CN105593533A - 双喇叭口护罩 - Google Patents

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CN105593533A CN201480054215.XA CN201480054215A CN105593533A CN 105593533 A CN105593533 A CN 105593533A CN 201480054215 A CN201480054215 A CN 201480054215A CN 105593533 A CN105593533 A CN 105593533A
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Abstract

本发明总体上涉及用于机器风扇(125)的风扇护罩(110)，且更具体地涉及双喇叭口护罩的结构和设计，以及双喇叭口护罩相对于机器风扇(125)的放置。在一些示例中，可设有风扇护罩(110)，该风扇护罩(110)环绕具有多个风扇叶片(130)的圆形风扇(125)。一些示例风扇护罩(110)可包括适于接纳空气(160)的入口(112)和适于排出空气(160)的出口(114)。入口(112)可包括入口半径(142)，并且出口可包括出口半径(144)。在一些示例中，出口半径(144)可以各自约为风扇直径(150)的10％。

Description

双喇叭口护罩
技术领域
本专利发明总体涉及用于机器风扇的风扇护罩，并且更具体地涉及双喇叭口护罩的结构和设计，以及双喇叭口护罩相对于机器风扇的放置。
背景技术
常规风扇护罩可通过在机器上安装和/或操作的风扇来改善气流。风扇护罩可减少从风扇高压侧至低压侧的气流返流，可减少进出风扇的气流流入和流出损失，和/或可减少风扇叶梢附近的气流分离和涡流。改善风扇护罩设计来最大化风扇的操作可以是可取的。
此外，机器通常是紧凑的，且没有太多用于大型组件的空间。改善风扇护罩设计来减少安装风扇护罩所需的空间也是可取的。
标题为“用于散热器的冷却风扇的护罩”的日本专利No.4269326(JP'326)声称改善了风扇护罩的性能。JP'326专利描述了一种设置在散热器和冷却风扇之间的喇叭口形风扇护罩，其中风扇护罩设计包括对风扇叶片宽度的40％的比率。然而，JP’326专利的设计提供了相对大的空间需求，并且因此风扇护罩在机器上占据的空间并不是最优的。因而，需要一种改进的喇叭口风扇护罩以及设计和放置喇叭口风扇护罩的方法。
发明内容
在一些示例中，本发明描述了一种环绕具有多个风扇叶片的圆形风扇的风扇护罩，其中每个风扇叶片具有叶片深度，且其中圆形风扇具有风扇直径。风扇护罩可以包括适于接纳空气的入口，其中其横截面包括入口半径。风扇护罩可以包括适于排出空气的出口，其中其横截面包括约为风扇直径的10％的出口半径。入口和出口可以联接来形成风扇护罩。在一些示例中，入口半径可以为风扇直径的约10％。在一些示例中，风扇护罩可以包括约为风扇直径的20％的护罩深度。
在一些示例中，本发明描述了一种环绕具有多个风扇叶片的圆形风扇的风扇护罩，其中每个风扇叶片具有叶片深度，且其中圆形风扇具有风扇直径。风扇护罩可以包括适于接纳空气的入口，其中其横截面包括入口半径。风扇护罩可以包括适于排出空气的出口，其中其横截面包括约为风扇直径的7％的出口半径。入口和出口可以联接来形成风扇护罩。在一些示例中，入口半径可以为风扇直径的约4％。在一些示例中，风扇护罩可以包括约为风扇直径的11％的护罩深度。
在一些示例中，本发明描述了一种设计用于机器上风扇的风扇护罩的方法。示例方法可以包括：导出表示作为风扇的多个比直径函数的风扇声音、风扇气流和/或总效率的护罩横截面性能图；导出表示作为风扇的多个比直径函数的下游投影的最优风扇投影图；至少部分地基于护罩横截面性能图来选择用于风扇的风扇护罩的设计；以及至少部分地基于最优风扇投影图来确定风扇护罩相对于风扇的放置。
附图说明
