影响分体挂壁空调贯流风机旋转噪音的因素
摘 要 随着人们低碳环保理念的不断提升，噪音污染已经成为生活中一个不容忽视的问题。而空调噪音的好坏，也因此成为影响空调质量的决定性因素之一。文章通过对家用空调分体内机的风道模拟及实验对比验证，寻找到影响空调内机旋转噪音的主要因素，并通过对这些因素的优化以达到减弱旋转噪音，优化内机音质的设计目的，并指出分体空调内机旋转噪音问题解决的基本思路。
关键词 旋转噪音；蜗舌；偏心涡
中图分类号：TH43 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）02-0061-03
随着家用空调的应用普及，业内竞争日益白热化，空调品质的好坏已经不仅仅取决于简单的制冷、制热能力。噪音的大小、音质的好坏已经成为用户选择空调时必须考虑的问题。据相关的调查研究表明，空调噪声的投诉率是其他性能的2倍以上。国内各大空调企业近些年分别推出多款主打低噪音的产品并赢得了很好的市场反响。而旋转噪音一直是困扰分体空调内机噪音的一大问题，本文从旋转噪音产生的机理着手，分析了影响旋转噪音的主要因素，并针对其优化解决方案进行初步的分析探讨，以形成指导性设计思路。
1 旋转噪音产生的机理
贯流风叶由于结构简单、噪音小的特点，被广泛应用在家用分体空调中。
分体空调噪声来源主要是贯流风叶的气动噪声。气动噪声又可以分为湍流噪声和旋转噪声。湍流噪声主要是物体表面的湍流附面层和尾迹中的脱落涡等压力脉动发出的声音，在噪音频谱上表现为平缓的宽频连续谱噪声；旋转噪声主要是物体表面的高速气流脱离物体表面时的速度边界层以外，高速的气流速度锐减造成不稳定的气流，同时又与蜗舌风叶间隙中被带回的气流周期性的相互作用被增强而形成的。同湍流噪声相比，旋转噪声强度更大，在频谱上会形成尖峰，人耳的听觉对于这类声音也更敏感，是空调噪声的主要来源之一。
进一步剖析旋转噪音，它是风场内部气流运动形成的，贯流风叶气体运动的最大特点就是偏心涡的形成。前文所述：在出风口气体脱离风叶的表面速度边界层区域内，由于气流速度的阶梯性变化，形成一个不稳定运动的区域；另一方面，风叶与蜗舌的间隙中有一部分气体被风叶带回风道内部，根据相关文献模拟研究，偏心涡其实质就是由于气流的不稳定，在蜗舌附近形成的低压区，此区域形成在蜗舌附近，并与风叶叶轮沿着同一方向旋转，偏心涡带动周围的气体与结构件相互作用发声，就形成了旋转噪音。
旋转噪声频率和转速有关：
f=i*n*z/60
式中，z为叶片数，i为自然数，n表示旋转频率的倍频。
2 影响旋转噪音的因素
根据对旋转噪音形成机理的分析，结合我司产品开发的经验总结，影响旋转噪音的因素可归纳如下。
2.1 风叶的叶片数、转速
根据旋转噪音的频率点公式可知，叶片数z和转速n是影响旋转噪音峰值频率点的决定性因素，在我们测试时，可以根据此公式计算出旋转噪音的频率点并以此为依据判断旋转噪音的噪音值。改变叶片数或者调整转速可以降低噪音值，但是不能根除旋转噪音的产生（见3下文内容）。
2.2 偏心涡对于旋转噪音的影响
旋转噪音其本质就是由于偏心涡的不稳定扰动产生的，因此对于偏心涡的影响因素的研究从未停止过。
从文献[2]的研究来看，偏心涡的涡心位置随叶片倾角α（叶片圆弧两端连线与叶片外端和回转轴中心连线的夹角）的增大，沿着叶片旋转方向，向远离蜗舌的方向移动。
从文献[3]、[4]的研究来看，蜗舌间隙越大，偏心蜗的中心越靠近风叶中心；蜗舌间隙越小，偏心涡越远离风叶中心向蜗舌和出风口处靠近。同时，随着风叶与蜗舌间隙的减小，出口风速逐渐增大。
2.3 风叶参数设计的影响
风叶叶形设计、风叶相位角设计等，如不等距风叶的设计也对于旋转噪音有明显的影响。
2.4 来流气体状态的影响
当空调器运转时，室内机蒸发器与外界空气存在换热，制冷、制热模式下进风侧和出风侧气体状态都是不同的，也会影响内机的噪音效果，具体原因在下一章节实验3进行详解。
3 实验室解决旋转噪音的应用
实验1：在我司一款产品上，我们通过实验对比得出了转速与旋转噪音的关系。具体实施方案如下：
测试用为一款分体挂壁空调，采用风叶直径92 mm，总长度616 mm，叶片数35。
分别测试转速为1320 r/min、1300 r/min、1280 r/min、1250 r/min时的噪音值见表1。
表1
电机转速噪音值峰值/频率
132044.437.1/776.8
13004437.4/764.3
128043.336.5/751.8
125042.534.8/733
从表1中可以看出，随着转速的降低，噪音总值呈下降的趋势；按照旋转噪音频率计算的公式，各风挡噪音的峰值频率点正好吻合，说明在这四个转速下的噪音峰值均为旋转噪音，而旋转噪音的峰值也随着转速的降低而降低。但是由于峰值依然存在，整机音质并没有随着转速的降低而改善。
