BR112019022703B1

BR112019022703B1 - AXIAL FAN WITH UNBALANCED BLADE SPACING

Info

Publication number: BR112019022703B1
Application number: BR112019022703-2A
Authority: BR
Inventors: Yoon Shik Shin; Robert Van Houten
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2017-05-05
Filing date: 2018-04-25
Publication date: 2023-07-25

Abstract

A presente invenção refere-se a um ventilador axial compreendendo um cubo e uma pluralidade de pás se estendendo de uma periferia do cubo. Cada uma das pás tem uma espessura que varia de uma borda dianteira para uma borda traseira e de uma base para uma ponta. As pás são espaçadas não uniformemente em volta da periferia do cubo em um padrão que não é equilibrado. O ventilador é equilibrado por meio de variância em espessura de pá dentre a pluralidade de pás.The present invention relates to an axial fan comprising a hub and a plurality of blades extending from a periphery of the hub. Each of the blades has a thickness that varies from a leading edge to a trailing edge and from a base to a tip. The blades are spaced non-uniformly around the periphery of the cube in a pattern that is not balanced. The fan is balanced by variance in blade thickness among the plurality of blades.

Description

Background

[001] A presente invenção refere-se de uma maneira geral a ventiladores de fluxo axial, os quais podem ser usados como ventiladores de resfriamento de motores automotivos, dentre outros usos.[001] The present invention generally refers to axial flow fans, which can be used as automotive engine cooling fans, among other uses.

[002] Ventiladores de resfriamento de motores são usados em veículos automotivos para deslocar ar através de um conjunto de trocadores de calor que tipicamente inclui um radiador para resfriar um motor de combustão interna, um condensador de condicionador de ar e possivelmente trocadores de calor adicionais. Estes ventiladores de uma maneira geral são posicionados em um envoltório que direciona ar entre os trocadores de calor e o ventilador e controla recirculação. Tipicamente, estes ventiladores são acionados por um motor elétrico que é suportado por uma pluralidade de braços que se estendem de um suporte de motor para o envoltório.[002] Engine cooling fans are used in automotive vehicles to move air through a set of heat exchangers that typically includes a radiator to cool an internal combustion engine, an air conditioner condenser and possibly additional heat exchangers. These fans are generally positioned in a casing that directs air between the heat exchangers and the fan and controls recirculation. Typically, these fans are driven by an electric motor that is supported by a plurality of arms extending from a motor support to the shroud.

[003] O ruído aerodinâmico gerado por estes ventiladores inclui tanto ruído de banda larga quanto tons acústicos. Estes tons são causados por forças que variam com o tempo nas pás, os quais são a resposta das pás às perturbações de fluxo a montante e a jusante. As perturbações a montante tipicamente são por causa da natureza não axissimétrica do envoltório e trocadores de calor, e as perturbações a jusante são por causa dos braços de suporte de motor e qualquer outro objeto que esteja próximo às pás de ventilador.[003] The aerodynamic noise generated by these fans includes both broadband noise and acoustic tones. These tones are caused by time-varying forces on the blades, which are the response of the blades to upstream and downstream flow disturbances. Upstream disturbances typically are because of the non-axisymmetric nature of the envelope and heat exchangers, and downstream disturbances are because of the motor support arms and any other object that is close to the fan blades.

[004] O espectro do ruído gerado por cada pá em resposta a estas perturbações de fluxo consiste de muitos harmônicos da taxa de rotação de eixo. Se as pás estiverem espaçadas uniformemente, o espectro do ruído gerado pelo ventilador total consiste somente de harmônicos da taxa de pás - o produto do número de pás pela taxa de eixo. Interferência destrutiva cancela os harmônicos entre os harmônicos de taxa de pás, e interferência construtiva aprimora os tons nos harmônicos de taxa de pás. Estes tons podem ser muito irritantes de forma subjetiva, e o projetista frequentemente modifica a geometria de ventilador para minimizar este aborrecimento.[004] The noise spectrum generated by each blade in response to these flow disturbances consists of many harmonics of the shaft rotation rate. If the blades are evenly spaced, the total fan-generated noise spectrum consists only of blade-rate harmonics—the product of the number of blades and the shaft ratio. Destructive interference cancels the harmonics between the blade rate harmonics, and constructive interference enhances the tones in the blade rate harmonics. These tones can be very subjectively irritating, and the designer often modifies the fan geometry to minimize this annoyance.

[005] Um modo em que o projetista pode melhorar a qualidade de ruído subjetivo é espaçar as pás de ventilador não uniformemente. A fim de manter bom desempenho de ventilador, a extensão da desigualdade deve ser limitada. Entretanto, mesmo com uma quantidade modesta de desigualdade, os harmônicos de taxa de pás de ordem mais alta do espectro de ventilador podem ser reduzidos significativamente. À medida que os harmônicos de taxa de pás no espectro de ventilador são reduzidos, os outros harmônicos de eixo, os quais não existem no caso do ventilador espaçado uniformemente, são aumentados. Em outras palavras, o cancelamento de tons tanto construtivo quanto destrutivo é reduzido se as pás forem espaçadas não uniformemente. O resultado pode ser um ventilador com uma característica de ruído que é de forma subjetiva menos irritante que aquele de um ventilador espaçado uniformemente.[005] One way in which the designer can improve subjective noise quality is to space the fan blades non-uniformly. In order to maintain good fan performance, the extent of unevenness must be limited. However, even with a modest amount of unevenness, the higher order blade rate harmonics of the fan spectrum can be significantly reduced. As the blade rate harmonics in the fan spectrum are reduced, the other shaft harmonics, which do not exist in the case of the evenly spaced fan, are increased. In other words, both constructive and destructive tone cancellation is reduced if the blades are non-uniformly spaced. The result can be a fan with a noise characteristic that is subjectively less annoying than that of an evenly spaced fan.

[006] Por causa de cada pá de um ventilador espaçado não uniformemente compreender um fluxo de entrada um pouco diferente, e ser exigida para desenvolver uma quantidade um pouco diferente de elevação, o afastamento e abaulamento, e talvez até a corda, de cada pá podem ser ajustados de modo ideal de acordo com sua posição em relação às outras pás. Entretanto, para quantidades razoáveis de desigualdade, frequentemente é possível usar pás com geometrias idênticas. De fato, frequentemente é observado que um ventilador espaçado uniformemente tem o mesmo desempenho de um ventilador espaçado não uniformemente que usa a mesma geometria de pá.[006] Because each blade of a non-uniformly spaced fan comprises a somewhat different inlet flow, and is required to develop a somewhat different amount of lift, the clearance and bulging, and perhaps even chord, of each blade can be optimally adjusted according to their position in relation to the other blades. However, for reasonable amounts of inequality, it is often possible to use blades with identical geometries. In fact, it is often observed that a uniformly spaced fan performs the same as a non-uniformly spaced fan that uses the same blade geometry.

[007] Uma restrição no projeto de um ventilador com pás espaçadas não uniformemente é que o ventilador seja equilibrado. Qualquer desequilíbrio no ventilador pode causar forças instáveis na montagem de ventilador que causam significativos ruído e vibração de taxa de eixo. Embora uma quantidade pequena de desequilíbrio possa ser corrigida por meio de adição ou subtração de peso (grampos ou esferas de equilíbrio) em localizações particulares, isto não é prático ao corrigir uma quantidade grande de desequilíbrio, tal como aquele causado por espaçamento de pá inadequado. Portanto, ao calcular a posição desejada de pás de ventilador, duas dessas posições de pás de uma maneira geral devem ser determinadas pela exigência de equilíbrio - uma para equilíbrio em relação a cada um dos eixos geométricos transversais. Se as pás forem de projeto idêntico, uma estratégia como esta também garante que desequilíbrio de acoplamento não será causado pelo espaçamento de pá irregular.[007] A restriction in the design of a fan with non-uniformly spaced blades is that the fan must be balanced. Any imbalance in the fan can cause unstable forces in the fan assembly that cause significant shaft-rate noise and vibration. Although a small amount of imbalance can be corrected by adding or subtracting weight (clamps or balancing balls) at particular locations, this is not practical when correcting a large amount of imbalance, such as that caused by improper blade spacing. Therefore, when calculating the desired position of fan blades, two such blade positions should generally be determined by the balance requirement - one for balance with respect to each of the transverse geometric axes. If the blades are of identical design, a strategy like this also ensures that coupling imbalance will not be caused by uneven blade spacing.

