無葉風(fēng)扇和內(nèi)置風(fēng)機(jī)設(shè)計與研究

    無葉風(fēng)扇由出風(fēng) 和微型風(fēng)機(jī)組成,微型風(fēng)機(jī)內(nèi)置于無葉風(fēng)扇內(nèi)部,這使得無葉風(fēng)扇變得更安全、更環(huán)保,目前無葉風(fēng)扇的問題主要集中在風(fēng)力和噪音上。其中傳統(tǒng)無葉風(fēng)扇出風(fēng)圈內(nèi)表面均設(shè)置成擴(kuò)散面,結(jié)構(gòu)單一,風(fēng)力較小,因此設(shè)計研究新型出風(fēng)圈內(nèi)表面對繼續(xù)創(chuàng)新無葉風(fēng)扇結(jié)構(gòu)具有指導(dǎo)意義。同時,微型風(fēng)機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時噪音較大,因此設(shè)計低噪聲風(fēng)機(jī)對無葉風(fēng)扇降噪具有重要意義。
    本文提出了帶收縮型出風(fēng)內(nèi)表面的無葉風(fēng)扇結(jié)構(gòu),并依此為依據(jù)設(shè)計了兩款無葉風(fēng)扇。對小間隙無葉風(fēng)扇模型進(jìn)行數(shù)值計算,驗(yàn)證了收縮型內(nèi)表面能夠高效地實(shí)現(xiàn)風(fēng)量放大作用。同時研究了收縮角和入口速度環(huán)量對小間隙無葉風(fēng)扇性能的影響,為無葉風(fēng)扇和內(nèi)置風(fēng)機(jī)設(shè)計提供了依據(jù)。設(shè)計了配套的兩級低速微型風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu),取代單級高速風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)葉輪采用非均勻布置葉片,通過基于RANS+FW-H方法對不同葉片分布形式下風(fēng)機(jī)氣動聲學(xué)特性分析,表明非等距葉片布置可以降低風(fēng)機(jī)葉片通過頻率處的噪聲值,葉片分布不均勻度越大,對該頻率噪聲降低效果越明顯;但不均勻度過大,會導(dǎo)致低頻噪聲聲壓級的大幅增加,葉片不均勻度存在一個最優(yōu)區(qū)間。對小間隙無葉風(fēng)扇和兩級風(fēng)機(jī)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明新型無葉風(fēng)扇較傳統(tǒng)無葉風(fēng)扇性能和降噪效果都有了明顯提高,同時將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對比,驗(yàn)證了研究思路的可行性。
針對大出風(fēng)間隙結(jié)構(gòu)無葉風(fēng)扇無法形成穩(wěn)定射流的問題,通過格柵結(jié)構(gòu)設(shè)置保證了大出風(fēng)間隙條件下的均勻出風(fēng),數(shù)值模擬結(jié)果表明無葉風(fēng)扇間隙越大,需要的格柵密度越大。而收縮角對大出風(fēng)間隙結(jié)構(gòu)的性能和風(fēng)向也具有顯著影響,夾角過大或過小都會使風(fēng)向偏離中心位置。本文給出了無葉風(fēng)扇及其內(nèi)置低噪聲風(fēng)機(jī)的設(shè)計方法,給出了帶收縮型出風(fēng)內(nèi)表面的無葉風(fēng)扇結(jié)構(gòu)、無葉風(fēng)扇專用低速兩級風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)、不等距風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)以及帶格柵的大間隙出風(fēng)結(jié)構(gòu),給出了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對風(fēng)扇性能與噪聲指標(biāo)的影響,設(shè)計的新型無葉風(fēng)扇達(dá)到了設(shè)計目的,分析結(jié)果為新型無葉風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和產(chǎn)品開發(fā)提供了參考。

1.1研究背景和意義

    目前夏天家庭里去署的工具主要是空調(diào)和傳統(tǒng)三葉式風(fēng)扇。空調(diào)耗電率較高,并且?guī)缀鯖]有通風(fēng);傳統(tǒng)風(fēng)扇的葉片暴露在空氣中,不僅容易附著灰塵,清洗麻煩,而且對小朋友還存在一定的安全隱患。英國人詹姆士戴森發(fā)明的無葉風(fēng)扇徹底改變了風(fēng)扇在人們心中的形象,它拋棄了傳統(tǒng)電風(fēng)扇的葉片部件,使風(fēng)扇變得更安全、更節(jié)能、更環(huán)保,因此,無葉風(fēng)扇被美國科技雜志評為了 2009年的全球十大發(fā)明之一。
    圖1.1為無葉風(fēng)扇工作原理圖,無葉風(fēng)扇由含基座的無葉風(fēng)扇出風(fēng)圈和微型風(fēng)機(jī)組成。狹義的無葉風(fēng)扇僅指出風(fēng) ,本文中如無特殊說明,無葉風(fēng)扇也僅指無葉風(fēng)扇出風(fēng) 。微型風(fēng)機(jī)將外界空氣抽吸到基座內(nèi)部,經(jīng)由風(fēng)機(jī)井壓后的空氣,從一個1 mm左右寬的環(huán)形出風(fēng)口吱出來。由于空氣是被強(qiáng)制從這一環(huán)形細(xì)縫里歡出來的,噴射出的急速氣流會基于霧沫夾帶的原理帶動周圍的空氣一起向同方向運(yùn)動,氣流前進(jìn)會在無葉風(fēng)扇背后產(chǎn)生負(fù)壓,無葉風(fēng)扇背后的空氣會不斷地被吸入以維持前后的壓力平衡,氣流量被放大,最終使風(fēng)扇前方氣流較風(fēng)機(jī)入口氣流量增強(qiáng)15倍[2]。
    目前無葉風(fēng)扇以其結(jié)構(gòu)和原理的新穎性受到人們的喜歡,正逐漸走進(jìn)人們的曰常生活,但由于價格偏昂責(zé),暫時還沒有得到普及.除價格外,無葉風(fēng)扇還存在一些其他問題:首先,從能量角度來看,無葉風(fēng)扇的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口與傳統(tǒng)風(fēng)扇相比增加了氣流阻力,因此其轉(zhuǎn)換效率沒有傳統(tǒng)風(fēng)扇的髙,也就是說不考慮風(fēng)量放大作用,產(chǎn)生同等出風(fēng)量的無葉風(fēng)扇所需動力髙于傳統(tǒng)風(fēng)扇.研究無葉風(fēng)扇的流場特性和影響因素,可以為無葉風(fēng)扇的繼續(xù)創(chuàng)新提供參考.其次,作為無葉風(fēng)扇的動力源,內(nèi)置%型風(fēng)機(jī)同時也是最主要的噪聲源.無葉風(fēng)扇流量通過風(fēng)機(jī)變轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn),在低速時相當(dāng)安靜;但大風(fēng)量時需要提髙風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提髙使無葉風(fēng)扇的噪音比傳統(tǒng)風(fēng)扇還大,因此造成低轉(zhuǎn)速風(fēng)力小,髙轉(zhuǎn)速噪聲大的缺點(diǎn).對于無葉風(fēng)扇來說,設(shè)計髙性能低噪聲的微型風(fēng)機(jī)具有非常重要的意義.