無葉風扇和內置風機設計與研究

    無葉風扇由出風 和微型風機組成,微型風機內置于無葉風扇內部,這使得無葉風扇變得更安全、更環保,目前無葉風扇的問題主要集中在風力和噪音上。其中傳統無葉風扇出風圈內表面均設置成擴散面,結構單一,風力較小,因此設計研究新型出風圈內表面對繼續創新無葉風扇結構具有指導意義。同時,微型風機在高速運轉時噪音較大,因此設計低噪聲風機對無葉風扇降噪具有重要意義。
    本文提出了帶收縮型出風內表面的無葉風扇結構,并依此為依據設計了兩款無葉風扇。對小間隙無葉風扇模型進行數值計算,驗證了收縮型內表面能夠高效地實現風量放大作用。同時研究了收縮角和入口速度環量對小間隙無葉風扇性能的影響,為無葉風扇和內置風機設計提供了依據。設計了配套的兩級低速微型風機結構,取代單級高速風機。風機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機氣動聲學特性分析,表明非等距葉片布置可以降低風機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區間。對小間隙無葉風扇和兩級風機樣機進行實驗研究,結果表明新型無葉風扇較傳統無葉風扇性能和降噪效果都有了明顯提高,同時將實驗結果與模擬結果進行對比,驗證了研究思路的可行性。
針對大出風間隙結構無葉風扇無法形成穩定射流的問題,通過格柵結構設置保證了大出風間隙條件下的均勻出風,數值模擬結果表明無葉風扇間隙越大,需要的格柵密度越大。而收縮角對大出風間隙結構的性能和風向也具有顯著影響,夾角過大或過小都會使風向偏離中心位置。本文給出了無葉風扇及其內置低噪聲風機的設計方法,給出了帶收縮型出風內表面的無葉風扇結構、無葉風扇專用低速兩級風機結構、不等距風機葉片結構以及帶格柵的大間隙出風結構,給出了關鍵結構參數對風扇性能與噪聲指標的影響,設計的新型無葉風扇達到了設計目的,分析結果為新型無葉風扇的結構創新和產品開發提供了參考。

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和傳統三葉式風扇。空調耗電率較高,并且幾乎沒有通風;傳統風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明的無葉風扇徹底改變了風扇在人們心中的形象,它拋棄了傳統電風扇的葉片部件,使風扇變得更安全、更節能、更環保,因此,無葉風扇被美國科技雜志評為了 2009年的全球十大發明之一。
    圖1.1為無葉風扇工作原理圖,無葉風扇由含基座的無葉風扇出風圈和微型風機組成。狹義的無葉風扇僅指出風 ,本文中如無特殊說明,無葉風扇也僅指無葉風扇出風 。微型風機將外界空氣抽吸到基座內部,經由風機井壓后的空氣,從一個1 mm左右寬的環形出風口吱出來。由于空氣是被強制從這一環形細縫里歡出來的,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動,氣流前進會在無葉風扇背后產生負壓,無葉風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,最終使風扇前方氣流較風機入口氣流量增強15倍[2]。
    目前無葉風扇以其結構和原理的新穎性受到人們的喜歡,正逐漸走進人們的曰常生活,但由于價格偏昂責,暫時還沒有得到普及.除價格外,無葉風扇還存在一些其他問題:首先,從能量角度來看,無葉風扇的進風口和出風口與傳統風扇相比增加了氣流阻力,因此其轉換效率沒有傳統風扇的髙,也就是說不考慮風量放大作用,產生同等出風量的無葉風扇所需動力髙于傳統風扇.研究無葉風扇的流場特性和影響因素,可以為無葉風扇的繼續創新提供參考.其次,作為無葉風扇的動力源,內置%型風機同時也是最主要的噪聲源.無葉風扇流量通過風機變轉速實現,在低速時相當安靜;但大風量時需要提髙風機轉速,風機轉速的提髙使無葉風扇的噪音比傳統風扇還大,因此造成低轉速風力小,髙轉速噪聲大的缺點.對于無葉風扇來說,設計髙性能低噪聲的微型風機具有非常重要的意義.