[008] Embora uma grande variedade de arranjos de espaçamentos de pás que garantem equilíbrio esteja disponível para o projetista de um ventilador com muitas pás, o projetista de um ventilador com poucas pás tem menos escolha. Em particular, o espaçamento das pás de um ventilador de 4 pás tem somente um espaçamento entre pás que pode ser selecionado arbitrariamente. Uma vez que esse espaçamento seja selecionado, todos os outros espaçamentos entre pás são determinados pela exigência de equilíbrio. Um ventilador de 3 pás é ainda mais problemático, em que nenhum arranjo de pás espaçadas não uniformemente não está disponível que garante equilíbrio.[008] Although a wide variety of blade spacing arrangements that ensure balance are available to the designer of a fan with many blades, the designer of a fan with few blades has less choice. In particular, the blade spacing of a 4-blade fan has only one blade spacing that can be selected arbitrarily. Once this spacing is selected, all other blade spacings are determined by the balance requirement. A 3-blade fan is even more problematic, in that no non-uniformly spaced blade arrangement is available that ensures balance.

[009] Uma solução para este problema é usar sempre pelo menos 5 pás em um ventilador onde alguma flexibilidade em espaçamento de pá é desejada. Entretanto, frequentemente existem vantagens aerodinâmicas para o uso de poucas pás. Em particular, um ventilador carregado levemente exige menos solidez de pá, e frequentemente se beneficia de usar poucas pás em vez de mais pás com área de pá reduzida. Um ventilador de pontas livres, em particular, se beneficia do uso de um número pequeno de pás, uma vez que ruído de interação de vórtice é minimizado ao maximizar a distância entre as pás de ventilador.[009] One solution to this problem is to always use at least 5 blades in a fan where some flexibility in blade spacing is desired. However, there are often aerodynamic advantages to using fewer blades. In particular, a lightly loaded fan requires less blade solidity, and often benefits from using fewer blades rather than more blades with reduced blade area. A free-tip fan, in particular, benefits from using a small number of blades, since vortex interaction noise is minimized by maximizing the distance between the fan blades.

[010] Portanto, existe uma necessidade com relação a ventiladores que tenham as vantagens aerodinâmicas e de ruído de número de pás pequeno, mas a vantagem de ruído subjetivo de espaçamento de pá irregular.[010] Therefore, there is a need for fans that have the aerodynamic and noise advantages of small blade numbers, but the subjective noise advantage of irregular blade spacing.

summary

[011] Em um aspecto, a presente invenção fornece um ventilador axial compreendendo um cubo e uma pluralidade de pás se estendendo de uma periferia do cubo. Cada uma das pás tem uma espessura que varia de uma borda dianteira para uma borda traseira e de uma base para uma ponta. As pás são espaçadas não uniformemente em volta da periferia do cubo em um padrão que não é equilibrado. O ventilador é equilibrado por meio de variância em espessura de pá dentre a pluralidade de pás.[011] In one aspect, the present invention provides an axial fan comprising a hub and a plurality of blades extending from a periphery of the hub. Each of the blades has a thickness that varies from a leading edge to a trailing edge and from a base to a tip. The blades are spaced non-uniformly around the periphery of the cube in a pattern that is not balanced. The fan is balanced by variance in blade thickness among the plurality of blades.

[012] Em um outro aspecto da invenção, a espessura de pá de uma primeira pá é escalada por meio de fatores de espessuras de pás individuais para definir a espessura de cada uma das outras pás, os ditos fatores de espessuras de pás variando dentre a pluralidade de pás de uma tal maneira que o ventilador é equilibrado.[012] In another aspect of the invention, the blade thickness of a first blade is scaled by means of individual blade thickness factors to define the thickness of each of the other blades, said blade thickness factors varying from plurality of blades in such a way that the fan is balanced.

[013] Em um outro aspecto da invenção, uma razão definida como o fator de espessura de uma pá mais espessa da pluralidade de pás dividido pelo fator de espessura de uma pá mais fina da pluralidade de pás é pelo menos 1,05.[013] In another aspect of the invention, a ratio defined as the thickness factor of a thicker blade of the plurality of blades divided by the thickness factor of a thinner blade of the plurality of blades is at least 1.05.

[014] Em um outro aspecto da invenção, uma razão definida como o fator de espessura de uma pá mais espessa da pluralidade de pás dividido pelo fator de espessura de uma pá mais fina da pluralidade de pás é pelo menos 1,10.[014] In another aspect of the invention, a ratio defined as the thickness factor of a thicker blade of the plurality of blades divided by the thickness factor of a thinner blade of the plurality of blades is at least 1.10.

[015] Em um outro aspecto da invenção, os fatores de espessuras de pás de todas da pluralidade de pás são exclusivos.[015] In another aspect of the invention, the blade thickness factors of all of the plurality of blades are exclusive.

[016] Em um outro aspecto da invenção, os fatores de espessuras de pás de todas exceto duas da pluralidade de pás são exclusivos.[016] In another aspect of the invention, the blade thickness factors of all but two of the plurality of blades are exclusive.

[017] Em um outro aspecto da invenção, a pluralidade de pás consiste exatamente de três pás.[017] In another aspect of the invention, the plurality of blades consists of exactly three blades.

[018] Em um outro aspecto da invenção, a pluralidade de pás consiste exatamente de quatro pás.[018] In another aspect of the invention, the plurality of blades consists of exactly four blades.

[019] Em um outro aspecto da invenção, uma superfície média definida por cada uma da pluralidade de pás é idêntica.[019] In another aspect of the invention, a middle surface defined by each of the plurality of blades is identical.

[020] Em um outro aspecto da invenção, o ventilador axial é um ventilador axial de pontas livres.[020] In another aspect of the invention, the axial fan is a free-tip axial fan.

[021] Em um outro aspecto da invenção, o ventilador axial é um ventilador de resfriamento de motor automotivo.[021] In another aspect of the invention, the axial fan is an automotive engine cooling fan.

[022] Em um outro aspecto da invenção, o espaçamento da pluralidade de pás é simétrico em relação a uma linha de simetria.[022] In another aspect of the invention, the spacing of the plurality of blades is symmetrical with respect to a line of symmetry.

[023] Em um outro aspecto da invenção, o espaçamento da pluralidade de pás é simétrico em relação a uma linha de simetria e duas da pluralidade de pás cujas posições são simétricas em relação à linha de simetria têm espessura igual.[023] In another aspect of the invention, the spacing of the plurality of blades is symmetrical with respect to a line of symmetry and two of the plurality of blades whose positions are symmetrical with respect to the line of symmetry have equal thickness.

[024] Em um outro aspecto da invenção, uma razão definida como um maior ângulo de espaçamento entre pás adjacentes da pluralidade de pás dividido por um menor ângulo de espaçamento entre pás adjacentes da pluralidade de pás é pelo menos 1,15.[024] In another aspect of the invention, a ratio defined as a largest spacing angle between adjacent blades of the plurality of blades divided by a smallest spacing angle between adjacent blades of the plurality of blades is at least 1.15.

[025] Em um outro aspecto da invenção, a razão definida como o maior ângulo de espaçamento entre pás adjacentes da pluralidade de pás dividido pelo menor ângulo de espaçamento entre pás adjacentes da pluralidade de pás é pelo menos 1,20.[025] In another aspect of the invention, the ratio defined as the largest spacing angle between adjacent blades of the plurality of blades divided by the smallest spacing angle between adjacent blades of the plurality of blades is at least 1.20.

[026] Em um outro aspecto da invenção, a razão definida como o maior ângulo de espaçamento entre pás adjacentes da pluralidade de pás dividido pelo menor ângulo de espaçamento entre pás adjacentes da pluralidade de pás é igual ou menor que 1,80.[026] In another aspect of the invention, the ratio defined as the largest spacing angle between adjacent blades of the plurality of blades divided by the smallest spacing angle between adjacent blades of the plurality of blades is equal to or less than 1.80.

