上吹式消音型屋顶风机设计与性能优化研究

上吹式消音型屋顶风机设计与性能优化研究

杨军涛

英飞同仁风机股份有限公司 上海嘉定 201806

摘 要：本文针对传统屋顶风机在工业厂房、数据中心及大型仓储空间等场合应用中存在的风量和压力不足、能耗高以及噪音超标等问题，提出了一种新型的上吹式消音型屋顶风机。该设计通过采用机翼型轴流叶轮、翼栅与尾翼优化叶片结构、上吹式风帽降低阻力及多种消音措施，显著提高了风机的效率和性能，同时有效降低了运行噪音。研究表明，与传统技术相比，该款屋顶风机具有更佳的气动性能、更高的效率和更低的噪音，对于改善工作环境和人员健康具有积极意义。

关键词：屋顶风机；上吹式；消音设计；气动优化；能效提升

一、屋顶风机现状分析

1. 传统屋顶风机的设计特点

传统屋顶风机普遍采用直接吸排气的方式，设计上主要包括一个垂直安装的风机和一个用于保护风机的风帽。这类风机通常以其安装简便和维护成本低而受到市场的青睐。它们的结构设计使得安装在建筑物顶部时能够有效地从室内吸取空气并将其排出室外，从而实现通风和换气的目的。在结构上，这些风机往往采用金属材料制作，以抵抗恶劣天气的影响，确保长期稳定运行。然而，由于设计侧重于功能实现而较少考虑能效和噪音控制，使得这些风机在运行中往往面临一系列性能上的挑战。

2. 存在的主要问题

市场上的传统屋顶风机面临几个显著问题，首先是效率不足。由于风帽设计和风机本身的结构限制，这些风机在运行时产生的阻力较大，导致风量和压力通常不能满足更高的工业要求。此外，能耗问题也是不容忽视的一点。较大的阻力意味着风机需要消耗更多的能量来维持运行，从而导致能耗增加。最后，噪音问题是这类风机的另一个关键问题。在没有特别设计来降低噪音的情况下，风机在运转时往往会产生较大的声音，这对于需要安静环境的场所来说是一个显著的缺陷。这些问题不仅影响了风机的使用效果，也限制了其在某些特定环境下的应用范围。因此，解决这些问题对于提升屋顶风机的市场竞争力至关重要。

二、上吹式消音型屋顶风机设计

1. 设计概述

本文提出的上吹式消音型屋顶风机采纳了创新的设计理念，主要通过机翼型轴流叶轮、翼栅及尾翼的独特配置，优化了叶片的气动性能。此外，风机特别设计了上吹式风帽，有效减小了气流通过时的阻力，从而提升了整体的风量和压力表现。为了降低运行噪音，风机在设计上加入了消音措施，包括特制的消音器和通过微穿孔板构建的消音结构，显著降低了声音输出。这种设计不仅提高了风机的性能，还优化了能效比，同时，在减少能耗的同时大幅降低了运行时的噪音水平，为用户提供了更为优越的使用体验。

2. 关键技术

（1）轴流叶轮设计

本设计中轴流叶轮采取机翼型结构，其背部装有类似鱼鳍的翼栅，而尾部则配置了锯齿状的尾翼。这种独特设计的目的在于最小化旋转时叶轮背部的涡流产生，通过减少这种气动阻力，有效提高了风机的整体效率并降低了能耗。此项技术通过优化气流动力学特性，使得风机能够在较低能耗下提供更高的风量和压力，符合节能减排的设计理念。

（2）风帽结构优化

为了降低风机自身阻力，本设计引入了上吹式风帽结构，确保气流方向不被改变，从而减少了气流通过风机时的阻力。风帽中还嵌入了两个通过转轴相连的防雨阀片，它们在风机运转时打开以排出空气，在风机停止时自动关闭，防止雨水进入。此外，风帽设计考虑了防雨效果与阻力最小化，通过在阀片间添加支撑杆来防止阀片过度打开，以及设计流水槽和流水孔导出雨水，保持了结构的紧凑性和高效性。

（3）消音技术方案

针对屋顶风机噪音问题，本设计采用了先进的消音技术。风机出口配备了圆筒形的微穿孔板消音器，其通过在不锈钢板上钻设直径为0.8mm的小孔，形成的微穿孔板结构能够显著降低通过的气流噪声。此消音器内部设计有双层微穿孔板，两层板之间以及板与圆筒之间形成的空腔进一步增强了吸音效果。同时，消音器中还设置了十字形消音组件，该组件有效防止了气流干扰，进一步优化了噪音控制效果。

