无叶风扇和内置风机设计与研究

    无叶风扇由出风 和微型风机组成,微型风机内置于无叶风扇内部,这使得无叶风扇变得更安全、更环保,目前无叶风扇的问题主要集中在风力和噪音上。其中传统无叶风扇出风圈内表面均设置成扩散面,结构单一,风力较小,因此设计研究新型出风圈内表面对继续创新无叶风扇结构具有指导意义。同时,微型风机在高速运转时噪音较大,因此设计低噪声风机对无叶风扇降噪具有重要意义。
    本文提出了带收缩型出风内表面的无叶风扇结构,并依此为依据设计了两款无叶风扇。对小间隙无叶风扇模型进行数值计算,验证了收缩型内表面能够高效地实现风量放大作用。同时研究了收缩角和入口速度环量对小间隙无叶风扇性能的影响,为无叶风扇和内置风机设计提供了依据。设计了配套的两级低速微型风机结构,取代单级高速风机。风机叶轮采用非均匀布置叶片,通过基于RANS+FW-H方法对不同叶片分布形式下风机气动声学特性分析,表明非等距叶片布置可以降低风机叶片通过频率处的噪声值,叶片分布不均匀度越大,对该频率噪声降低效果越明显;但不均匀度过大,会导致低频噪声声压级的大幅增加,叶片不均匀度存在一个最优区间。对小间隙无叶风扇和两级风机样机进行实验研究,结果表明新型无叶风扇较传统无叶风扇性能和降噪效果都有了明显提高,同时将实验结果与模拟结果进行对比,验证了研究思路的可行性。
针对大出风间隙结构无叶风扇无法形成稳定射流的问题,通过格栅结构设置保证了大出风间隙条件下的均匀出风,数值模拟结果表明无叶风扇间隙越大,需要的格栅密度越大。而收缩角对大出风间隙结构的性能和风向也具有显著影响,夹角过大或过小都会使风向偏离中心位置。本文给出了无叶风扇及其内置低噪声风机的设计方法,给出了带收缩型出风内表面的无叶风扇结构、无叶风扇专用低速两级风机结构、不等距风机叶片结构以及带格栅的大间隙出风结构,给出了关键结构参数对风扇性能与噪声指标的影响,设计的新型无叶风扇达到了设计目的,分析结果为新型无叶风扇的结构创新和产品开发提供了参考。

1.1研究背景和意义

    目前夏天家庭里去署的工具主要是空调和传统三叶式风扇。空调耗电率较高,并且几乎没有通风;传统风扇的叶片暴露在空气中,不仅容易附着灰尘,清洗麻烦,而且对小朋友还存在一定的安全隐患。英国人詹姆士戴森发明的无叶风扇彻底改变了风扇在人们心中的形象,它抛弃了传统电风扇的叶片部件,使风扇变得更安全、更节能、更环保,因此,无叶风扇被美国科技杂志评为了 2009年的全球十大发明之一。
    图1.1为无叶风扇工作原理图,无叶风扇由含基座的无叶风扇出风圈和微型风机组成。狭义的无叶风扇仅指出风 ,本文中如无特殊说明,无叶风扇也仅指无叶风扇出风 。微型风机将外界空气抽吸到基座内部,经由风机井压后的空气,从一个1 mm左右宽的环形出风口吱出来。由于空气是被强制从这一环形细缝里欢出来的,喷射出的急速气流会基于雾沫夹带的原理带动周围的空气一起向同方向运动,气流前进会在无叶风扇背后产生负压,无叶风扇背后的空气会不断地被吸入以维持前后的压力平衡,气流量被放大,最终使风扇前方气流较风机入口气流量增强15倍[2]。
    目前无叶风扇以其结构和原理的新颖性受到人们的喜欢,正逐渐走进人们的曰常生活,但由于价格偏昂责,暂时还没有得到普及.除价格外,无叶风扇还存在一些其他问题:首先,从能量角度来看,无叶风扇的进风口和出风口与传统风扇相比增加了气流阻力,因此其转换效率没有传统风扇的髙,也就是说不考虑风量放大作用,产生同等出风量的无叶风扇所需动力髙于传统风扇.研究无叶风扇的流场特性和影响因素,可以为无叶风扇的继续创新提供参考.其次,作为无叶风扇的动力源,内置%型风机同时也是最主要的噪声源.无叶风扇流量通过风机变转速实现,在低速时相当安静;但大风量时需要提髙风机转速,风机转速的提髙使无叶风扇的噪音比传统风扇还大,因此造成低转速风力小,髙转速噪声大的缺点.对于无叶风扇来说,设计髙性能低噪声的微型风机具有非常重要的意义.