[027] Em um outro aspecto da invenção, a razão definida como o maior ângulo de espaçamento entre pás adjacentes da pluralidade de pás dividido pelo menor ângulo de espaçamento entre pás adjacentes da pluralidade de pás é igual ou menor que 1,60.[027] In another aspect of the invention, the ratio defined as the largest spacing angle between adjacent blades of the plurality of blades divided by the smallest spacing angle between adjacent blades of the plurality of blades is equal to or less than 1.60.

Brief Description of the Drawings

[028] A figura 1a é uma vista esquemática de um ventilador, com algumas definições de termos.[028] Figure 1a is a schematic view of a fan, with some definitions of terms.

[029] A figura 1b é uma seção cilíndrica representativa através do ventilador da figura 1a, com definições de algumas propriedades seccionais.[029] Figure 1b is a representative cylindrical section through the fan of figure 1a, with definitions of some sectional properties.

[030] A figura 2a é uma vista esquemática de um ventilador de 5 pás espaçadas uniformemente de técnica anterior.[030] Figure 2a is a schematic view of a prior art fan with 5 uniformly spaced blades.

[031] A figura 2b é um esquema do espectro de tons do ventilador da figura 2a.[031] Figure 2b is a schematic of the fan tone spectrum of figure 2a.

[032] A figura 2c é um esquema do espectro de tons assumido de uma única pá que resulta no espectro de tons de ventilador da figura 2b.[032] Figure 2c is a schematic of the assumed tone spectrum of a single blade that results in the fan tone spectrum of Figure 2b.

[033] A figura 3a é uma vista esquemática de um ventilador de 5 pás espaçadas não uniformemente de técnica anterior.[033] Figure 3a is a schematic view of a prior art fan with 5 non-uniformly spaced blades.

[034] A figura 3b é um esquema do espectro de tons do ventilador da figura 3a.[034] Figure 3b is a schematic of the fan tone spectrum of figure 3a.

[035] A figura 4a é uma vista esquemática de um ventilador de 4 pás espaçadas uniformemente de técnica anterior.[035] Figure 4a is a schematic view of a prior art fan with 4 uniformly spaced blades.

[036] A figura 4b é um esquema do espectro de tons do ventilador da figura 4a.[036] Figure 4b is a schematic of the fan tone spectrum of figure 4a.

[037] A figura 4c é um esquema do espectro de tons assumido de uma única pá que resulta no espectro de tons de ventilador da figura 4b.[037] Figure 4c is a schematic of the assumed tone spectrum of a single blade that results in the fan tone spectrum of Figure 4b.

[038] A figura 5a é uma vista esquemática de um ventilador de 4 pás espaçadas não uniformemente de técnica anterior.[038] Figure 5a is a schematic view of a prior art fan with 4 non-uniformly spaced blades.

[039] A figura 5b é um esquema do espectro de tons do ventilador da figura 5a.[039] Figure 5b is a schematic of the fan tone spectrum of figure 5a.

[040] A figura 6a é uma vista esquemática de um ventilador de 4 pás espaçadas não uniformemente de acordo com a presente invenção.[040] Figure 6a is a schematic view of a fan with 4 non-uniformly spaced blades according to the present invention.

[041] A figura 6b é um esquema do espectro de tons do ventilador da figura 6a.[041] Figure 6b is a schematic of the fan tone spectrum of figure 6a.

[042] A figura 6c é um gráfico mostrando como a razão de fator de espessura de pá máximo para fator de espessura de pá mínimo varia com o fator de espessura escolhido para a pá de número 2 do ventilador da figura 6a.[042] Figure 6c is a graph showing how the ratio of maximum blade thickness factor to minimum blade thickness factor varies with the thickness factor chosen for fan blade number 2 of figure 6a.

[043] A figura 6d mostra seções cilíndricas representativas através das pás do ventilador da figura 6a, mostrando um conjunto de espessuras relativas que garante equilíbrio.[043] Figure 6d shows representative cylindrical sections through the fan blades of figure 6a, showing a set of relative thicknesses that ensures balance.

[044] A figura 7a é uma vista esquemática de um ventilador de 4 pás espaçadas não uniformemente de acordo com a presente invenção, onde o espaçamento de pá é simétrico em relação a um eixo geométrico.[044] Figure 7a is a schematic view of a fan with 4 non-uniformly spaced blades according to the present invention, where the blade spacing is symmetrical about a geometric axis.

[045] A figura 7b é um esquema do espectro de tons do ventilador da figura 7a.[045] Figure 7b is a schematic of the fan tone spectrum of figure 7a.

[046] A figura 7c mostra seções cilíndricas representativas através das pás do ventilador da figura 7a, mostrando as espessuras relativas que garantem equilíbrio usando somente dois fatores de espessuras.[046] Figure 7c shows representative cylindrical sections through the fan blades of figure 7a, showing the relative thicknesses that ensure balance using only two thickness factors.

[047] A figura 8a é uma vista esquemática de um ventilador de 3 pás espaçadas uniformemente de técnica anterior.[047] Figure 8a is a schematic view of a prior art fan with 3 uniformly spaced blades.

[048] A figura 8b é um esquema do espectro de tons do ventilador da figura 8a.[048] Figure 8b is a schematic of the fan tone spectrum of figure 8a.

[049] A figura 8c é um esquema do espectro de tons assumido de uma única pá que resulta no espectro de tons de ventilador da figura 8b.[049] Figure 8c is a schematic of the assumed tone spectrum of a single blade that results in the fan tone spectrum of Figure 8b.

[050] A figura 9a é uma vista esquemática de um ventilador de 3 pás espaçadas não uniformemente de acordo com a presente invenção.[050] Figure 9a is a schematic view of a fan with 3 non-uniformly spaced blades according to the present invention.

[051] A figura 9b é um esquema do espectro de tons do ventilador da figura 9a.[051] Figure 9b is a schematic of the fan tone spectrum of figure 9a.

[052] A figura 9c mostra seções cilíndricas representativas através das pás do ventilador da figura 9a, mostrando as espessuras relativas que garantem equilíbrio.[052] Figure 9c shows representative cylindrical sections through the fan blades of figure 9a, showing the relative thicknesses that ensure balance.

[053] A figura 10a é uma vista esquemática de um ventilador de 3 pás espaçadas não uniformemente de acordo com a presente invenção, onde o espaçamento de pá é simétrico em relação a um eixo geométrico.[053] Figure 10a is a schematic view of a fan with 3 non-uniformly spaced blades according to the present invention, where the blade spacing is symmetrical about a geometric axis.

[054] A figura 10b é um esquema do espectro de tons do ventilador da figura 10a.[054] Figure 10b is a schematic of the fan tone spectrum of figure 10a.

[055] A figura 10c mostra seções cilíndricas representativas através das pás do ventilador da figura 10a, mostrando as espessuras relativas que garantem equilíbrio.[055] Figure 10c shows representative cylindrical sections through the fan blades of figure 10a, showing the relative thicknesses that ensure balance.

Detailed Description

[056] Antes de quaisquer modalidades da invenção serem explicadas detalhadamente, é para ser entendido que a invenção não está limitada em sua aplicação aos detalhes de construção e ao arranjo de componentes expostos na descrição a seguir ou ilustrados nos desenhos a seguir. A invenção é suscetível de outras modalidades e de ser praticada ou de ser executada em vários modos.[056] Before any embodiments of the invention are explained in detail, it is to be understood that the invention is not limited in its application to the construction details and arrangement of components set forth in the following description or illustrated in the following drawings. The invention is capable of other embodiments and of being practiced or executed in various ways.

[057] As figuras 1a e 1b são usadas para definir termos básicos tais como usados por todo o restante da descrição e desenhos, com referência para cada ventilador revelado neste documento. A figura 1a é uma vista esquemática de um ventilador tendo uma pluralidade das pás B se estendendo de uma superfície periférica de um cubo H. O raio de ventilador "R" é definido como o raio da borda traseira da ponta de pá. Estão mostradas a borda dianteira 1, a borda traseira 2, a base de pá 3 e a ponta de pá 4. Uma seção circunferencial A-A está indicada no raio "r".[057] Figures 1a and 1b are used to define basic terms as used throughout the remainder of the description and drawings, with reference to each fan disclosed in this document. Figure 1a is a schematic view of a fan having a plurality of blades B extending from a peripheral surface of a hub H. The fan radius "R" is defined as the radius of the trailing edge of the blade tip. Shown are leading edge 1, trailing edge 2, blade base 3 and blade tip 4. A circumferential section A-A is indicated at radius "r".

