CN106402025A - 一种轴流风扇降噪结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴流风扇降噪结构，属于流体机械类降噪领域。轴流风扇降噪结构，包括轮缘、风扇叶片、轮毂及楔形结构，轮缘、风扇叶片、轮毂及楔形结构通过注塑一体成型；风扇叶片开始于轮毂外缘，并沿径向前掠延伸至轮缘内侧面；风扇叶片以风扇旋转中心轴线为中心，在周向上呈等间距分布；风扇叶片的一个侧面上沿径向布置楔形结构；楔形结构的形状包括折线型和曲线型两种。本发明通过楔形结构对周围空气的不规则扰动降低轴流风扇气动噪声，通过楔形结构对空气的导向作用增加轴流风扇的流量；另外本发明可以满足轴流风扇在工作过程中的结构强度及疲劳寿命要求，使得轴流风扇总体性能提升。

Description

一种轴流风扇降噪结构

技术领域

本发明属于流体机械类降噪领域，尤其涉及一种轴流风扇降噪结构。

背景技术

近年来，随着发动机的高功率化、前舱零部件布置的复杂化与紧凑化，对发动机前舱的散热性能提出了更高的要求。因此，发动机冷却风扇负荷增大，转速增加。而随着冷却风扇转速的增加，其噪声也会明显增大，是整车噪声的主要来源之一，乘员的乘车舒适性大大降低。因此，冷却风扇气动性能与噪声性能的协同提升已经成为众多公司与学者的研究对象。

由于轴流风扇具有风量大、体积小、效率高等特点，因此多用于汽车发动机的强制冷却。轴流风扇的噪声来源主要有振动噪声以及气动噪声两部分，经过大量试验与仿真的验证得知其振动噪声在总噪声中占比重不大，可以忽略。而轴流风扇的气动噪声又可以分为两部分：离散噪声和宽频噪声。其中，离散噪声主要是由于风扇叶片周期性的扰动周围空气进而引起压力脉动而产生的，也称为旋转噪声；宽频噪声主要是指叶片与周围空气互相作用产生的复杂的无特定规律可循的湍流噪声。

针对轴流风扇噪声产生的机理及特点，学者们提出了大量的针对噪声源进行降噪的方法，主要可以分为两大类：一方面对风扇叶片的结构参数进行优化，在保证风扇气动性能的同时降低其气动噪声；另一方面，通过对仿生学的研究，基于典型动物飞行无声理论，借鉴猫头鹰等动物的羽毛形态特征重构轴流风扇叶片进行消音处理。

中国专利(CN102086887A)公开了一种轴流风扇，通过在扇叶外端端面上朝向轴流风扇旋转方向前一扇叶凸设一凸台降低风扇噪声，但也在一定程度上降低了风扇的气动性能；中国专利(CN102022381A)公开了一种轴流仿生叶片，通过在叶片尾部开不同大小、不等间距的锯齿槽降低噪声，但在锯齿槽底部会产生应力集中，降低了风扇叶片的结构强度，缩短了风扇的使用寿命。

总体而言，现有技术存在以下不足：(1)难以实现轴流风扇气动性能与噪声性能的协同提升；(2)锯齿形轴流风扇叶片边缘，在锯齿尖端容易产生应力集中，叶片结构强度下降，疲劳寿命也会缩短。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种轴流风扇降噪结构，能够实现气动性能与噪声性能协同提升，结构简单、制造工艺简便，同时能够满足叶片的结构强度与疲劳寿命要求。

本发明为达到上述目的而采用的技术方案为：

一种轴流风扇降噪结构，其特征在于，包括轮缘、风扇叶片、轮毂及若干楔形结构，所述轮缘、风扇叶片、轮毂及若干楔形结构通过注塑一体成型；所述风扇叶片开始于轮毂外缘，并沿径向前掠延伸至轮缘内侧面；所述风扇叶片以风扇旋转中心轴线为中心，在周向上呈等间距分布；所述风扇叶片的一个侧面上沿径向布置多个楔形结构。

