小间隙无叶风扇及两级风机实验研究

    前文数值研究表明,新型无叶风扇和两级风机方案可以达到明显增效、降噪的效果,对第2章设计的小间隙无叶风扇和第3章设计的两级风机进行实体造型,并对实体样机进行实验研究,通过与传统无叶风扇性能和噪声进行对比,验证设计方案的可行性;通过与前文数值模拟结果进行对比,验证研究思路的可行性。

4.1底座与风机间距对风机进口噪声的影响

    入口气流均匀进风对风机降噪来说是很重要的。与传统风机进口安装方式不同,无叶风扇用微型风机下方为固定基座底部(底座),底座内装有电路控制模块,用以控制风机转速。底座与风机进口之间形成一个腔室,空气通过基座四周的进风孔由外界进入腔室,随后进入风机。为了保证结构紧凑,风机进口和底座安装间距较小,这将影响风机的进流状态,从而影响风机进口声压级。以模型风机为例,图4.1为风机和基座安装示意图。

测定风机入口和底座不同距离下风机进口的噪声情况,从而找到一个合适的间距,保证风机进口噪声值不受底座影响。在风机进口前方放一玻璃挡板,用以代替底座,图4.2为挡板和风机位置示意图,改变挡板与风机入口的距离,表4.1为无挡板情况下不同转速下进口声压级,石家庄风机图4.3为风机距离底座不同间距h下风机进口处噪声级情况。对比表4.1与图4.3可看出,由于挡板的存在,风机进口声压级升高。
 

另外由图4.3还可以发现,随着间距的增加,风机进口噪声级逐渐降低,但降低速率不同,距离小20min时,噪声级随着距离的增大,噪声级迅速减小,当距离大于20mm,噪声级降幅缓慢。

4.2新风机性能与声压级的实验验证

本节实验主要是对比内置不同风机时无叶风扇的性能和噪声水平,风扇选用传统无叶风扇,风机分别取模型风机和新设计的两级风机。图4.4为两级风机实体截面图,每级叶轮有独立的电机驱动,正常运转时,两个电机转速相同。

用胶带将两风机分别和传统无叶风扇连接,如图4.4和4.5,因为没有加用相应的外壳,因此噪音会比最终成型后的产品略差.风机流量的调节通过改变电机转速实现,转速以500r/min为单位进行改变,在风扇前Im处用手持风速计测量最大风速,最大风速基本在无叶风扇轴线上,用声压计测量此处噪音,环境噪音约为40分贝左右。

表4.2为两种风机下无叶风扇1 m前最大风速和噪音对比情况,由表可以看出两种风机下无叶风扇性能接近,但连接两级风机时传统无叶风扇噪音下降了 5dB,降噪效果明显。
 

4.3小间隙无叶风扇性能与声压级的实验研究

将设计的新型无叶风扇和两级风机采用胶带连接的临时方式连接,且没有加用相单片机解密应的外壳,此处的风速和噪音会比实际整机模型略差。图4.6为新型无叶风扇和两级风机的组装图,风机各叶轮转速相同,由控制电板控制。
图4.7为不同风机进口流量下无叶风扇1 m前最大风速模拟计算值与实验

值对比,由于数值模拟时没有考虑到风机进口处基座的阻力,所以最大风速计算值比实验值略高,由图可以看出在额定流量下,无叶风扇1米前最大风速计算值比模拟值大4.8%,偏差较小,证明釆用无叶风扇、风机分开建模、独立计算的方法可行。

图4.8为不同转速下风机前1 m处噪音变化情况,由图可以看出当风机导叶出口连接无叶风扇时比风机裸机噪声有所降低,这主要是因为风机出口噪声在无叶风扇内部消耗,无叶风扇起到了隔声作用。
图4.9为不同转速下无叶风扇后部风速和前1 m处风速变化图,对比两处风速,可以看出无叶风扇有明显的速度放大作用.由图还可以看出转速增大,无叶风扇前Im处最大风速呈直线上升,这说明了无叶风扇Im前最大风速与风机进口流量线性相关,而无叶风扇后部风速增加幅度较小,无叶风扇对周边空气的带动作用更加明显。

表4.3为新型无叶风扇性能测试结果,由表可以看出内置两级风机额定转速为4500 r/min时新型无叶风扇1 m前最大风速为4.1 m/s,远大于传统无叶风扇的2.8m/s,并且噪音仅为54dB,比传统内置高速风机的无叶风扇噪音降低5dB,增效、降噪效果明显,也验证了本文设计方案的可行性,另外对比表4.2可知同样连接两级风机,小间隙无叶风扇和传统无叶风扇隔声效果相同说明无叶风扇隔声效果与内表面形式无关。

小结

本章对设计的小间隙无叶风扇和两级风机样机进行实验研究,并与前文模拟计算结果进行对比,证明了釆用无叶风扇、风机分开建模、独立计算方法的可行性,同时得到以下结论:

(1)随着风机与底座间距的增加,风机进口噪声级逐渐降低,但降低速率不同,距离小20mm时,噪声级随着距离的增大,噪声级迅速减小,当距离大于20 mm,噪声级降幅缓慢;

(2)随着风机转速增大,无叶风扇前Im处最大风速呈直线上升,而无叶风扇后部风速增加幅度较小,说明无叶风扇对周边空气的带动作用更加明显;

(3)釆用两级低速风机代替单级高速风机在保证性能的同时,可以降低风机噪声;采用带有收缩内表面的无叶风扇性能较传统风扇性能有明显提升,达到设计目的。