[058] A figura 1b é uma vista da seção circunferencial A-A na figura 1a. A seção de pá 100 tem uma borda dianteira 101 e uma borda traseira 102. Uma linha média 105 da pá é definida como a linha que fica a meio caminho entre as superfícies opostas "inferior" e "superior" 106, 107. Mais precisamente, a distância de um ponto na linha média 105 para a superfície superior 107, medida normal à linha média 105, é igual à distância desse ponto na linha média 105 para a superfície inferior 106, medida normal à linha média 105. O comprimento de arco de linha média é definido como "A". A espessura de pá "t" em qualquer posição "a" ao longo da linha média 105 é a distância entre a superfície superior 107 e a superfície inferior 106, medida normal à linha média nessa posição. A espessura pode ser especificada como uma função da posição ao longo da linha média a/A assim como da localização radial r/R.[058] Figure 1b is a view of the circumferential section A-A in figure 1a. The blade section 100 has a leading edge 101 and a trailing edge 102. A midline 105 of the blade is defined as the line that is midway between the opposing "bottom" and "top" surfaces 106, 107. More precisely, the distance from a point on the midline 105 to the upper surface 107, measured normal to the midline 105, is equal to the distance from that point on the midline 105 to the lower surface 106, measured normal to the midline 105. The arc length of Midline is set to "A". The blade thickness "t" at any position "a" along the midline 105 is the distance between the upper surface 107 and the lower surface 106, measured normal to the midline at that position. Thickness can be specified as a function of the position along the midline a/A as well as the radial location r/R.

[059] A superfície média da pá é definida como a superfície cuja seção circunferencial em qualquer raio é idêntica à linha média nesse raio, tal como definido anteriormente.[059] The average surface of the blade is defined as the surface whose circumferential section at any radius is identical to the average line at that radius, as previously defined.

[060] A posição angular "θ" de uma pá é definida como a posição angular de um ponto representativo na pá em relação a uma posição angular fixada arbitrária, e o espaçamento angular "δ" entre duas pás adjacentes é definido como a distância angular entre pontos representativos nessas duas pás. Na figura 1a e em outras figuras neste documento, o ponto representativo é assumido como estando na metade do caminho entre a borda dianteira e a borda traseira da pá em uma posição radial igual ao raio de ventilador R. Entretanto, qualquer outro ponto representativo pode ser escolhido, desde que o mesmo ponto representativo seja assumido para cada pá. De modo similar, na figura 1a e em outras figuras neste documento, a posição angular fixada arbitrária é a posição do eixo y, contudo qualquer outra posição angular fixada arbitrária pode ser usada.[060] The angular position "θ" of a blade is defined as the angular position of a representative point on the blade relative to an arbitrary fixed angular position, and the angular spacing "δ" between two adjacent blades is defined as the angular distance between representative points on these two blades. In Figure 1a and other figures in this document, the representative point is assumed to be halfway between the leading edge and the trailing edge of the blade at a radial position equal to the fan radius R. However, any other representative point may be chosen, as long as the same representative point is assumed for each blade. Similarly, in Figure 1a and other figures in this document, the arbitrary fixed angular position is the y-axis position, however any other arbitrary fixed angular position may be used.

[061] A figura 2a mostra um ventilador de 5 pás de técnica anterior com as pás B1 a B5 espaçadas uniformemente. A posição angular de cada ponta de pá está mostrada como θi, onde "i" é o índice da pá. O espaçamento angular entre pás adjacentes é um espaçamento constante de 72 graus.[061] Figure 2a shows a prior art 5-bladed fan with blades B1 to B5 evenly spaced. The angular position of each blade tip is shown as θi, where "i" is the blade index. The angular spacing between adjacent blades is a constant spacing of 72 degrees.

[062] A figura 2c mostra um "gráfico de barras" esquemático de um espectro assumido de tons acústicos gerados por uma única pá do ventilador da figura 2a à medida que ele gira. Este é um espectro teórico em que uma pessoa não ouvirá o ruído correspondendo a este espectro por causa de as outras pás também estarem gerando tons. No espectro de uma única pá mostrado na figura 2c todas as ordens de harmônicos de eixo têm a mesma magnitude. Isto corresponde a uma pressão de som que é um impulso no domínio do tempo. O espectro de uma única pá real dependerá dos detalhes do ambiente de operação do ventilador. De uma maneira geral é desconhecido, e somente pode ser inferido de experimentos. Entretanto, ao assumir um espectro impulsivo, podemos selecionar um espaçamento de pá que é efetivo em uma variedade de ambientes de operação.[062] Figure 2c shows a schematic "bar graph" of an assumed spectrum of acoustic tones generated by a single fan blade of Figure 2a as it rotates. This is a theoretical spectrum where a person will not hear the noise corresponding to this spectrum because the other blades are also generating tones. In the spectrum of a single blade shown in figure 2c all orders of shaft harmonics have the same magnitude. This corresponds to a sound pressure that is an impulse in the time domain. The spectrum of an actual single blade will depend on the details of the fan's operating environment. It is generally unknown, and can only be inferred from experiments. However, by assuming an impulsive spectrum, we can select a blade spacing that is effective in a variety of operating environments.

[063] A figura 2b mostra o espectro de ruído tonal do ventilador total da figura 2a, com base no espectro assumido impulsivo de uma única pá da figura 2c. Os tons em ordens de taxa de eixo iguais a múltiplos do número de pás 5 são aumentados por 20log5 = 14 dB por causa de interferência construtiva, enquanto que todos os outros harmônicos de taxa de eixo não são existentes por causa de interferência destrutiva. Os tons de harmônicos de taxa de eixo uma única pá são assumidos como estando em um nível de -14 dB, para resultar em ordens de taxas de pás no espectro de ventilador em um nível de 0 dB.[063] Figure 2b shows the tonal noise spectrum of the total fan of Figure 2a, based on the assumed impulsive spectrum of a single blade of Figure 2c. Tones in shaft rate orders equal to multiples of the number of blades 5 are increased by 20log5 = 14 dB because of constructive interference, while all other shaft rate harmonics are non-existent because of destructive interference. The single blade shaft rate harmonic tones are assumed to be at a level of -14 dB, to result in blade rate orders in the fan spectrum at a level of 0 dB.

[064] A figura 3a mostra um ventilador de técnica anterior com pás espaçadas não uniformemente, cada uma das quais tem geometria idêntica. Este ventilador tem equilíbrio perfeito, uma vez que o espaçamento de pá foi selecionado para garantir que as seguintes relações fossem mantidas: Onde θi é a posição angular da pá de ordem i, e Z é o número total de pás, o qual para o ventilador da figura 3a é 5. Estas duas equações exprimem que as pás estão equilibradas em relação aos eixos geométricos y e x, respectivamente. Qualquer espaçamento de pás satisfazendo estas duas equações pode ser chamado de espaçamento equilibrado ou um padrão equilibrado.[064] Figure 3a shows a prior art fan with non-uniformly spaced blades, each of which has identical geometry. This fan is perfectly balanced as the blade spacing was selected to ensure the following relationships were maintained: Where θi is the angular position of the blade of order i, and Z is the total number of blades, which for the fan in figure 3a is 5. These two equations express that the blades are balanced in relation to the geometric axes y and x, respectively. Any blade spacing satisfying these two equations can be called a balanced spacing or a balanced pattern.

[065] Embora a figura 3a mostre exatamente um conjunto de ângulos de posições de pás, outros arranjos equilibrados de cinco pás idênticas também são possíveis. Um ângulo de posição de pá fixa meramente o ângulo de rotação do ventilador. Dois ângulos de pás podem ser especificados arbitrariamente, e os dois ângulos de pás remanescentes são ditados pela exigência de equilíbrio.[065] Although figure 3a shows exactly one set of blade position angles, other balanced arrangements of five identical blades are also possible. A blade position angle merely fixes the rotation angle of the fan. Two blade angles can be specified arbitrarily, and the remaining two blade angles are dictated by the balance requirement.