上述方案中，所述楔形结构沿其所在风扇叶片径向分布的规律参数包括：第i个楔形结构中心处的半径为r_i，其中，r_n+1为风扇叶片尖部半径，r₀为轮毂半径；第j+1个楔形结构与第j个楔形结构之间的间距为Δt_j＝r_j+1-r_j，且满足∑Δt_j＝r_n+1-r₀；第i个楔形结构的宽度为t_i、高度为h_i；其中，i＝1，2，3…n；j＝0，1，2…n。

上述方案中，所述楔形结构为折线型楔形结构ABC，A点为平面叶型中前缘曲线与叶背曲线的切点，B点为折线型楔形结构上与风扇叶片内弦长B₀垂直距离最远处，C点为折线型楔形结构终点。

上述方案中，所述折线型楔形结构ABC的结构参数包括：直线AB在内弦长B₀上的投影距离B₁、点B到内弦长B₀的垂直距离H₁及直线BC与内弦长B₀的夹角β，且结构参数满足的关系式为：B₁+H₁cot(β)≤B₀。

上述方案中，所述楔形结构为曲线型楔形结构A′B′C′，曲线A′B′与曲线B′C′在点B′处的切线都与内弦长B₀平行；曲线型楔形结构的曲线形式可以根据实际情况及加工工艺进行选取，如抛物线、圆弧、三次曲线或其中两种曲线的组合。

上述方案中，所述曲线型楔形结构A′B′C′的结构参数包括：曲线A′B′在内弦长B₀上的投影距离B₂、点B′到内弦长B₀的垂直距离H₂、曲线B′C′在点C′处的切线与内弦长B₀的夹角β′、曲线B′C′在内弦长B₀上的投影距离B₃和曲线A′B′在点A′处的切线与风扇叶片平面叶型前缘曲线在点A′的切线的夹角α′；且结构参数满足的关系式为：B₂+B₃≤B₀。

本发明的有益效果：本发明在原轴流风扇叶片一侧表面(正面或背面)沿径向间隔布置若干楔形结构，通过楔形结构对周围空气的不规则扰动降低轴流风扇气动噪声，通过楔形结构对空气的导向作用增加轴流风扇的流量；同时，风扇叶片表面的楔形结构因其有类似于“肋片”的作用效果，可以满足轴流风扇在工作过程中的结构强度及疲劳寿命要求，使得轴流风扇总体性能提升。

附图说明

图1为轴流风扇降噪结构的示意图；

图2为折线型楔形结构的示意图；

图3为曲线型楔形结构的示意图；

图4为楔形降噪结构在叶片表面径向布置示意图；

图5为折线型、抛物线-圆弧组合曲线型轴流风扇降噪结构的示意图，图5(a)为折线型轴流风扇降噪结构的示意图，图5(b)为抛物线-圆弧组合曲线型轴流风扇降噪结构的示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，一种轴流风扇降噪结构，包括轮缘1、风扇叶片2、轮毂3及若干楔形结构4(楔形结构4的数量、大小及分布规律根据实际的冷却风扇风量和降噪需要确定)，轮缘1、风扇叶片2、轮毂3及若干楔形结构4通过注塑一体成型；风扇叶片2开始于轮毂3外缘，并沿径向前掠延伸至轮缘1内侧面；风扇叶片2以风扇旋转中心轴线为中心，在周向上呈等间距分布；风扇叶片2的一个侧面上沿径向布置楔形结构4。

一种轴流风扇降噪结构的工作过程：

轴流风扇在电机驱动作用下旋转，风扇叶片2平面叶型的前缘和后缘依次对空气做功：空气在前缘处分为两股气流，一股气流沿叶片正面：“前缘-叶背-后缘”的轨迹a流过，另一股气流沿沿叶片背面：“前缘-叶盆-后缘”的轨迹b流过，最终两部分空气在尾缘处汇合；由于两条轨迹路径长度不同，且轨迹b长度大于轨迹a长度，因此根据连续性原理及伯努利原理，气流在风扇叶片2正面与背面产生压力差。空气在这个压力差的作用下沿轴流风扇轴向方向从上流流向下流；风扇叶片2近壁面处的空气流体在粘性力作用下，与叶片表面保持相同方向旋转，因而同时受到一个径向的、背离轴线方向的离心力作用，并有向此方向的运动速度或运动趋势；在本发明中的在风扇正面或背面一侧表面上布置的楔形结构4，可以减少沿径向方向背离轴线运动的空气量，引导空气沿轴向运动，进而增加风扇风量，提高其气动性能；两股气流在后缘处汇合并最终脱离叶片，形成涡流；由于风扇叶片2表面流体运动的复杂性，在叶片表面也会形成大的涡流；在本发明中的在风扇正面或背面一侧表面上布置的楔形结构，能够将叶片表面这些大的涡流进行切割，分离细化成多个小涡流，减小涡流强度，并对后缘处形成的脱落涡进行有效的分离和导向，从而减弱叶片表面的压力脉动，降低轴流风扇的气动噪声。

