CN101652573A - 环形风扇和护罩空气导向系统 - Google Patents

Abstract

一种环形风扇和护罩引导件系统，该系统包括一个旋转风扇构件，该构件带有一个圆锥形的外环和重叠在该外环的至少一部分上的一个圆柱形的护罩构件。在该护罩中提供了多个导向片，这些导向片使进入尖端空隙区域的空气流动的切向速度分量最小化，并且提供穿过该系统的改进的空气流动。这些导向片可具有一种弯曲的构形。

Description

环形风扇和护罩空气导向系统

技术领域

本发明总体上涉及一种环形风扇和护罩组件并且更具体地涉及带有改进的空气流动特性的一种环形风扇和护罩组件。

背景技术

轴向型的风扇利用旋转的叶轮叶片来移动空气或其他流体。当这些叶轮叶片旋转时，在这些叶片的相反侧上产生不同的压力。典型地，这些叶轮叶片的排出侧产生一个高压力而这些吸入侧产生一个低压力。在这两侧之间的压力差导致流体在这些叶轮叶片的尖端附近从高压排出侧流到低压吸入侧，从而产生了通过风扇的流体流动中的一些流体的不希望的回流。众所周知，这种回流可以降低风扇的效率并且可导致不希望产生噪声。

发动机冷却风扇产生了穿过风扇的静态压力，这样在风扇前面的区域比在风扇后面的区域处于明显更低的压力。许多发动机冷却风扇具有围绕它们环圆周地定位的通风罩或护罩，以便在所希望的方向中帮助引导气流。在机动车辆冷却系统中所使用的风扇的实际的运转要求这些旋转风扇构件与静止的护罩构件之间最小的间隙，以便在车辆的整个寿命中确保安全、持久的运行。

在这类系统中使用的这些冷却风扇构件中很多是环型风扇，即这些风扇具有定位在这些风扇叶片的尖端上的一个圆周的环形构件。跨过这些冷却风扇所产生的压力驱动穿过在这些风扇的叶片尖端或者任何旋转环与该护罩的这些静止表面之间出现的空隙的泄漏流动。

在环形风扇中，这种泄漏流动在旋转环的后缘遇到尖端空隙并进入具有一个非常高的切向速度分量的空隙区域。当泄漏流动前进穿过该空隙区域时，旋转环的粘滞性拖曳力使这种漩涡流动继续增强直到它最后到达该间隙区域的出口，该出口刚好是在风扇的这些叶片的尖端的上游。

当再循环的泄漏流动重新进入主风扇空气流动通道时，它具有一个非常高的切向分量，该切向分量与风扇的主进入空气流动的速度和方向相冲突。当切向指向的再循环流动与大部分是轴向的主要空气流动的通道相混合时，在这些风扇叶片的尖端前缘的前部附近形成一种涡流。因为风扇叶片的这些前缘被设计用于主流动的速度条件，所以这些叶片所遇到的涡流相对于想要的进气向量是不重合的。这可以引起该尖端区域失速并且导致低的相对动量流动可以“挂在(hang up)”这些叶片尖端和风扇环的区域中。这减少了风扇的空气流速，连同其静态压力，并且还增加了阻曳力。

因此，得到一种有效减少这些复杂因素的环形风扇和护罩组件将是令人希望的。进一步令人希望的是在使该泄漏流动经风扇再次返回主空气流中之前使切向速度分量最小化或将其消除。进一步令人希望的是使该尖端空隙泄漏流动降到最小并且防止尖端失速。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种环形风扇和护罩组件，该护罩组件使该尖端空隙泄漏流最小化并且防止尖端失速。本发明的另一个目的是提供带有改进效率和减少噪声产生的一种环形风扇和护罩组件。

本发明的一个额外目的是提供一种环形风扇和护罩组件，其中在一种常规的两件式模具注入成型工艺中可以容易地形成该护罩和这些导向片。

根据本发明的这些目的，提供了一种环形风扇和护罩导向组件。该风扇组件包括多个叶轮叶片，这些叶轮叶片被定位在一个圆锥形的外环之内并且被连接到其上。静止护罩构件的一个部分可以在径向上重叠该风扇的旋转环的一个部分。该护罩构件和环形构件形成一个环形的再循环喷嘴，该再循环喷嘴邻近该风扇的主要入口空气流动通道。在该护罩构件中提供了多个弯曲的导向片，这些导向片作用在进入该尖端空隙的空气回流上。这些轴向延伸的导向片具有基本上切向的前缘定向，该前缘定向与进入空气隙的空气流动对齐。这些弯曲的导向片在经过该再循环喷嘴使该泄漏流再次返回的空气流之前使切向速度分量最小化或者将其消除。

