小間隙無葉風扇及兩級風機實驗研究

    前文數值研究表明,新型無葉風扇和兩級風機方案可以達到明顯增效、降噪的效果,對第2章設計的小間隙無葉風扇和第3章設計的兩級風機進行實體造型,并對實體樣機進行實驗研究,通過與傳統無葉風扇性能和噪聲進行對比,驗證設計方案的可行性;通過與前文數值模擬結果進行對比,驗證研究思路的可行性。

4.1底座與風機間距對風機進口噪聲的影響

    入口氣流均勻進風對風機降噪來說是很重要的。與傳統風機進口安裝方式不同,無葉風扇用微型風機下方為固定基座底部(底座),底座內裝有電路控制模塊,用以控制風機轉速。底座與風機進口之間形成一個腔室,空氣通過基座四周的進風孔由外界進入腔室,隨后進入風機。為了保證結構緊湊,風機進口和底座安裝間距較小,這將影響風機的進流狀態,從而影響風機進口聲壓級。以模型風機為例,圖4.1為風機和基座安裝示意圖。

測定風機入口和底座不同距離下風機進口的噪聲情況,從而找到一個合適的間距,保證風機進口噪聲值不受底座影響。在風機進口前方放一玻璃擋板,用以代替底座,圖4.2為擋板和風機位置示意圖,改變擋板與風機入口的距離,表4.1為無擋板情況下不同轉速下進口聲壓級,石家莊風機圖4.3為風機距離底座不同間距h下風機進口處噪聲級情況。對比表4.1與圖4.3可看出,由于擋板的存在,風機進口聲壓級升高。
 

另外由圖4.3還可以發現,隨著間距的增加,風機進口噪聲級逐漸降低,但降低速率不同,距離小20min時,噪聲級隨著距離的增大,噪聲級迅速減小,當距離大于20mm,噪聲級降幅緩慢。

4.2新風機性能與聲壓級的實驗驗證

本節實驗主要是對比內置不同風機時無葉風扇的性能和噪聲水平,風扇選用傳統無葉風扇,風機分別取模型風機和新設計的兩級風機。圖4.4為兩級風機實體截面圖,每級葉輪有獨立的電機驅動,正常運轉時,兩個電機轉速相同。

用膠帶將兩風機分別和傳統無葉風扇連接,如圖4.4和4.5,因為沒有加用相應的外殼,因此噪音會比最終成型后的產品略差.風機流量的調節通過改變電機轉速實現,轉速以500r/min為單位進行改變,在風扇前Im處用手持風速計測量最大風速,最大風速基本在無葉風扇軸線上,用聲壓計測量此處噪音,環境噪音約為40分貝左右。

表4.2為兩種風機下無葉風扇1 m前最大風速和噪音對比情況,由表可以看出兩種風機下無葉風扇性能接近,但連接兩級風機時傳統無葉風扇噪音下降了 5dB,降噪效果明顯。
 

4.3小間隙無葉風扇性能與聲壓級的實驗研究

將設計的新型無葉風扇和兩級風機采用膠帶連接的臨時方式連接,且沒有加用相單片機解密應的外殼,此處的風速和噪音會比實際整機模型略差。圖4.6為新型無葉風扇和兩級風機的組裝圖,風機各葉輪轉速相同,由控制電板控制。
圖4.7為不同風機進口流量下無葉風扇1 m前最大風速模擬計算值與實驗

值對比,由于數值模擬時沒有考慮到風機進口處基座的阻力,所以最大風速計算值比實驗值略高,由圖可以看出在額定流量下,無葉風扇1米前最大風速計算值比模擬值大4.8%,偏差較小,證明釆用無葉風扇、風機分開建模、獨立計算的方法可行。

圖4.8為不同轉速下風機前1 m處噪音變化情況,由圖可以看出當風機導葉出口連接無葉風扇時比風機裸機噪聲有所降低,這主要是因為風機出口噪聲在無葉風扇內部消耗,無葉風扇起到了隔聲作用。
圖4.9為不同轉速下無葉風扇后部風速和前1 m處風速變化圖,對比兩處風速,可以看出無葉風扇有明顯的速度放大作用.由圖還可以看出轉速增大,無葉風扇前Im處最大風速呈直線上升,這說明了無葉風扇Im前最大風速與風機進口流量線性相關,而無葉風扇后部風速增加幅度較小,無葉風扇對周邊空氣的帶動作用更加明顯。

表4.3為新型無葉風扇性能測試結果,由表可以看出內置兩級風機額定轉速為4500 r/min時新型無葉風扇1 m前最大風速為4.1 m/s,遠大于傳統無葉風扇的2.8m/s,并且噪音僅為54dB,比傳統內置高速風機的無葉風扇噪音降低5dB,增效、降噪效果明顯,也驗證了本文設計方案的可行性,另外對比表4.2可知同樣連接兩級風機,小間隙無葉風扇和傳統無葉風扇隔聲效果相同說明無葉風扇隔聲效果與內表面形式無關。

小結

本章對設計的小間隙無葉風扇和兩級風機樣機進行實驗研究,并與前文模擬計算結果進行對比,證明了釆用無葉風扇、風機分開建模、獨立計算方法的可行性,同時得到以下結論:

(1)隨著風機與底座間距的增加,風機進口噪聲級逐漸降低,但降低速率不同,距離小20mm時,噪聲級隨著距離的增大,噪聲級迅速減小,當距離大于20 mm,噪聲級降幅緩慢;

(2)隨著風機轉速增大,無葉風扇前Im處最大風速呈直線上升,而無葉風扇后部風速增加幅度較小,說明無葉風扇對周邊空氣的帶動作用更加明顯;

(3)釆用兩級低速風機代替單級高速風機在保證性能的同時,可以降低風機噪聲;采用帶有收縮內表面的無葉風扇性能較傳統風扇性能有明顯提升,達到設計目的。