轴流风扇以轴线为中心、半径为r_i(i＝1，2…n，n为单个风扇叶片2上楔形结构4的个数)的某圆柱截面展开，得到某一个叶片表面上的楔形结构的平面示意图。

如图2所示，楔形结构4为折线型，以楔形结构4位于风扇叶片正面为例，；其中，LE、TE分别为叶片平面叶型前、后缘；O₁、O₂分别为叶片平面叶型前、后缘中心；为叶片平面叶型内弦长，大小等于B₀；角度γ为叶片平面叶型前缘在前缘与叶背切点处的切线与内弦长的夹角；ABC为折线型楔形结构，其中A点为平面叶型中前缘曲线与叶背曲线的切点，B点为折线型楔形结构上与风扇叶片2内弦长B₀垂直距离最远处，C点为折线型楔形结构终点；折线型楔形结构ABC的结构参数包括：直线AB在内弦长B₀上的投影距离B₁、点B到内弦长B₀的垂直距离H₁、直线BC与内弦长B₀的夹角β。

为了保证轴流风扇叶片平面叶型后缘处的厚度，折线型楔形结构ABC的结构参数应满足以下条件：

B₁-H₁cot(β)≤B₀ (1)

如图3所示，楔形结构4为曲线型，其中，楔形结构A′B′C′，曲线A′B′与曲线B′C′在点B′处的切线都与内弦长B₀平行；曲线型楔形结构的曲线形式可以根据实际情况及加工工艺进行选取，如抛物线、圆弧、三次曲线或其中两种曲线的组合；楔形结构A′B′C′的结构参数包括：曲线A′B′在内弦长B₀上的投影距离B₂、点B′到内弦长B₀的垂直距离H₂、曲线B′C′在C′点处的切线与内弦长B₀的夹角β′、曲线B′C′在内弦长B₀上的投影距离B₃和曲线A′B′在点A′处的切线与风扇叶片2平面叶型前缘曲线在点A′的切线的夹角α′。以点B′在内弦长B₀上的投影点为原点，以内弦长B₀为X轴(方向以指向后缘为正)，以内弦长B₀垂直方向为Y轴(方向以指向风扇正面为正)，建立局部坐标系XOY；假设曲线型楔形结构A′B′C′由两段曲线y＝f₁(x)(x∈(-B₂,0))和y＝f₂(x)(x∈(0,B₃))组成，两段曲线应满足以下方程：

f₁(x＝-B₂)＝0 (2)

f₁'(x＝-B₂)＝tan(α'+γ) (3)

f₁(x＝0)＝H₂ (4)

f₁'(x＝0)＝0 (5)

f₂(x＝0)＝H₂ (6)

f₂'(x＝0)＝0 (7)

f₂(x＝B₃)＝0 (8)

f₂'(x＝B₃)＝-tanβ' (9)

B₂+B₃≤B₀ (10)

以轴流风扇旋转轴线为纵轴，半径为横轴，作图得到楔形结构在径向上的排布规律，如图4所示。图4中，r₀为轮毂3半径(即风扇叶片2根部半径)，r_n+1为风扇叶片2尖部半径，r_i为第i个楔形结构4中心处的半径，i＝1，2，3…n，n为单个风扇叶片2上楔形结构4的个数；第j+1个楔形结构4与第j个楔形结构4之间的间距Δt_j＝r_j+1-r_j；且满足∑Δt_j＝r_n+1-r₀；h_i和t_i分别为第i个楔形结构的高度和宽度(i＝1，2，3…n，j＝0，1，2…n)。