实验2：利用增加错位角的方式对于噪音进行优化，在实验1同一台内机上，分别使用2种不同的风叶。
风叶A，每个中节之间无错位角；风叶B，每个中节之间增加错位角3°。
分别在制热模式下测试超强档、高风档、中高风档的噪音，具体测试数据见表2。
表2
风叶类型风档噪音值峰值/频率转速
无错位角风叶超强档4742.7/776.81320
高风档41.232.4/689.31180
中高风档37.825/351.81100
3°错位角风叶超强档43.329.9/11961320
高风档3923.3/12391180
中高风档37.727.1/12211100
根据数据对比分析得出图1、图2。
图1 不同错位角风叶噪音总值对比
图2 不同错位角风叶噪音总值对比
从以上数据来看得出以下结论：风叶增加错位角后，旋转噪音值明显下降，整机噪音的峰值频率点也避开旋转噪音峰值，噪音总值也明显降低。分体机用贯流风叶在设计阶段必须考虑加入错位角的设计进行优化。
我们进一步分析，具体到每种机型，不同的错位角其噪音效果也是不同的。实验时，我们选取了6种不同错位角设计的风叶进行对比测试，得到数据，见表3。
根据数据绘制出噪音总值及峰值的对比曲线图3、图4。
图3 6种不同错位角风叶噪音总值对比
图4 6种不同错位角风叶噪音峰值对比
根据以上数据分析，只有+3、-3两种错位角的风叶噪音效果较好，最终我们根据音质效果选择+3°错位角的风叶为最优。
实验3：关于来流气体状态（包括气体密度、温度）变化对于偏心涡及噪音的影响变化目前还未见有专门的相关研究。
根据本司产品开发经验，空调器室内机不联机状态下测试的噪音效果同联机后的噪音测试效果是不同的。例如，空调器制热运行时，来流的低温气体被蒸发器加热导致气体体积膨胀，压力减小，偏心涡强度减弱，伴随着在蜗舌附近的气体扰动也减弱，由于风叶旋转引起的噪音被削弱。
室内机不联机（测试样机程序已特殊处理，导风板位置、转速同制热模式）和室内机联机制热两种运行模式下的噪音值对比如表4。
表4
空调器运行模式风档噪音值峰值/频率转速
不联机超强档4430.6/13981320
高风档40.324.3/9821180
中高风档38.829.8/11661100
联机制热超强档43.329.9/11961320
高风档3923.3/12391180
中高风档37.727.1/12211100
从以上测试数据分析得出：在联机运行情况下，超强档，噪音总值降低0.7 dB，峰值降低0.7dB；高风档，噪音总值降低1.3 dB，峰值降低1 dB；中高风档，噪音总值降低1.1 dB，峰值降低2.7dB。制热时空调器风道内部的偏心涡扰动由于气体被加热而减弱，表现在数据上就是旋转噪音值明显降低，噪音音质有明显优化。
其指导意义在于：室内机换热器设计的好坏也会影响噪音的效果。换热器表面温度的冷热不均也会引起其表面气体状态的不稳定从而影响气流的稳定。
4 总结优化解决思路
总结以上，在空调室内机产品开发过程当中，为了避免整机运行时出现旋转噪音问题，应该从以下几个方面进行优化设计。
1）制定合理的转速。风叶转速与噪音值的大小有必然的联系，转速越低旋转噪音频率点越小，噪音值越低，但是降低转速并不能从根本上消除旋转噪音。
2）风叶错位角设计。风叶增加错位角设计可以有效的避免偏心涡的扰动在同一点的叠加加强，对于不同的风道，错位角的选取也是不同的。除错位角之外，现在风叶厂家普遍在设计风叶时采用不等距分布叶片，其原理基本同错位角设计。
随机相位角
式中，：均匀分布时第i个叶片的周向布置角；：不等距叶片分布时第i个叶片的周向布置角；：相位角的最大调制量。
3）内机分流均匀。风道内气体的温度变化会引起气体状态的不稳定，进而影响气动噪音效果。因此，在噪音效果较差时，还可以考虑在内机换热器流路上面进行优化。
参考文献
[1]王嘉冰，刘飞，等.贯流风扇偏心涡非定常特性研究[J].工程热物理学报，2008（07）.
[2]孙立群，赵亮，杉山弘.空调用贯流风扇内部流场可视化及流速分布的研究[J].流体机械，2000（04）.
[3]胡俊伟，丁国良，赵力，张春路.贯流风机流场模拟与性能分析[J].机械工程学报，2004（04）.
[4]区颖达，游斌.分体空调室内体贯流风机蜗舌间隙对气动特性的影响[J].风机技术，2001（04）.
[5]刘敏，王嘉冰，吴克启.数值模拟不等距叶片对贯流风机的影响[J].工程热物理学报，2007（02）.
[6]伍先俊，李志明.贯流风机气动噪声机理及降噪机理研究[J].风机技术，2002（03）.