该尖端空隙具有实质上大于再循环喷嘴面积的一个入口面积。这与一个收敛的出口区域一起增大了泄漏流返回该风扇的空气流中的空气流注入的速度。

当根据附图和所附权利要求来考虑时，本发明的其他特征、益处和优点将从本发明的以下说明中变得清楚。

附图说明

图1是具有根据本发明的一个优选的实施方案的冷却系统的一台车辆发动机的示意图。

图2展示了根据本发明的一个优选实施方案的一个风扇组件。

图3展示了根据本发明的一个优选的实施方案的一个护罩组件。

图4示出根据本发明的一个优选实施方案的一个环形风扇和护罩组件。

图5是如图4中所示的环形风扇和护罩组件的一个截面图，该截面是沿图4中的线5-5截取的。

图6是如图5所示的环形风扇和护罩组件截面的一个部分的放大图。

图7是与图6相似的一个图示并且以一种示意性的方式示出了这些分量和空气流动。

图8和图9展示了根据本发明的这些导向片的一种实施方案。

具体实施方式

图1展示了根据本发明的一种环形风扇和护罩导向系统10。虽然考虑到了环形风扇和护罩导向组件10可以使用在多种应用中，在一个优选实施方案中，系统10是旨在用于一台发动机11的一个冷却系统。确切地说，本发明的优选实施方案是旨在与卡车或大型车辆中的一个散热器冷却系统一起使用。然而，应该理解，本发明可以在许多应用中使用，并且本发明并不仅限于卡车或者其他车辆。

风扇构件15具有一个中央中枢构件13以及多个叶片构件12(也称作“叶轮”构件)。一个圆周的环形构件14被定位在这些叶片构件的末端(或尖端)处或者被连接到其上。使用多个叶轮叶片和一个旋转环形元件来形成一个风扇组件在本领域中是众所周知的，并且这些风扇组件通常被称作环形风扇。

同样，尽管在这些优选的实施方案中，环形风扇是一个实心的完整环形的环构件并且被定位在这些叶片的尖端处，还有可能使该环形构件是不连续的使得在这些叶片之间带有空隙或者在环本身中具有多个开口，或者使该环形构件(或者它的不连续的部分)从这些叶片的末端径向地略微向内定位。

优选地，环形构件14与风扇组件精细地形成在一起并因此被固定地连接到这些风扇叶片的尖端上。根据本发明的一个优选实施方中，该环形构件还具有一个圆锥形的形状，如这些附图中所示。该外环在空气入口或者风扇组件的低压力侧16处具有一个较小的直径而在空气排出侧或者旋转风扇构件的高压力侧17处具有一个较大的直径。

护罩构件20在形状上是圆柱形的并且被定位为环圆周地围绕，或者基本上环圆周地围绕该旋转环形风扇构件的全部或一个主要部分。该护罩构件还具有一个部分或部件22，该部分或部件被径向地定位在该环形构件的前缘24之内并且在轴向上重叠该环形构件的一个对应部分26。部分26是与该环形构件间隔一个径向距离D-1并且形成带有环形截面积的一个喷嘴30。这个喷嘴30被称作再循环喷嘴，因为它将进入尖端空隙36的返回流动的空气34再注入到风扇主气流32之中。

该环形构件的后缘38以及该护罩构件的一个第二部分或者表面40被间隔离开一定的径向距离D-2。这被称作尖端空隙36(或者尖端空隙区域)并且是该空气流动的一部分(见图7中的箭头34)在风扇15的主空气流动的相反的方向中回流的区域。该尖端空隙区域还具有一个环形的截面面积。

距离D-2大于距离D-1，并且类似的，尖端空隙区域36的环形截面面积大于再循环喷嘴30的环形截面面积。优选地是，距离D-2实质性地比距离D-1大出50％或更多。

在护罩构件20中提供了多个导向片42。这些片构件之间的间隔是可以改变的，以便在减少风扇噪声和振动(NVH)的努力中当压力脉冲的频率通过一个完整的旋转前进时相对于风扇上的一个点来改变该压力脉冲的频率。导向片的数目连同风扇叶片的数目也是优选地与一个素数编号系统相对应以有助于减小NVH。关于这一点，一种可能的环形风扇和护罩组件可以具有十三个风扇叶片构件以及三十一个导向片构件。

如所指示的，根据本发明，该护罩构件形成一个再循环喷嘴，该再循环喷嘴限定了一个邻近该主要进入的流动气流的流动通道。该尖端空隙区域的较大的入口区域连同再循环喷嘴的区域的一个收敛的出口区域有效地提供了返回到风扇空气流中的泄漏空气流的高速注入。这还使该尖端空隙的泄漏流动最小化。如图7所示，尖端空隙泄漏流动50以及上游的主流动32被合并在一起并且彼此对齐。这相对于在该环附近的风扇叶片尖端的前缘角度是出于适当的入射关系。