如图5所示，以叶片平面叶型根部和尖部安装角分别为15°和5°、风扇叶片2的个数为6、前掠角为10°的轴流风扇为例，在轴流风扇正面注塑折线型(图5(a))和抛物线-圆弧组合曲线型(图5(b))的楔形降噪结构，分别如图(a)和图(b)所示。其中，楔形降噪结构在径向上的分布规律满足：n＝2，t_i＝6mm，即两排完全相同的楔形结构均匀分布在轴流风扇的每个叶片正面。以轴流风扇轴线为中心、半径为的圆柱截面展开，得到此处风扇叶片的叶片平面叶型和楔形结构截面结构。其中，折线型和抛物线-圆弧组合曲线型的楔形结构的结构参数为：B₁＝B₂＝0.75B₀，H₁＝H₂＝0.5B₀，β＝β′＝90°，B₃＝H₂＝0.5B₀。通过CFD/CAA耦合方法计算得到轴流风扇的气动性能和气动噪声，相对于原轴流风扇，带折线型楔形结构的轴流风扇风量增加了2％，气动噪声降低了1dB；带抛物线-圆弧组合曲线型楔形结构的轴流风扇风量增加了4％，气动噪声降低了1.5dB。

以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明保护。

Claims (6)

1.一种轴流风扇降噪结构，其特征在于，包括轮缘(1)、风扇叶片(2)、轮毂(3)及若干楔形结构(4)，所述轮缘(1)、风扇叶片(2)、轮毂(3)及若干楔形结构(4)通过注塑一体成型；所述风扇叶片(2)开始于轮毂(3)外缘，并沿径向前掠延伸至轮缘(1)内侧面；所述风扇叶片(2)以风扇旋转中心轴线为中心，在周向上呈等间距分布；所述风扇叶片(2)的一个侧面上沿径向布置多个楔形结构(4)。

2.根据权利要求1所述的一种轴流风扇降噪结构，其特征在于，所述楔形结构(4)沿其所在风扇叶片(2)径向分布的规律参数包括：第i个楔形结构(4)中心处的半径为r_i，其中，r_n+1为风扇叶片(2)尖部半径，r₀为轮毂(3)半径；第j+1个楔形结构(4)与第j个楔形结构(4)之间的间距为Δt_j＝r_j+1-r_j，且满足∑Δt_j＝r_n+1-r₀；第i个楔形结构(4)的宽度为t_i、高度为h_i；其中，i＝1，2，3…n；j＝0，1，2…n。

3.根据权利要求1所述的一种轴流风扇降噪结构，其特征在于，所述楔形结构(4)为折线型楔形结构ABC，A点为平面叶型中前缘曲线与叶背曲线的切点，B点为折线型楔形结构上与风扇叶片(2)内弦长B₀垂直距离最远处，C点为折线型楔形结构终点。

4.根据权利要求3所述的一种轴流风扇降噪结构，其特征在于，所述折线型楔形结构ABC的结构参数包括：直线AB在内弦长B₀上的投影距离B₁、点B到内弦长B₀的垂直距离H₁及直线BC与内弦长B₀的夹角β，且结构参数满足的关系式为：B₁+H₁cot(β)≤B₀。

5.根据权利要求1所述的一种轴流风扇降噪结构，其特征在于，所述楔形结构(4)为曲线型楔形结构A′B′C′，曲线A′B′与曲线B′C′在点B′处的切线都与内弦长B₀平行；曲线型楔形结构的曲线形式可以根据实际情况及加工工艺进行选取，如抛物线、圆弧、三次曲线或其中两种曲线的组合。

6.根据权利要求5所述的一种轴流风扇降噪结构，其特征在于，所述曲线型楔形结构A′B′C′的结构参数包括：曲线A′B′在内弦长B₀上的投影距离B₂、点B′到内弦长B₀的垂直距离H₂、曲线B′C′在点C′处的切线与内弦长B₀的夹角β′、曲线B′C′在内弦长B₀上的投影距离B₃和曲线A′B′在点A′处的切线与风扇叶片(2)平面叶型前缘曲线在点A′的切线的夹角α′；且结构参数满足的关系式为：B₂+B₃≤B₀。