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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
蜗壳原始尺寸 | 倾斜角度(°) | 倾斜尺寸(mm) | 倾斜后最小蜗舌间隙(mm) |
蜗壳宽度160mm,蜗舌间隙15mm | 1 | 1.40 | 13.61 |
2 | 2.79 | 12.21 | |
3 | 4.19 | 10.82 | |
4 | 5.58 | 9.42 |
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)
模型 | 原蜗壳计算值 | 下倾斜2°计算值 | 上倾斜2°计算值 | 原蜗壳实测值 | 下倾斜2°实测值 |
出口流量(mm³/s) | 0.290 | 0.290 | 0.270 | 0.278 | 0.283 |
出/进口速度(m/s) | 16.12/6.14 | 22.08/5.78 | 21.58/5.38 | 14.10/7.00 | 15.50/6.80 |
出口总压(pa) | 125.92 | 121.07 | 119.18 | 92.40 | 89.05 |
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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