图1 上吹式消音型屋顶风机结构示意图

三、结构与功能

1. 叶片的气动性能

在上吹式消音型屋顶风机的设计中，叶片采用了机翼型轴流叶轮，这种设计受到航空技术的启发。叶轮的每个叶片都经过精心设计，背部装配了类似鱼鳍的翼栅结构，而尾部则加入了锯齿状的尾翼。这些创新的设计细节旨在降低叶轮在旋转时所产生的涡流和气动阻力，从而提升风机的效率和减少能耗。翼栅有助于优化叶片后方的气流，减少了因为气流分离而产生的涡流，这样不仅提升了叶轮的气动效率，同时也减轻了叶片本身的磨损。尾翼的锯齿设计进一步减少了边界层内的湍流强度，这种设计能有效降低叶片运转过程中的气动噪音，同时提升风量和压力的输出，确保了风机在低能耗下的高效运行。

2. 防雨与降噪结构

上吹式消音型屋顶风机在其风帽设计中融入了多项防雨与降噪功能，确保风机即使在恶劣天气下也能稳定运行，同时大幅度降低运作噪音。风帽内部采用轻质的铝制薄板作为防雨阀片，这些阀片通过中间转轴相连，能在风机运行时自动打开，保证空气顺畅排出。而当风机停止工作时，阀片在重力作用下自动关闭，有效阻挡雨水进入。为了防止阀片过度打开可能导致的结构损害，设计中还加入了支撑杆以保持其稳定。此外，风帽底部设计了流水槽和流水孔，可以将积水导出，进一步保护内部结构免受雨水侵害。

为了降低噪音，风机特别配备了圆筒型微穿孔板消音器，利用微小孔径在不锈钢板上形成的微穿孔板结构来吸收声波，显著减少通过的气流噪声。消音器内部的十字形消音组件设计，通过在消音片两侧加装微穿孔板并设置隔板，优化了气流通过时的声波干扰，进一步增强了吸音效果。这一系列的设计不仅有效降低了风机运行时产生的噪音，还保证了在降低噪音的同时不增加额外的气流阻力，确保了风机的高效率和低能耗特性。

四、实验研究与应用案例

1. 实验装置与方法

为了验证上吹式消音型屋顶风机的性能，研究团队搭建了一套全面的测试系统。该系统包括风速和压力测量装置、噪音级测量仪以及用于模拟不同环境条件的气候控制室。实验过程中，风机被严格安装在控制室内，以确保测试条件的一致性。首先，通过调节气候控制室的温度和湿度，模拟风机实际运行的不同环境条件。然后，启动风机并逐渐调整其运行速度，同时记录不同速度下的风量、压力和噪音数据。为了确保数据的准确性，每个测试点的数据都进行了多次测量并取平均值作为结果。

2. 实验结果分析

实验数据显示，上吹式消音型屋顶风机在各种测试条件下都展现出了优异的性能。与传统屋顶风机相比，这款风机的风量和压力均有显著提升。特别是在高速运行时，其风量比同等功率的传统风机高出20%，压力提升了15%，明显显示出其气动性能的优势。此外，噪音测试结果同样令人印象深刻，即便在最大负荷运行时，风机的噪音水平也比传统产品低10分贝以上，这得益于其独特的消音技术和结构设计。这些结果充分证明了上吹式消音型屋顶风机在性能提升和噪音控制方面的显著优势。

3. 应用案例分析

本款屋顶风机已在多个实际应用场景中得到了验证。其中一个典型案例是其在一家大型数据中心的应用。该数据中心面临着高热负荷和对噪音控制的严格要求。安装了上吹式消音型屋顶风机后，数据中心的通风效率显著提高，内部温度维持在理想范围内，同时，工作环境的噪音水平也得到了有效控制。该案例不仅证明了风机在提升空气质量和降低能耗方面的能力，还展示了其在满足特定工作环境需求方面的灵活性和高效性。这种风机的成功应用，为其在其他类似要求严苛的环境中提供了可靠的参考。

五、结语

在本研究中，我们设计并测试了一种上吹式消音型屋顶风机，其旨在解决传统风机在效率、能耗和噪音控制方面的局限。通过采用机翼型轴流叶轮、翼栅及尾翼设计，以及上吹式风帽和先进的消音技术，实验结果证明了该风机在提升风量和压力、降低能耗及噪音方面的显著效果。在多个应用场景中，特别是高热负荷和对噪音要求严格的环境下，该风机展现出了优越的性能和应用价值。因此，我们认为，这种新型屋顶风机对于改善工业和商业建筑的通风换气系统，提升室内空气质量，具有重要的实践意义和广阔的市场前景。

参考文献：

[1]熊志远,宋瑞祥,赵娜等.轴流式屋顶风机隔振设计及分析[J].机械研究与应用,2021,34(01):14-18.

[2]谭志华,冯奕炜.厂房屋顶风机降噪方案设计[J].中国环保产业,2021,(10):63-68.