無葉風扇各部件研究現狀

1.2.1無葉風康研究現狀
英國家電廠家戴森(Dyson)受空氣葉片干手器的啟發,在2009年10月12曰推出了第代無葉風扇【3】,其獨特的造型和產風原理以及平穩的風感,受到
很多學者和用戶的青睞.2011年2月,戴森繼一代無葉風扇后,在香港又強勢推出的無葉風扇第二代,增加了無線遙控器。
因為沒有葉片暴露在空氣中,所以無葉風扇安全性能要優于傳統風扇,同時風機內置于無葉風扇內部,還可以起到明顯的降噪效果。傳統風扇的出風量
要比無葉風扇大一些,比較適合大面積送風;而無葉風扇因為沒有葉片來`切割'空氣,向使用者輸出的氣流具有低撒流、輪廊呈線性的優點,使用者不會感到階段性沖擊和波浪形刺激,無葉風扇吹風給人一種接近自然風的體感,所以舒適感要強于傳統風扇.同時線性低滿流的氣流有效從出風口噴出,能降低能量損失,即使相隔較遠也會感覺到涼爽的感覺,能達到髙效節能的作用。無葉風扇的優勢已被越來越多的人認可,已經形成了自己的市場.目前國內市場上的國外產品具有原創性,專利保護嚴格,但結構單一,價格較髙;而國產無葉風扇雖然價格便宜,功能較多,但創新性不足,因此研究無葉風扇流場特性,創新無葉風扇結構對打破國外專利壟斷,降低無葉風扇價格具有現實意義。
目前無葉風扇還不能完全取代傳統三葉式風扇,其問題主要集中在噪音和風力上面,對應部件就是內置風機和無葉風扇出風 。無葉風扇出口結構參數決定了最終出風的效果,無葉風扇緊鄰出風口處設置一個科恩達表面。科恩達表面是一種已知的表面,離開出風口的流體經過該表面表現出科恩達效應⑷:流體(水流或氣流)有離開原來的流動方向,改為隨著凸出的物體表面流動的傾向,由于流體與它流過的物體表面之間存在表面摩擦,流體的流速會減慢,只要物體表面的曲率不是太大,依據流體力學中的伯努利原理,流速的減緩會導致流體被吸附在物體表面上流動。氣流緊貼物體表面運動,在很大程度上避免了在尺寸發生改變的區域產生回流而導致能量損失,并能有效帶動更大范圍的流體隨之流動。
目前國內外關于無葉風扇的專利[5][6]有很多/但現有專利中無葉風扇科恩達表面下游內環壁面均設置成擴散面,結構形式單一;另外出風口間隙比較小,造成很大的壓阻。同時關于無葉風扇的研究論文還比較缺少,張廣星[7]用數值模擬的方法研究科恩達面曲率半徑對無葉風扇性能的影響,發現科恩達面曲率半徑對無葉風扇速度場影響較大。王旱祥[8]等依然利用數值模擬的方法研究出口間隙和滬散面傾角對無葉風扇性能的影響,最終尋找出最佳傾角和間隙。