同样，在该喷嘴中经过减小的面积而重新进入该风扇尖端的空气流的高速泄漏流利用了柯恩达效应从而保持附接到该旋转环形构件上。这有助于使存在于叶片尖端/旋转环区域中的低的相对动量流动增加能量并防止尖端失速。

这些导向片42优选地具有一种弯曲的构形。如图8所示，这些叶片还具有多个基本上切向的前缘62，这些前缘初始地引导进入该尖端空隙区域的空气流动并且使其定向，并且具有邻近这些再循环喷嘴的多个基本上径向的后缘60。当空气流通过这些护罩室时以及在使导致泄漏流再次返回流入风扇的空气流之前，这些导向片使空气流动的切向速度分量最小化或者将其消除。

还有可能使该护罩具有多个导向片，这些导向片具有不同的构形(只要某些是弯曲的)，并且为了平衡，不同类型和构形的式样是围绕该护罩的圆周而均匀间隔的。这些导向片的曲率的量值甚至可以环绕该护罩的周长而不同。

当泄漏流进入该尖端空隙区域时，在该护罩构件上的这些导向片平滑地“捕捉”该泄漏流。这是由这些叶片的基本切向的前缘连同基本上径向的后缘帮助实现的。这柔和地将流动方向从切向转到径向和轴向上。当这些叶片从再循环流动中有效地去除了切向分量时，产生一种经线的空气流动。一种经线空气流动是仅具有径向和轴向的速度分量而不存在切向分量的空气流动。

以高速再注入的再循环流动使低低的相对动量的流体增加了能量并且利用柯恩达效应来帮助主气流保持连接到该旋转环的表面上。柯恩达效应是一种众所周知的空气动力学效应，是由Henri-Marie Coanda在1930年发现的。Coanda观察到从一个喷嘴中流出的一个空气流趋于跟随一个附近的表面，只要该表面的曲率或者角度不从流动方向上突然改变。本发明利用了这种效应，因为从该再循环喷嘴中流出的流动是沿该旋转环的内表面指向的，从而帮助防止尖端失速。此外，在一个实施方案中，空气经过该排出表面并且沿该护罩出口表面流动而没有经过该尖端空隙再循环返回。

在一个实施方案中，该护罩出口元件与该旋转环的后缘基本上是平行的并且是一致的。当气流再次进入该风扇通道时，在尖端空隙区域入口与出口之间减少的流动面积以及该喷嘴的收敛特性促使该流动加速。这促成穿过该喷嘴的一个明显的压降，这进而改进了该风扇维持差穿过风扇的高的静态压的能力。

在本发明的一个优选的实施方案中，这些护罩导向片构件的特征在于以下这些特点：尖端空隙D-2的范围是从1/4英寸到1英寸，入口角度A的范围是从0到20度，并且出口角度B的范围是从-20度到+20度。见图8至图9。

此外，由本发明形成的再循环喷嘴30的特征可以是根据一个优选的实施方案的以下这些特征：喷嘴空隙D-1的范围是从1/8英寸到1/2英寸，在该喷嘴处护罩的重叠24的范围是从0.1到1英寸，并且该喷嘴出口边缘的喷嘴角度C的范围是从0到20度。

通过本发明，实现了一种明显改进的压力上升连同稳定性和静态效率。一般而言，在这些叶片尖端处陷入该环形构件的内侧之下的低的相对动量的流体得到了能量并且该再循环流通过去除的涡旋而被再注入回到该流动通道之中。这有助于移动经过该叶片尖端区域的流动并且确保该再循环流动遇到与这些叶片的入口角度对齐的这些叶片的前缘。

根据本发明的该环形风扇和护罩导向系统是可以使用一种两件式的注塑模制工具来制造。根据本发明不必要在这些壳体壁中使用如在某些现有的压缩机尖端壳体处理中显然采用昂贵地加工出的通道。

虽然在此已经示出并说明了本发明的优选实施方案，但本领域普通技术人员将想到很多变体以及可替代的实施方案。因此，在此旨在使本发明不限于在此所说明的这些优选实施方案而是受到所附权利要求的这些条件的限制。

Claims (20)

1.一种环形风扇和护罩空气导向系统，包括：

一个风扇构件，该构件具有一个中枢件以及多个叶片，这些叶片从该中枢件向外延伸；

一个环形构件，该构件附接到这些叶片上，所述环形构件具有一种圆锥形的轴向延伸的形状；

一个护罩构件，该护罩构件被定位为围绕所述风扇构件和环形构件，所述护罩构件具有一个部分，该部分与所述环形构件的一个第一部分轴向重叠并且由此径向向内、并且与所述环形构件的一个第二部分形成一个尖端空隙；以及