[066] A figura 3b mostra um esquema do espectro de tons do ventilador da figura 3a, assumindo que o espectro de uma única pá é o mesmo para todas as pás, e igual àquele mostrado na figura 2c. Para comparação, o espectro do ventilador espaçado uniformemente (figura 2b) está mostrado como barras pontilhadas. O espectro do ventilador com espaçamento de pá irregular tem tons reduzidos nos harmônicos de taxa de pás, e tons consideráveis em harmônicos de taxa de eixo que não são harmônicos de taxa de pás. O tom no primeiro harmônico de taxa de pás é só ligeiramente reduzido, mas os tons de harmônicos de taxa de pás maiores são reduzidos significativamente. De forma subjetiva, muitos observadores considerariam o ruído do ventilador espaçado não uniformemente como sendo menos irritante que aquele do ventilador espaçado uniformemente.[066] Figure 3b shows a schematic of the tone spectrum of the fan of figure 3a, assuming that the spectrum of a single blade is the same for all blades, and equal to that shown in figure 2c. For comparison, the evenly spaced fan spectrum (Figure 2b) is shown as dotted bars. The fan spectrum with irregular blade spacing has reduced tones in the blade rate harmonics, and considerable tones in shaft rate harmonics that are not blade rate harmonics. The tone at the first blade rate harmonic is only slightly reduced, but the tones at higher blade rate harmonics are significantly reduced. Subjectively, many observers would consider noise from a non-uniformly spaced fan to be less annoying than that from an evenly spaced fan.

[067] A figura 4a mostra um ventilador de 4 pás de técnica anterior com as pás B1 a B4 espaçadas uniformemente. O espaçamento angular entre pás adjacentes é um espaçamento constante de 90 graus. A figura 4c mostra um espectro impulsivo de uma única pá que resulta no espectro de ventilador da figura 4b. Tal como no caso de um ventilador de 5 pás espaçadas uniformemente, tons fortes estão naqueles harmônicos de taxa eixo que são harmônicos da taxa de pás, e não existem tons em outros harmônicos de taxa de eixo. O espectro impulsivo da figura 4c foi escalado de maneira que os tons de taxa de pás do espectro de ventilador têm uma magnitude de 0 dB.[067] Figure 4a shows a prior art 4-bladed fan with blades B1 to B4 evenly spaced. The angular spacing between adjacent blades is a constant spacing of 90 degrees. Figure 4c shows an impulsive spectrum of a single blade that results in the fan spectrum of Figure 4b. As in the case of a 5-blade evenly spaced fan, strong tones are in those shaft rate harmonics that are blade rate harmonics, and no tones exist in other shaft rate harmonics. The impulsive spectrum of Figure 4c has been scaled so that the blade rate tones of the fan spectrum have a magnitude of 0 dB.

[068] A figura 5a mostra um ventilador de 4 pás de técnica anterior com as pás B1 a B4 espaçadas não uniformemente, cada um das quais tem geometria idêntica. Este ventilador está perfeitamente equilibrado. Outros arranjos equilibrados de quatro pás idênticas também são possíveis. No caso de um ventilador de 4 pás, a posição angular de duas pás adjacentes pode ser escolhida arbitrariamente, e os dois ângulos de pás remanescentes são ditados pela exigência de equilíbrio. Um dos ângulos arbitrários fixa meramente o ângulo de rotação do ventilador, de maneira que existe somente um grau de liberdade na seleção de um padrão equilibrado de pás. Cada padrão equilibrado de quatro pás idênticas caracteriza dois conjuntos de pás opostas diametralmente.[068] Figure 5a shows a prior art 4-blade fan with blades B1 to B4 non-uniformly spaced, each of which has identical geometry. This fan is perfectly balanced. Other balanced arrangements of four identical blades are also possible. In the case of a 4-blade fan, the angular position of two adjacent blades can be chosen arbitrarily, and the remaining two blade angles are dictated by the balance requirement. One of the arbitrary angles merely fixes the rotation angle of the fan, so there is only one degree of freedom in selecting a balanced blade pattern. Each balanced pattern of four identical blades features two sets of diametrically opposed blades.

[069] A figura 5b mostra um esquema do espectro de tons do ventilador mostrado na figura 5a, assumindo que o espectro de uma única pá é o mesmo para todas as pás, e igual àquele mostrado na figura 4c. Para comparação, o espectro do ventilador espaçado uniformemente (figura 4b) está mostrado como barras pontilhadas. Por causa de o espaçamento de pá do ventilador mostrado na figura 5a compreender dois grupos idênticos de pás, espaçados uniformemente de forma circunferencial, o espectro de ventilador tem tons diferentes de zero somente em números de harmônicos de eixo pares, e tons iguais a zero em números de harmônicos de eixo ímpares. Isto reduz a extensão para a qual a energia tonal é espalhada para harmônicos diferentes, e reduz os benefícios de espaçamento de pá irregular.[069] Figure 5b shows a schematic of the fan tone spectrum shown in figure 5a, assuming that the spectrum of a single blade is the same for all blades, and equal to that shown in figure 4c. For comparison, the evenly spaced fan spectrum (Figure 4b) is shown as dotted bars. Because the fan blade spacing shown in Figure 5a comprises two identical groups of blades, evenly spaced circumferentially, the fan spectrum has nonzero tones only at even axis harmonic numbers, and zero tones at odd axis harmonic numbers. This reduces the extent to which tonal energy is spread to different harmonics, and reduces the benefits of uneven blade spacing.

[070] A figura 6a mostra um ventilador de 4 pás espaçadas não uniformemente de acordo com a presente invenção. As pás B1 a B4 deste ventilador, as quais são espaçadas para alcançar as propriedades tonais desejadas, têm geometria idêntica exceto para a espessura de pá, a qual difere para cada pá por um fator constante. A espessura de uma pá de ventilador no caso de um ventilador com espaçamento igual (figura 4a) ou um espaçamento equilibrado (figura 5a) pode ser considerada como sendo a "espessura de projeto". Esta espessura td (a/A, r/R) varia da borda dianteira 1 para a borda traseira 2, e da base 3 para a ponta 4. A espessura em cada posição na pá de ordem i do ventilador na figura 6a será igual à espessura de projeto na posição correspondente multiplicada pelo fator de espessura Ti, o qual é constante para qualquer pá, mas diferirá entre pás. [070] Figure 6a shows a fan with 4 non-uniformly spaced blades according to the present invention. Blades B1 to B4 of this fan, which are spaced to achieve the desired tonal properties, have identical geometry except for the blade thickness, which differs for each blade by a constant factor. The thickness of a fan blade in the case of an equally spaced fan (figure 4a) or a balanced spacing (figure 5a) can be considered to be the "design thickness". This thickness td (a/A, r/R) varies from leading edge 1 to trailing edge 2, and from base 3 to tip 4. The thickness at each position on the i-th fan blade in figure 6a will be equal to design thickness at the corresponding position multiplied by the thickness factor Ti, which is constant for any blade but will differ between blades.

[071] Os valores de Ti que resultarão em um ventilador equilibrado são dados pela solução das seguintes equações: Estas equações são homogêneas, e qualquer conjunto de soluções de valores de Ti pode ser multiplicado por um fator constante para obter um outro conjunto de soluções. Portanto, podemos estabelecer arbitrariamente o valor de Ti para ser igual a 1,0. Temos então Z-1 valores desconhecidos de Ti e duas equações para satisfazer.[071] The Ti values that will result in a balanced fan are given by solving the following equations: These equations are homogeneous, and any set of Ti value solutions can be multiplied by a constant factor to obtain another set of solutions. Therefore, we can arbitrarily set the value of Ti to be equal to 1.0. We then have Z-1 unknown values of Ti and two equations to satisfy.

