蜗壳设计为向下倾斜2°，蜗壳底部回流区明显减小，且流速分布均匀。将蜗壳设计为向上倾斜2°，蜗壳回流区增大，且高低速气流分层较为明显，各方面性能较差。而将蜗壳设计为向下倾斜2°，蜗舌处的负压区域明显减小，且向下倾斜2°，能增大蜗壳底部的横截面积，有利于放缓靠近底部气流流速，使出风口处的气流分布更加均匀。综合上述分析结果，可选用向下倾斜2°的蜗壳设计来降低中低频的宽频噪声，以保证离心风机出风口的出风更加均匀。

3、试验验证

为进一步验证向下倾斜2°优化方案的降噪效果，依据这一优化方案制作样机，并匹配与原蜗壳相同的电机进行性能测试。在测试过程中，主要依据GB/T17713-2001《吸油烟机》规定的空气性能试验方法，选取了10个测试工况点，并与原蜗壳进行比对。下表2为两种不同蜗壳的参数比对情况。从表2显示的结果得知，在出口流量与进口速度方面，计算值与实测值想接近，但在出口速度与出口总压值方面，计算值与实测值有较大的偏离。

表2 两种蜗壳参数对比（转速750r/min）

再对不同工况下两种蜗壳的流量及全压进行测试。优化后的蜗壳其出口流量与出口全压，基本与原蜗壳一致，但出口流量要比原蜗壳略高一些，而出口全要要比原蜗壳略低。

优化设计后的蜗壳的进出风口噪声水平与原蜗壳基本持平，但新蜗壳的噪声水平要更优于原蜗壳，在正常工作状态下，新蜗壳可明显减弱出风口处的不均匀“呼啦”声音。

4、结论

通过仿真分析及试验验证得知，针对吸油烟机离心风机出风口出不均匀“呼啦”声问题，可通过向下倾斜2°的蜗壳设计，降低蜗壳进出风口的噪声，且向下倾斜蜗壳，能增大蜗壳底部横截面积，可降低蜗壳底部的气流流速，减小出风口截面的速度梯度，进而有效改善出风不均的问题。

参考文献：

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寄书：广东省中山市小榄镇华园路1号研发大楼，梁之博，15920323310