图1是根据本发明的至少一个实施例的示例性双喇叭口护罩的横截面视图。
图2是根据本发明的至少一个实施例的图1的示例性双喇叭口护罩的一部分的横截面视图。
图3是根据本发明的至少一个实施例的另一示例性双喇叭口护罩的横截面视图。
图4是根据本发明的至少一个实施例的图3的示例性双喇叭口护罩的一部分的横截面视图。
图5根据本发明的至少一个实施例描绘了示例性最优风扇投影图。
具体实施方式
示例性风扇护罩可以安装在包括至少一个风扇(例如，冷却风扇、排气风扇)的任何机器上。应当注意的是，本文中所述的方法和系统可以适于许多种不同的机器。机器可以是诸如用于运输的卡车的“用于公路长途运输”的车辆，或者可以是任何其它类型的机器，该任何其它类型的机器执行与诸如采矿、建筑、农业、交通的产业或本领域中已知的任何其它产业相关联的一些类型的操作。例如，机器可以是越野卡车、运土机，诸如轮式装载机、挖掘机、翻斗卡车、反铲挖土机、自动平地机、材料输送机等。术语“机器”还可以指代类似发电机的固定设备，该发电机由内燃机驱动来发电。
应注意，附图仅是说明性的，并且它们没有按比例绘制。
图1是示出根据本发明的至少一个实施例的示例性风扇护罩110的横截面视图。图2是示出图1的示例性双喇叭口护罩的一部分的横截面视图。风扇护罩110可被安装在具有风扇叶片130的风扇周围和/或可环绕该风扇。风扇护罩110可联接至散热器120。风扇护罩110可通过散热器120接纳空气流160。以这种方式，风扇护罩110可将空气160引导在风扇周围和/或通过风扇。风扇可具有风扇直径150。
风扇护罩110可包括入口112和出口114。入口112可适于接纳空气流160，而出口114可适于将空气160排出。入口112的横截面可包括入口半径142。类似地，出口114的横截面可包括出口半径144。入口112和出口114可联接在一起。
取决于各种系统目标、考虑事项、要求和/或参数，诸如风扇噪声/声音、风扇气流、总效率以及机器上或机器内的可用空间，可设计示例风扇护罩。在一些示例中，入口半径142和出口半径144可设计成具有相对于风扇直径150的比值，以满足系统目标、考虑事项、要求和/或参数。在一些示例中，诸如在图1的示例中，出口半径144可为风扇直径150的约10％。类似地，在一些示例中，诸如在图1的示例中，入口半径142可为风扇直径150的约10％。
入口112和出口114可直接联接，以便在它们之间不具有护罩管道。在常规的风扇护罩中，入口和出口经由在它们之间的圆筒或护罩管道来联接。示例风扇护罩110包括入口112至出口114的直接联接。在图1和图2中，入口112与出口114用虚线划开。
示例风扇护罩110具有同样可以基于各种系统考虑事项、要求和/或参数来设计的护罩深度140。在一些示例中，诸如图1的示例，护罩深度140可为风扇直径150的约20％。
入口112和出口114大体上可成形为喇叭口形状。图1的横截面视图表现出各具有喇叭口形状的示例入口112和出口114。从空气流160的角度看，入口112可具有径向会聚的形状，而出口114可具有径向发散的形状。
风扇护罩110的入112可沿其入口半径142从可限定风扇护罩110的入口的入口端141延伸到在图1中所示的虚线处与出口114的内部界面或连接部143。入口112与出口114之间的内部界面或连接部143还可限定风扇护罩的内部直径。风扇护罩110的出口114可沿其出口半径144从内部界面或连接部143延伸到可限定风扇护罩110的出口的出口端145。风扇叶片130也可包括轴向宽度135，其中上游和下游风扇投影可分别限定为位于图1中所示的虚线处的内部界面或连接部143的上游和下游的风扇叶片130的轴向宽度135的一部分或百分比。