[072] No caso de um ventilador de 4 pás, um valor de Ti (além de T1, o qual é de forma idêntica igual a 1,0) pode ser escolhido arbitrariamente, e os dois valores remanescentes determinados ao satisfazer as duas equações de equilíbrio. A fim de minimizar quaisquer problemas que possam resultar de ter pás de espessura variável, o fator de espessura arbitrário pode ser selecionado para minimizar a razão definida como o fator de espessura Tmáx de uma pá mais espessa da pluralidade de pás dividido pelo fator de espessura Tmín de uma pá mais fina da pluralidade de pás. Para o ventilador mostrado na figura 6a, a figura 6c mostra um gráfico da variação nessa razão com valores assumidos de T2, assumindo que T1 permanece igual a 1,0. Tal como mostrado na figura 6c, a razão do fator de espessura de pá máximo para o fator de espessura de pá mínimo tem um valor mínimo entre 1,15 e 1,20, e mais particularmente 1,169.[072] In the case of a 4-bladed fan, a value of Ti (other than T1, which is identically equal to 1.0) can be chosen arbitrarily, and the two remaining values determined by satisfying the two equations of balance. In order to minimize any problems that may result from having blades of varying thickness, the arbitrary thickness factor may be selected to minimize the ratio defined as the thickness factor Tmax of a thicker blade of the plurality of blades divided by the thickness factor Tmin of a thinner blade of the plurality of blades. For the fan shown in figure 6a, figure 6c shows a graph of the variation in this ratio with assumed values of T2, assuming that T1 remains equal to 1.0. As shown in figure 6c, the ratio of the maximum blade thickness factor to the minimum blade thickness factor has a minimum value between 1.15 and 1.20, and more particularly 1.169.

[073] Embora o equilíbrio do ventilador seja garantido ao satisfazer o conjunto das equações mostradas acima, questões estruturais, de fabricação e de custo podem ditar a espessura de pá mínima e/ou a máxima. Nesse caso o conjunto total de valores de Ti pode ser multiplicado por um fator constante antes de ser aplicado como fatores de espessuras individuais.[073] Although fan balance is guaranteed by satisfying the set of equations shown above, structural, manufacturing and cost issues may dictate the minimum and/or maximum blade thickness. In this case the total set of Ti values can be multiplied by a constant factor before being applied as individual thickness factors.

[074] A figura 6d mostra seções cilíndricas através de cada uma das quatro pás do ventilador da figura 6a, todas em um raio igual a 0,8 do raio das pontas de pás. Estas seções mostram um conjunto de fatores de espessuras Ti que resultam em um ventilador equilibrado. Neste exemplo T2 foi escolhido para ser o valor correspondendo à razão de espessura mínima tal como mostrado na figura 6c. Tal como pode ser visto, esta escolha de T2 resulta em T4 sendo igual a T1.[074] Figure 6d shows cylindrical sections through each of the four fan blades of figure 6a, all at a radius equal to 0.8 of the radius of the blade tips. These sections show a set of Ti thickness factors that result in a balanced fan. In this example T2 was chosen to be the value corresponding to the minimum thickness ratio as shown in figure 6c. As can be seen, this choice of T2 results in T4 being equal to T1.

[075] A figura 6b mostra um esquema do espectro do ventilador mostrado na figura 6a, assumindo que o espectro de uma única pá é o mesmo para todas as pás, e igual àquele mostrado na figura 4c. As barras pontilhadas representam os tons do ventilador de 4 pás espaçadas uniformemente (figura 4b). Por causa de as pás B1 a B4 do ventilador mostrado na figura 6a não formarem dois grupos idênticos de pás, o espectro de ventilador resultante tem tons diferentes de zero em todos os harmônicos de taxa de eixo, e o ruído subjetivo é provável que seja aperfeiçoado quando comparado com aquele do ventilador da figura 5a.[075] Figure 6b shows a schematic of the spectrum of the fan shown in figure 6a, assuming that the spectrum of a single blade is the same for all blades, and equal to that shown in figure 4c. The dotted bars represent the tones of the evenly spaced 4-bladed fan (figure 4b). Because blades B1 through B4 of the fan shown in Figure 6a do not form two identical groups of blades, the resulting fan spectrum has nonzero tones in all shaft-rate harmonics, and subjective noise is likely to be enhanced. when compared with that of the fan in figure 5a.

[076] A figura 7a mostra um ventilador de 4 pás espaçadas não uniformemente de acordo com a presente invenção, onde o espaçamento de pá é simétrico. Um espaçamento de pá simétrico é definido como tal onde existe uma linha de simetria, mostrada na figura 7a como "L", de tal maneira que a posição angular de cada pá em relação a essa linha de simetria é igual, mas de sinal oposto, à posição angular de uma outra pá em relação a essa linha de simetria. Equilíbrio em relação à linha de simetria é alcançado quando os fatores de espessuras são os mesmos para cada conjunto de pás com posições simétricas - as pás B1 e B4, e as pás B2 e B3. Somente uma equação de equilíbrio deve ser resolvida para os fatores de espessuras relativos dos dois conjuntos de pás. Este ventilador pode ser feito com somente dois projetos de pás diferentes, um fato que pode fornecer alguma medida de simplificação na fabricação do ventilador. Por exemplo, isto pode reduzir o número de moldes de injeção exigidos se pás forem moldadas individualmente e então fixadas a um cubo de ventilador.[076] Figure 7a shows a fan with 4 non-uniformly spaced blades according to the present invention, where the blade spacing is symmetrical. A symmetrical blade spacing is defined as such where there is a line of symmetry, shown in figure 7a as "L", such that the angular position of each blade with respect to that line of symmetry is equal but of opposite sign, to the angular position of another blade in relation to this line of symmetry. Balance in relation to the line of symmetry is achieved when the thickness factors are the same for each set of blades with symmetrical positions - blades B1 and B4, and blades B2 and B3. Only one equilibrium equation must be solved for the relative thickness factors of the two sets of blades. This fan can be made with only two different blade designs, a fact that may provide some measure of simplification in fan manufacturing. For example, this can reduce the number of injection molds required if blades are molded individually and then attached to a fan hub.

[077] A figura 7c mostra seções cilíndricas através de cada uma das quatro pás do ventilador da figura 7a, todas em um raio igual para 0,8 do raio das pontas de pás. Estas seções mostram um conjunto de fatores de espessuras Ti que resultam em um ventilador equilibrado. Os fatores de espessuras das pás B1 e B4, e das pás B2 e B3, são idênticos.[077] Figure 7c shows cylindrical sections through each of the four fan blades of figure 7a, all at a radius equal to 0.8 of the radius of the blade tips. These sections show a set of Ti thickness factors that result in a balanced fan. The thickness factors of blades B1 and B4, and blades B2 and B3, are identical.

[078] A figura 7b mostra um esquema do espectro de tons do ventilador mostrado na figura 7a, assumindo que o espectro de uma única pá é o mesmo para todas as pás, e igual àquele mostrado na figura 4c. As barras pontilhadas representam os tons do ventilador de 4 pás espaçadas uniformemente (figura 4b). Ao comparar o espectro da figura 7b com os espectros das figuras 6b e 5b, pode ser visto que as vantagens de um espaçamento desbalanceado estão um pouco comprometidas pela escolha de um arranjo simétrico das pás, mas ainda existe uma vantagem significativa em relação a um ventilador de técnica anterior com um espaçamento equilibrado.[078] Figure 7b shows a schematic of the fan tone spectrum shown in figure 7a, assuming that the spectrum of a single blade is the same for all blades, and equal to that shown in figure 4c. The dotted bars represent the tones of the evenly spaced 4-bladed fan (figure 4b). By comparing the spectrum in Figure 7b with the spectra in Figures 6b and 5b, it can be seen that the advantages of an unbalanced spacing are somewhat compromised by the choice of a symmetrical blade arrangement, but there is still a significant advantage over a fan. prior art with balanced spacing.