定位在所述护罩构件中的多个导向片，所述导向片具有一种构形，该构形使得穿过所述尖端空隙的再循环空气流动的切向分量最小化。

2.如权利要求1所述的一种环形风扇和护罩空气导向系统，其中所述导向片具有一个弯曲的表面。

3.如权利要求1所述的一种环形风扇和护罩空气导向系统，其中，所述护罩构件以及所述环形构件的所述第一部分形成一个再循环喷嘴。

4.如权利要求3所述的一种环形风扇和护罩空气导向系统，其中所述尖端空隙在截面面积上大于所述再循环喷嘴，并且其中当经所述尖端空隙的空气流动在通过所述再循环喷嘴被注入回到该风扇的空气流之中时它的速度增加了。

5.一种环形风扇和护罩空气导向系统，包括：

具有一个中枢构件的一个旋转环形风扇构件，多个风扇叶片构件以及附接到这些叶片的末端上的一个环形构件；以及一个静止的护罩构件，该护罩构件被定位为大体上环圆周地围绕所述环形风扇构件；

所述护罩构件以及环形构件具有二者间的一个尖端空隙，所述尖端空隙具有一个第一环形截面面积并且在其间形成一个第一间隔距离；

所述护罩构件以及环形构件具有二者间的一个喷嘴构件，所述再循环喷嘴具有一个第二环形截面面积并且在其间形成一个第二间隔距离；

所述护罩构件具有多个导向片构件用来引导空气流动，该空气流动穿过所述尖端空隙而进入并且流出所述喷嘴构件、并且返回到由所述旋转的环形风扇构件产生的主空气流之中。

6.如权利要求5所述的一种环形和护罩空气导向系统，其中，导向片构件的数目大于风扇叶片构件的数目。

7.如权利要求6所述的一种环形和护罩空气导向系统，其中提供了三十一个导向片构件并且提供了十三个风扇叶片构件。

8.如权利要求5所述的一种环形风扇和护罩空气导向系统，其中，每一个所述导向片构件都包括一个弯曲的表面。

9.如权利要求8所述的一种环形风扇和护罩空气导向系统，其中，所述导向片构件从邻近所述尖端空隙的一个位置延伸到邻近所述喷嘴的一个位置。

10.如权利要求5所述的一种环形风扇和护罩空气导向系统，其中所述环形构件具有一个圆锥形的构形。

11.如权利要求5所述的一种环形风扇和护罩空气导向系统，其中，所述护罩构件具有一个第一部分，该第一部分轴向重叠所述环形构件的一个第一部分并且从其径向地向内定位。

12.如权利要求11所述的一种环形风扇和护罩空气导向系统，其中，所述环形构件具有一个圆锥形的构形，所述圆锥形的构形在一个径向尺寸中在与该旋转环形风扇构件的空气流动相同的轴向方向增大。

13.如权利要求5所述的一种环形风扇和护罩空气导向系统，其中，所述喷嘴包括与所述环形构件轴向重叠并且从其径向地向内定位的所述护罩构件的一个第一部分，以及所述环形构件的一个对应的第一部分。

14.如权利要求5所述的一种环形风扇和护罩空气导向系统，其中，所述尖端空隙的所述第一环形截面在面积上大于所述喷嘴构件的所述第二环形截面。

15.如权利要求5所述的一种环形风扇和护罩空气导向系统，其中，所述第一间隔距离大于所述第二间隔距离。

16.如权利要求5所述的一种环形风扇和护罩空气导向系统，其中，每个所述导向片具有一个弯曲的构形，该构形足以使穿过所述尖端空隙而进入的空气流动的切向分量实质性地最小化。

17.如权利要求5所述的一种环形和护罩空气导向系统，其中，多个所述导向片具有一种弯曲的构形，该构形足以使穿过所述尖端空隙而进入的空气流动的切向分量实质性地最小化。

18.用于改进一个环形风扇和护罩空气导向组件的空气流动的一种方法，所述方法包括：

提供一个旋转环形风扇构件，所述环形风扇构件具有一个中央的中枢构件、多个径向伸出的叶片构件、以及定位于这些叶片构件的末端上或者与其邻近的一个环形构件；

提供一个静止的护罩构件，该护罩构件被定位为基本上环圆周地围绕所述旋转风扇构件，所述护罩构件包括多个弯曲的导向片构件；

在所述护罩构件的一个第一部分与所述环形构件的一个第一部分之间提供一个喷嘴构件；并且

在所述护罩构件的一个第二部分与所述环形构件的一个第二部分之间提供一个尖端空隙区域，所述尖端空隙区域的尺寸大于所述喷嘴构件的尺寸。

19.如权利要求18所述的用于改进一个环形和护罩空气导向组件的空气流动的方法，其中，所述环形构件具有一个轴向延伸的圆锥形构形。

20.如权利要求18所述的用于改进一个环形和护罩空气导向组件的空气流动的方法，其中，所述尖端空隙区域的尺寸在截面面积和径向距离上大于所述喷嘴构件的对应的尺寸。

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