根据当前公开的实施例中的任何一个或多个，基于风扇护罩110的几何形状，除了提供本文所公开的相对流动、总效率以及比噪声中的任何一个或多个的风扇直径150、风扇叶片130的几何形状和轴向宽度135、流动系统100限制以及风扇125和护罩110的比直径(Ds)中的任一个或多个以外，风扇125还可包括风扇护罩110内多个下游和/或上游投影中的任何一个。特别地，在一个实施例中，在风扇护罩110内风扇125的投影或放置可至少部分地基于流动系统100的限制水平和风扇组件102的比直径。比直径可定义为风扇直径和流动系统限制的函数，并且随着风扇125操作来流动地引导或输送空气160，并产生从风扇125的上游通过流动系统100流入、通过并流出包括设置在其中的护罩110和风扇145的风扇组件102的气流，可至少部分地限定风扇125上的负载和/或压力。特别地，在一个示例中，在当前公开的风扇护罩110内的风扇125的放置或投影可由流动系统100限制和风扇组件102的比直径限定，并且风扇125的投影，以及根据本文所公开的任何实施例的风扇护罩110的入口半径142和出口半径144的轮廓、形状和大小可在函数上并且流体地互相作用，以提供本文所公开的相对流动、总效率及比噪声中的任何一个或多个，其中内部界面或连接部143下游的风扇叶片130的轴向宽度135的下游投影或百分比可一般随着比直径增加而增加。在一个实施例中，大体上介于百分之五(5％)与百分之六十五(65％)之间且在一个示例中介于百分之十(10％)与百分之三十(30％)之间的风扇叶片130的轴向宽度135可在大体上为1.6的比直径下投影在内部界面或连接部143的下游。此外，大体上介于百分之五十五(55％)与百分之九十五(95％)之间且在一个示例中大体上介于百分之六十(60％)与百分之九十(90％)之间的风扇叶片130的轴向宽度135可在大体上为1.9的比直径下投影在内部界面或连接部143的下游。
另外，在风扇护罩110内的风扇125的突出或放置可额外至少部分地基于通过风扇组件102且在风扇组件102下游的流体引导或输送的空气160的流动分布，其中除了如本文中公开的风扇组件102的前述变量、尺寸和特征中的任何一个或多个之外，空气160的流动分布还可由风扇直径150、风扇叶片130的轴向宽度135、风扇叶片130的几何形状和轮廓(如果有的话)中的任何一个或多个来限定。在一个实施例中，空气160的流动分布可由从风扇125的直径150轴向向外延伸并且在风扇护罩110下游的大致圆柱形流动分布以及风扇护罩110的出口114及其出口端145限定。在实施例中，其中空气160的流动分布包括大致圆柱形下游流动分布，大体上介于百分之五(5％)与百分之五十(50％)之间且在一个示例中介于百分之十(10％)与百分之二十(20％)之间的风扇叶片130的轴向宽度135可以在大体上为1.6的比直径下投影在内部界面或连接部143的下游。另外，大体上介于百分之五十五(55％)与百分之八十五(85％)之间且在一个示例中介于百分之六十(60％)与百分之七十(70％)之间的风扇叶片130的轴向宽度135可以在大体上为1.9的比直径下投影在内部界面或连接部143的下游。
在另一个实施例中，空气160的流动分布可由从风扇125的直径150轴向向外和径向向内延伸并且在风扇护罩110下游的大致圆锥形或截头圆锥形流动分布以及风扇护罩110的出口114和出口端145限定。在实施例中，其中空气160的流动分布包括大致圆锥形或截头圆锥形下游流动分布，大体上介于百分之五(5％)与百分之六十五(65％)之间且在一个示例中介于百分之二十(20％)与百分之四十(40％)之间的风扇叶片130的轴向宽度135可以在大体上为1.6的比直径下投影在内部界面或连接部143的下游。另外，大体上介于百分之七十五(75％)与百分之九十五(95％)之间且在一个示例中介于百分之八十(80％)与百分之九十(90％)之间的风扇叶片130的轴向宽度135可以在大体上为1.9的比直径下投影在内部界面或连接部143的下游。
本文中描述的投影百分比和比直径出于说明目的而被提供作为非限制性示例，且因此在不脱离本发明的精神和范围的情况下预期不同的投影百分比和比直径，本发明可提供如本文中描述的相对流动、总效率和比噪声中的任何一个或多个。
在一些示例中，风扇护罩110可提供在许多方面优于常规风扇护罩的改进性能。示例性能度量可包括相对流动、总效率和比噪声等。