[079] A figura 8a mostra um ventilador de 3 pás de técnica anterior com pás espaçadas uniformemente. O espaçamento angular entre pás adjacentes é um espaçamento constante de 120 graus. A figura 8c mostra um espectro impulsivo de uma única pá que resulta no espectro de ventilador da figura 8b. Tal como no caso de um ventilador de 4 pás ou de 5 pás com pás espaçadas uniformemente, tons fortes estão naqueles harmônicos de taxa de eixo que são harmônicos da taxa de pás, e não existem tons em outros harmônicos de taxa de eixo. O espectro impulsivo da figura 8c foi escalado de maneira que os tons de taxa de pás do espectro de ventilador têm uma magnitude de 0 dB.[079] Figure 8a shows a prior art 3-bladed fan with evenly spaced blades. The angular spacing between adjacent blades is a constant spacing of 120 degrees. Figure 8c shows an impulsive spectrum of a single blade that results in the fan spectrum of Figure 8b. As in the case of a 4-blade or 5-blade fan with evenly spaced blades, strong tones are in those shaft rate harmonics that are blade rate harmonics, and there are no tones in other shaft rate harmonics. The impulsive spectrum of Figure 8c has been scaled so that the blade rate tones of the fan spectrum have a magnitude of 0 dB.

[080] Se as pás do ventilador mostrado na figura 8a tiverem geometria idêntica, o ventilador ficará em equilíbrio, mas outro arranjo de três pás idênticas não pode satisfazer a equação de equilíbrio.[080] If the fan blades shown in figure 8a have identical geometry, the fan will be in equilibrium, but another arrangement of three identical blades cannot satisfy the equilibrium equation.

[081] A figura 9a mostra um ventilador de 3 pás espaçadas não uniformemente de acordo com a presente invenção. As pás deste ventilador, as quais são espaçadas para alcançar as propriedades tonais desejadas, têm geometria idêntica exceto para a espessura de pá, a qual difere para cada pá por um fator constante Ti. Os valores de Ti que resultarão em um ventilador equilibrado são dados pela solução das equações governando os fatores de espessuras do ventilador na figura 6a. Uma vez que T1 é de forma idêntica igual a 1,0, as duas equações de equilíbrio podem ser resolvidas para os valores desconhecidos T2 e T3.[081] Figure 9a shows a fan with 3 non-uniformly spaced blades according to the present invention. The blades of this fan, which are spaced to achieve the desired tonal properties, have identical geometry except for the blade thickness, which differs for each blade by a constant factor Ti. The values of Ti that will result in a balanced fan are given by solving the equations governing the fan thickness factors in figure 6a. Since T1 is identically equal to 1.0, the two equilibrium equations can be solved for the unknown values T2 and T3.

[082] A figura 9c mostra seções cilíndricas através de cada uma das três pás do ventilador da figura 9a, todas em um raio igual a 0,8 do raio das pontas de pás. Estas seções mostram os fatores de espessuras Ti que resultam em um ventilador equilibrado.[082] Figure 9c shows cylindrical sections through each of the three fan blades of figure 9a, all at a radius equal to 0.8 of the radius of the blade tips. These sections show the Ti thickness factors that result in a balanced fan.

[083] A figura 9b mostra um esquema do espectro de tons do ventilador mostrado na figura 9a, assumindo que o espectro de uma única pá é o mesmo para todas as pás, e igual àquele mostrado na figura 8c. As barras pontilhadas representam os tons do ventilador de 3 pás espaçadas uniformemente (figura 8b).[083] Figure 9b shows a schematic of the fan tone spectrum shown in figure 9a, assuming that the spectrum of a single blade is the same for all blades, and equal to that shown in figure 8c. The dotted bars represent the tones of the evenly spaced 3-bladed fan (figure 8b).

[084] A figura 10a mostra um ventilador de 3 pás espaçadas não uniformemente de acordo com a presente invenção, onde o espaçamento de pá é simétrico. Um ventilador com um número ímpar de pás e um espaçamento de pá simétrico deve ter uma linha de simetria com uma posição angular igual àquela de uma das pás. Na figura 10a, a linha de simetria tem uma posição angular igual àquela da pá B2. Equilíbrio em relação a esta linha de simetria é alcançado quando o fator de espessura é o mesmo para as duas pás com posições simétricas - as pás B1 e B3. Somente uma equação de equilíbrio deve ser resolvida para o fator de espessura relativo da pá B2 quando comparado com aquele destas duas pás. Este ventilador pode ser feito com somente dois projetos de pás diferentes, um fato que pode fornecer alguma medida de simplificação na fabricação do ventilador.[084] Figure 10a shows a fan with 3 non-uniformly spaced blades according to the present invention, where the blade spacing is symmetrical. A fan with an odd number of blades and symmetrical blade spacing must have a line of symmetry with an angular position equal to that of one of the blades. In figure 10a, the line of symmetry has an angular position equal to that of blade B2. Balance with respect to this line of symmetry is achieved when the thickness factor is the same for the two blades with symmetrical positions - blades B1 and B3. Only one equilibrium equation must be solved for the relative thickness factor of blade B2 when compared with that of these two blades. This fan can be made with only two different blade designs, a fact that may provide some measure of simplification in fan manufacturing.

[085] A figura 10c mostra seções cilíndricas através de cada uma das três pás do ventilador da figura 10a, todas em um raio igual a 0,8 do raio das pontas de pás. Estas seções mostram os fatores de espessuras Ti que resultam em um ventilador equilibrado. Os fatores de espessuras das pás B1 e B3 são idênticos.[085] Figure 10c shows cylindrical sections through each of the three fan blades of figure 10a, all at a radius equal to 0.8 of the radius of the blade tips. These sections show the Ti thickness factors that result in a balanced fan. The thickness factors of blades B1 and B3 are identical.

[086] A figura 10b mostra um esquema do espectro de tons do ventilador mostrado na figura 10a, assumindo que o espectro de uma única pá é o mesmo para todas as pás, e igual àquele mostrado na figura 8c. As barras pontilhadas representam os tons do ventilador de 3 pás espaçadas uniformemente (figura 8b). Ao comparar o espectro da figura 10b com os espectros das figuras 9b e 8b pode ser visto que as vantagens de um espaçamento desbalanceado estão significativamente comprometidas pela escolha de um arranjo simétrico das pás, mas ainda existe uma vantagem significativa em relação a um ventilador de técnica anterior com um espaçamento equilibrado.[086] Figure 10b shows a schematic of the fan tone spectrum shown in figure 10a, assuming that the spectrum of a single blade is the same for all blades, and equal to that shown in figure 8c. The dotted bars represent the tones of the evenly spaced 3-bladed fan (figure 8b). When comparing the spectrum in Figure 10b with the spectra in Figures 9b and 8b it can be seen that the advantages of an unbalanced spacing are significantly compromised by the choice of a symmetrical arrangement of the blades, but there is still a significant advantage over a conventional fan. anterior with balanced spacing.

[087] Por causa de as pás de cada um dos ventiladores mostrados nas figuras 6a, 7a, 9a e 10a serem idênticas exceto para espessura, e o equilíbrio estático ser garantido por meio da satisfação das duas equações de equilíbrio, o desequilíbrio de acoplamento também será zero.[087] Because the blades of each of the fans shown in figures 6a, 7a, 9a and 10a are identical except for thickness, and static balance is guaranteed through satisfaction of the two balance equations, coupling imbalance also will be zero.

[088] Embora alguma desigualdade de espaçamento melhore qualidade de ruído, aumentar a desigualdade não melhora necessariamente a qualidade de ruído adicionalmente. Embora a tonalidade percebida do ruído de ventilador de uma maneira geral possa ser reduzida adicionalmente por um espaçamento mais irregular, em algum ponto a rudeza percebida do som pode aumentar para um nível que é censurável. Outras considerações, tal como aquela de manter eficiência aerodinâmica alta, também podem determinar que a extensão de desigualdade de pá deve ser limitada. Uma métrica de desigualdade é a razão do maior espaçamento entre pás "õmáx" para o menor espaçamento entre pás "δmin". Os ventiladores mostrados nas figuras 6a, 7a, 9a e 10a têm razões de espaçamentos de pás δmáx/δmín de 1,354, 1,285, 1,226 e 1,300. Algumas modalidades da presente invenção podem ter razões de espaçamentos maiores, e algumas podem ter razões de espaçamentos menores. A razão de espaçamentos é de pelo menos 1,15, e pode ser de pelo menos 1,20 em algumas construções, enquanto que em algumas construções a razão de espaçamentos é igual ou menor que 1,80, e pode ser igual ou menor que 1,60.[088] Although some spacing inequality improves noise quality, increasing inequality does not necessarily improve noise quality additionally. Although the perceived loudness of fan noise in general can be further reduced by more irregular spacing, at some point the perceived harshness of the sound may increase to a level that is objectionable. Other considerations, such as that of maintaining high aerodynamic efficiency, may also dictate that the extent of blade unevenness should be limited. An inequality metric is the ratio of the largest blade spacing "õmax" to the smallest blade spacing "δmin". The fans shown in figures 6a, 7a, 9a and 10a have blade spacing ratios δmax/δmin of 1.354, 1.285, 1.226 and 1.300. Some embodiments of the present invention may have larger spacing ratios, and some may have smaller spacing ratios. The spacing ratio is at least 1.15, and may be at least 1.20 in some constructions, while in some constructions the spacing ratio is equal to or less than 1.80, and may be equal to or less than 1.60.