1.2.2風機降噪研究現狀

    內置微型風機為無葉風扇提供動力,由于無葉風扇氣流阻力較傳統風扇要高,因此要求內置風機高轉速運行,而高速旋轉的葉輪勢必產生很大的噪音。世界衛生組織認為,噪聲污染已經成為影響人們身體健康和生活質量的嚴重問題[9],因此降低風機噪聲對無葉風扇的推廣意義重大。實踐證明,風機葉片產生的空氣動力性噪聲遠遠大于風機的機械噪聲和電磁噪聲。風機噪聲的影響因素眾多,根據聲福射的基本規律,噪聲源可以分為單極子、偶極子和四極子。IJ.Sharland[iG]對風機噪聲源特性進行了詳細的研究,結果表明,軸流風機噪聲具有偶極子特點,由葉片作用于流過風機的空氣而產生的脈動引起,分為旋轉噪:聲和禍流噪聲。
    風機的旋轉噪聲又稱離散頻率噪聲,其發聲機理主要有兩種:一種是當葉片在自由空間旋轉時,葉片鄰近的某固定位置處的空氣受到葉片和其壓力場周期性激勵而發聲;另一種旋轉噪聲來自動葉與靜葉之間的干涉,這種干涉既歸因于壓力場的相互作用,又歸因于葉片尾跡的作用。當動葉與靜葉間距較小時,動葉尾流掃過靜葉片會產生脈動力,從而產生旋轉噪聲。其頻率f跟葉片數Z和轉速n有關,又稱葉片通過頻率,基頻可表示為:除了葉片基頻以外,風機的離散噪聲還有與基頻成倍數的各階諧波組成,f=if (i=2,3,4……),各階諧波的聲壓值逐漸減小。禍流噪聲又稱為寬頻噪聲,根源是隨機脈動力,其主要是由葉輪入口來流不均勻(例如葉輪入口處有障礙物、急轉 等)、動葉湍流邊界層的漩禍自葉片后緣脫落時引起的壓力脈動、二次禍流等原因引起的。研究表明,寬頻噪聲的強度與氣流的八次方成比例。目前降低風機噪聲的途徑按原理可以分為兩種:一是治標,采取消聲器、隔聲或吸聲等措施;二是治本,用氣動聲學原理來設計降低風機噪聲對于小型風機來說,釆用消聲器的造價髙、體積大,有時甚至消聲設備的造價和體積都大于風機本身,得不償失;而人們對它們的低噪聲要求又格外嚴格。對于小型風機,如果效率和噪聲不能兼顧,印使降低效率來換取低噪聲也是可取的。目前風機降噪的方法很多[12],主要包括葉片穿孔法【13]、前掠葉片降噪法仿生學降噪法[15】、不等節距葉片降噪法[16】【17]【18]等。其中不等節距葉片因為不改變葉片形狀,成本相對其他控制方法更低。在結構上來說葉輪產生離散噪聲的原因是葉片間周向夾角均勻布置,因此葉片非等距布置是降低葉輪離散噪聲的有效手段。
一種最常用的葉片分布角按公式

,    圖1.2為葉片分布示意圖。中,等節距第n個葉片應安裝的位置;9'?_不等節距第n個葉片安裝的位置;關于葉片非均布式葉輪的研究工作開展較早,1^0%5011[2°】于1976年首次提出了采用周向隨機布置葉片可以降低軸流壓縮機基頻噪聲的觀點;之后Melin和Sovran[21]對軸流壓氣機采用葉片非均布方案降低葉輪離散噪聲的方法進行了研究,推導出了計算不等距葉片離散噪聲的公式;￡%31<1[22]則采用葉片非均布方法成功地將一軸流風扇的基頻噪聲降低了 8dB;國內伍先俊[23]等研究了針對貫流風機的降噪,對風機葉片周向角進行了不等距優化設計,提出了一個優化設計模型;此外,針對離心風機采用非均布式葉輪的方法也有相關研究[24]。根據ghthill25]的氣動聲學理論,Wright[26]* Lowson[27]等人從不同角度導出了等節距葉片轉子的聲轄射公式,而國內學者孫曉峰又在Wright的基礎上推出了不等節距葉片轉子噪聲的聲福射公式,成功預測出某不等節距葉片比等節距葉片在葉片通過頻率(BWF)處噪聲比的降低幅值,并通過實驗說明葉片可以在相當大的逾度內選擇分布方式而不會使風機的氣動性能惡化。馬健峰[28]根據文獻[19]葉片分組自平衡的分配方案進行葉輪葉片的不等距設計,并進行了數值模擬和實驗研究,證明采用不等距葉片可以降低離心通風機基頻噪聲的峰值,但是總的噪聲級基本不變。葉輪機械噪聲和壓力脈動有很大關系河合勇太[31]等證明了葉輪出口壓力脈動與聲壓級的相關性,并用統計學的方法說明葉片節距角的偏差增大將會加大比BWF低的聲音成分的聲壓級,建議葉片節距角分布要控制在一定的范圍內。
    雖然不等距葉片布置方式的研究很早就已經開展,但是對不等距葉片的合理設計方法目前還沒有形成,大多數設計更多的是采用簡單的約束條件結合試驗方法來進行。其中,約束條件一般釆用的是動平衡約束和性能約束條件。然而,由于不等距葉片確實能夠對風機的離散噪聲達到較好的控制效果,未來需要開展的研究重點是摸索出合理的不等距葉片設計方法。