相对流动通常被理解为在相同负载(或限制)下风扇护罩设计的流动系数比。换句话说，相对流动可以是在相同旋转速度和直径下的体积气流比。风扇护罩110可提供约1.07到约1.11的范围内的相对流动。
总效率指示针对给定系统限制和气流的功耗。总效率通常被理解为空气功率(即，体积流乘以总压力)与机械输入功率的比。风扇护罩110可提供约53％到约61％的范围内的总效率。
比噪声指示针对给定系统限制和气流的声发射总量。比噪声通常被理解为每单位气流(单位是立方米/每秒)和每单位总压力(单位是帕斯卡)的A加权声功率级。A加权声功率可通过将10log(气流)和20log(总压力)与比噪声相加而确定。风扇护罩110可提供约34.5dBA到约36.5dBA的范围内的比噪声。
图3是根据本发明的至少一个实施例的另一个示例风扇护罩310的横截面视图。图4是图3的示例性双喇叭口护罩的一部分的横截面示图。类似于图1和图2，风扇护罩310可被安装在具有风扇叶片330的风扇周围和/或可环绕该风扇。风扇护罩310可联接到散热器320。风扇护罩310可通过散热器320接纳空气360的流动。以这种方式，风扇护罩310可将空气360引导在风扇周围和/或通过风扇。风扇可具有风扇直径350。
风扇护罩310可包括入口312和出口314。入口312可适于接纳空气360的流动，而出口314可适于排出空气360。入口312的横截面可包括入口半径342。类似地，出口314的横截面可包括出口半径344。入口312和出口314可联接在一起。风扇护罩310的入口312可沿其入口半径342从可限定风扇护罩310的入口的入口端341延伸到在图3中所示的虚线处与出口314的内部界面或连接部343。入口312与出口314之间的内部界面或连接部343还可限定风扇护罩的内部直径。风扇护罩310的出口314可沿其出口半径344从内部界面或连接部343延伸到出口端345(其可限定风扇护罩310的出口)。
如前面所讨论的，取决于各种系统目标、考虑事项、要求和/或参数，诸如风扇噪声/声音、风扇气流、总效率以及机器上或机器内的可用空间，可设计示例风扇护罩。在一些示例中，入口半径342和出口半径344可设计成相对于风扇直径350具有比值，以满足系统目标、考虑事项、要求和/或参数。在一些示例中，诸如在图3的示例中，出口半径344可为风扇直径350的约7％。类似地，在一些示例中，诸如在图3的示例中，入口半径342可为风扇直径350的约4％。
入口312和出口314可彼此直接联接，而不需要在它们之间的护罩管道。在常规的风扇护罩中，入口和出口通过在它们之间的圆筒或护罩管道来联接。示例风扇护罩310可包括入口312和出口314。在图3和图4中，入口312使用虚线与出口314划开。
在一些示例中，风扇护罩310可以具有风扇直径350约11％的护罩深度340。
类似于图1和2，入口312和出口314可基本上成形为喇叭口形状。图3的横截面视图表现出各自具有喇叭口形状的示例入口312和出口314。从空气360流动的角度来看，入口312可具有径向会聚的形状，而出口314可具有径向发散的形状。
在一些示例中，风扇护罩310可提供在许多方面优于常规风扇护罩的改进性能。示例性能度量可包括相对流动、总效率和比噪声等。例如，风扇护罩310可提供在约1.06至约1.09范围内的相对流动。在一些示例中，风扇护罩310可以提供在约54％至约63％范围内的总效率。在一些示例中，风扇护罩310可提供在约38dBA到约40dBA范围内的比噪声。
图5是根据本发明至少一个实施例设计用于机器上风扇的风扇护罩的示例方法。示例方法可以包括：导出表示作为风扇的多个比直径函数的风扇声音、风扇气流，和/或总效率的护罩横截面性能图。示例方法可以通过导出表示作为风扇的多个比直径函数的下游投影的最优风扇投影图(诸如图5所示)。示例方法也可以包括至少部分地基于护罩的横截面性能图，来为风扇选择风扇护罩的设计。示例方法还可以包括至少部分地基于最优风扇投影图来确定风扇护罩相对于风扇的放置。