[089] As seções das figuras 6d, 7c, 9c e 10c mostram pás com uma razão de fator de espessura máximo para fator de espessura mínimo de 1,169, 1,125, 1,313 e 1,286. Algumas modalidades da presente invenção podem ter variação maior em fator de espessura de pá, e algumas podem ter variação menor. A razão de fator de espessura máximo para fator de espessura mínimo é de pelo menos 1,05 em algumas construções, e pode ser de pelo menos 1,10 em algumas construções.[089] The sections in figures 6d, 7c, 9c and 10c show blades with a maximum thickness factor to minimum thickness factor ratio of 1.169, 1.125, 1.313 and 1.286. Some embodiments of the present invention may have greater variation in blade thickness factor, and some may have less variation. The ratio of maximum thickness factor to minimum thickness factor is at least 1.05 in some constructions, and may be at least 1.10 in some constructions.

[090] Os ventiladores mostrados são todos ventiladores de pontas livres. Em outras palavras, eles não possuem uma cinta conectando as pontas de pás. Ventiladores de pontas livres têm alta eficiência em carregamentos leves onde um ventilador de 3 pás ou de 4 pás pode ser uma opção lógica de projeto, e são bons candidatos para a presente invenção. Entretanto, um ventilador cintado também pode utilizar um espaçamento de pá desbalanceado e alcançar equilíbrio por meio do uso de espessura de pá desigual tal como descrito aqui.[090] The fans shown are all free tip fans. In other words, they do not have a strap connecting the blade tips. Free tip fans have high efficiency at light loads where a 3-blade or 4-blade fan may be a logical design option, and are good candidates for the present invention. However, a belted fan can also utilize an unbalanced blade spacing and achieve balance through the use of unequal blade thickness as described here.

[091] Em algumas localizações as distribuições de espessuras das várias pás podem não ser escaladas perfeitamente. Em particular, as faixas entre as pás e o cubo podem não estar de acordo com o escalamento. De modo similar, se as pás utilizarem a geometria de ponta descrita na Patente U.S. No. 9.404.511, incorporada a este documento pela referência, a espessura na região de ponta pode não ser escalada perfeitamente. Estes e outros desvios secundários em relação ao escalamento de espessura perfeito não afetarão significativamente o equilíbrio estático e de acoplamento do ventilador, e qualquer desequilíbrio remanescente pode ser tratado em um modo tradicional. Estes ventiladores ainda exibirão os benefícios da presente invenção e estão incluídos em seu escopo.[091] In some locations the thickness distributions of the various blades may not scale perfectly. In particular, the bands between the blades and the hub may not conform to the scaling. Similarly, if the blades utilize the tip geometry described in U.S. Patent No. 9,404,511, incorporated herein by reference, the thickness in the tip region may not scale perfectly. These and other minor deviations from perfect thickness scaling will not significantly affect fan static and coupling balance, and any remaining imbalance can be handled in a traditional fashion. These fans will still exhibit the benefits of the present invention and are included within its scope.

[092] Diversas modalidades da presente invenção foram descritas, mas os benefícios da presente invenção se estendem igualmente para outras geometrias e configurações. São as reivindicações anexas, e todas as equivalências razoáveis das mesmas, em vez de as modalidades representadas, que definem o verdadeiro escopo da presente invenção. Ventiladores tendo propriedades de acordo com um ou mais aspectos da presente invenção podem ser inclinados para frente, inclinados para trás, radiais ou de um projeto de inclinação misturada. De modo similar, ventiladores de acordo com um ou mais aspectos da presente invenção podem ter qualquer geometria de superfície média.[092] Several embodiments of the present invention have been described, but the benefits of the present invention extend equally to other geometries and configurations. It is the appended claims, and all reasonable equivalences thereof, rather than the represented embodiments, that define the true scope of the present invention. Fans having properties in accordance with one or more aspects of the present invention may be forward-inclined, backward-inclined, radial, or of a mixed-inclination design. Similarly, fans in accordance with one or more aspects of the present invention may have any midsurface geometry.

Claims

1. Axial fan, comprising: a hub (H); and a plurality of blades (B) extending from a periphery of the hub (H) wherein each of the plurality of blades has a blade thickness (t) that is the distance between its upper surface (107) and its lower surface ( 106) ranging from a leading edge (1, 101) to a trailing edge (2, 102) and from a base (3) to a tip (4), wherein the plurality of blades (B) are non-uniformly spaced in around the periphery of the cube (H) in a pattern that is not balanced, and in which for each blade of the plurality of blades (B) an angular position (θi) of the respective blade (B) is defined as the angular position of a point representative on the respective blade (B) in relation to a fixed angular position, characterized by the fact that the axial fan is balanced by means of variance in blade thickness (ti) among the plurality of blades (B) by the blade thickness (ti ) each of the plurality of blades (B): ti=Ti*td, where td is a construction thickness that varies equally for all blades (B) from their leading edge (1, 101) to their trailing edge (2, 102) and from its base (3) to its tip (4), and Ti is a constant thickness factor for the respective blade (B), and where the thickness factors Ti of all blades (B) of the axial fan are determined by the following equations:

2. Axial fan according to claim 1, characterized in that the blade thickness (ti) of a first blade (B) is scaled by means of individual blade thickness factors (Ti) to define the thickness of each of the other blades (B).

3. The axial fan of claim 2, wherein a ratio defined as the thickness factor of a thicker blade (Ti) of the plurality of blades divided by the thickness factor (Ti) of a thinner blade of the plurality of blades is at least 1.05.

4. The axial fan of claim 2, wherein a ratio defined as the thickness factor of a thicker blade (Ti) of the plurality of blades divided by the thickness factor of a thinner blade (Ti) of the plurality of blades is at least 1.10.

5. Axial fan according to claim 1, characterized in that the plurality of blades consists of exactly three blades.

6. Axial fan according to claim 1, characterized in that the plurality of blades consists of exactly four blades.

7. The axial fan of claim 1, wherein a middle surface of each of the plurality of blades, which is midway between the upper surface (107) and the lower surface (106), is identical.

8. Axial fan according to claim 1, characterized in that the axial fan is a free-tip axial fan.

9. The axial fan of claim 1, wherein the axial fan is an automotive engine cooling fan.

10. Axial fan according to claim 1, characterized in that the spacing of the plurality of blades is symmetrical with respect to a line of symmetry (L).

11. Axial fan according to claim 10, characterized in that two of the plurality of blades whose positions are symmetrical with respect to the line of symmetry (L) have equal blade thicknesses (ti).

12. The axial fan of claim 1, wherein a ratio defined as a greater spacing angle (δ) between adjacent blades of the plurality of blades divided by a smaller spacing angle (δ) between adjacent blades of the plurality of blades plurality of blades is at least 1.15.

13. The axial fan of claim 1, wherein a ratio defined as a greater spacing angle between adjacent blades of the plurality of blades divided by a smaller spacing angle between adjacent blades of the plurality of blades is at least 1.20.

14. The axial fan of claim 1, wherein a ratio defined as a greater spacing angle between adjacent blades of the plurality of blades divided by a smaller spacing angle between adjacent blades of the plurality of blades is equal to or less than 1.80

15. Axial fan according to claim 1, characterized in that a ratio defined as a greater spacing angle (δ) between adjacent blades of the plurality of blades divided by a smaller spacing angle between adjacent blades of the plurality of blades is equal to or less than 1.60.