在一些示例中，导出护罩的横截面性能图可包括对于风扇的多个比直径中的每一个，测试风扇声音、风扇气流，和/或总效率。测试可以包括手动人工测试、计算机辅助测试和/或计算机模拟测试。导出护罩的横截面性能图还可以包括记录对于风扇的多个比直径的风扇声音和/或风扇气流的测试值。导出护罩的横截面性能图可以进一步包括记录对于风扇的多个比直径的总效率的计算值。导出护罩的横截面性能图还可以包括至少部分地基于测试值和/或计算值来生成护罩的横截面性能图。
在一些示例中，导出最优风扇投影图可以包括至少部分地基于测量的机器比直径，生成基线机器比直径曲线。导出最优风扇投影图还可以包括通过计算比直径Ds来生成第一比直径曲线，其中
Df是以米为单位的风扇直径，Pt是以帕斯卡为单位的风扇总压升，以及Q是以每秒立方米为单位的风扇流速。导出最优风扇投影图还可以包括至少部分地基于相对于比直径曲线的下游投影，设定风扇投影。导出最优风扇投影图可以进一步包括测试关于预期所需的风扇投影的多个不同的风扇投影。风扇护罩的性能参数可以作为下游投影的函数来查看，以确认风扇护罩的放置。
工业实用性
本发明一般适用于各种机器(例如，履带式拖拉机、滑移装载机)以及在这种机器内或机器上操作的风扇。风扇护罩可以将气流从风扇的高压侧返流到低压侧，可以减少进出风扇叶片的气流进入和退出损失，并可减少风扇叶梢附近的气流分离和涡流。在一些示例中，风扇护罩设计可具有这样的护罩横截面，其可以平衡输入功率、声音功率和流动权衡，降低在机器上的空间要求。
风扇护罩设计人员可能需要更高性能的气流系统，以满足特定机器实施方式的声音、气流和效率目标。许多常规的设计体积庞大，并且往往不适合冷却包装的空间要求。在一些示例中，双喇叭口风扇护罩可以改进常规风扇护罩的性能，同时使用减少56％的横截面宽度。
风扇护罩设计人员也可发现难以将常规风扇护罩适应机器上所需的可用空间。因此，他们希望对风扇护罩几何形状折衷，使其在机器上适应。在没有用于各种风扇护罩设计的任何经验性能权衡信息的情况下，这很难达成。在一些示例中，护罩横截面性能图可以凭经验得出，其识别出权衡和高性能的横截面。以这种方式，相对“高性能”的风扇护罩横截面及其相对性能可以相对常规横截面进行基准测试。
风扇护罩设计人员还可发现，风扇投影可以是护罩性能的重要方面。在一些示例中，最优护罩投影图可以在很宽的比直径范围内导出，以反映特定机器的产品线。
风扇护罩设计人员还可希望知道风扇护罩设计的哪些几何特征(例如，入口/出口半径和/或管道长度)应改变来限制性能下降。在一些示例中，可以将常规管道从常规风扇护罩的横截面去除而不会有任何性能损失。在一些示例中，入口半径可以改成高达风扇直径的4％。此外，出口半径可以显著影响声音、气流，和/或效率性能。在一些示例中，保持至少7％的出口半径可以提供平衡的设计。
应当理解，上述说明提供了公开系统和技术的示例。然而应该预料到，本发明的其它实施方式可以与前述示例在细节上有所不同。对本发明或其示例的所有引用旨在提及当时正讨论的特定示例，并不旨在暗示在更广层面对本发明范围进行任何限制。相对于某些特征的区分和贬低的所有语句旨在表明对于那些特征缺乏偏好，而非将此类特征完全从本发明的范围内排除，除非另外指明。
除非本文另外指明，否则本文数值范围的表述仅旨在作为引用落在该范围内每个单独数值的缩略方法，并且每个单独数值都包含在本说明书内，正如其在本文中单独引用一样。本文中所述的所有方法可以以任何合适的顺序进行，除非本文另外指明或因与上下文明显矛盾而另外规定。

Claims (20)

1.一种风扇护罩(110)，其环绕具有多个风扇叶片(130)的圆形风扇(125)，每个风扇叶片(130)具有叶片深度，所述圆形风扇(125)具有风扇直径(150)，所述风扇护罩(110)包括：
适于接纳空气(160)的入口(112)，所述入口(112)的横截面具有入口半径(142)；以及
适于排出所述空气(160)的出口(114)，所述出口(114)的横截面具有约为风扇直径(150)10％的出口半径(144)，所述出口(114)联接到所述入口(112)以形成所述风扇护罩(110)。
2.根据权利要求1所述的风扇护罩(110)，其中所述入口半径(142)是所述风扇直径(150)的约10％。
3.根据权利要求1所述的风扇护罩(110)，
其中所述风扇护罩(110)的横截面包括护罩深度(140)；并且
其中所述护罩深度(140)是所述风扇直径(150)的约20％。
4.根据权利要求1所述的风扇护罩(110)，其中所述入口(112)和所述出口(114)彼此直接联接，而不需要所述入口(112)和所述出口(114)之间的护罩管道。
5.根据权利要求1所述的风扇护罩(110)，其中所述入口(112)和所述出口(114)各自基本上呈喇叭口形状。
6.根据权利要求1所述的风扇护罩(110)，其中所述风扇护罩(110)提供约34.5dBA至约36.5dBA范围内的比噪声。
7.根据权利要求1所述的风扇护罩(110)，其中所述风扇护罩(110)提供约53％至约61％范围内的总效率。
8.一种风扇护罩(110)，其环绕具有多个风扇叶片(130)的圆形风扇(125)，每个风扇叶片(130)具有叶片深度，所述圆形风扇(125)具有风扇直径(150)，所述风扇护罩(110)包括：
适于接纳空气(160)的入口(112)，所述入口(112)的横截面具有入口半径(142)；以及
适于排出所述空气(160)的出口(114)，所述出口(114)的横截面具有约为风扇直径(150)7％的出口半径(144)，所述出口(114)联接到所述入口(112)以形成所述风扇护罩(110)。
9.根据权利要求8所述的风扇护罩(110)，其中所述入口半径(142)是所述风扇直径(150)的约4％。
10.根据权利要求8所述的风扇护罩(110)，
其中所述风扇护罩(110)的横截面包括护罩深度(140)；以及
其中所述护罩深度(140)是所述风扇直径(150)的约11％。
11.根据权利要求8所述的风扇护罩(110)，其中所述入口(112)和所述出口(114)彼此直接联接，而不需要所述入口(112)和所述出口(114)之间的管道。
12.根据权利要求8所述的风扇护罩(110)，其中所述入口(112)和所述出口(114)各自基本上呈喇叭口形状。
13.根据权利要求8所述的风扇护罩(110)，其中所述风扇护罩(110)提供约38dBA至约40dBA的比噪声。
14.根据权利要求8所述的风扇护罩(110)，其中所述风扇护罩(110)提供约54％至约63％范围内的总效率。
15.一种风扇护罩(110)，其环绕具有多个风扇叶片(130)的圆形风扇(125)，每个风扇叶片(130)具有叶片深度，所述圆形风扇(125)具有风扇直径(150)，所述风扇护罩(110)包括：
适于接纳空气(160)的入口(112)，该入口(112)的横截面具有入口半径(142)；以及
适于排出所述空气(160)的出口(114)，所述出口(114)的横截面具有约为风扇直径(150)7％至10％的出口半径(144)，所述出口(114)直接联接到所述入口(112)；
其中所述风扇护罩(110)提供约34.5dBA至约40dBA的比噪声；
其中所述风扇护罩(110)提供约53％至约63％的总效率；以及
其中所述风扇护罩(110)在1.6的比直径下提供约5％至65％的下游投影。
16.根据权利要求15所述的风扇护罩(110)，其中所述风扇护罩(110)在1.6的比直径下提供约10％至30％的下游投影。
17.根据权利要求15所述的风扇护罩(110)，其中所述风扇护罩(110)在1.9的比直径下提供约55％至95％的下游投影。
18.根据权利要求17所述的风扇护罩(110)，其中所述风扇护罩(110)在1.9的比直径下提供约60％至90％的下游投影。
19.一种陆基建筑机械，包括：
圆形风扇(125)，其配置成在朝向机械和远离机械的至少一个方向上移动空气(160)，所述圆形风扇(125)具有风扇直径(150)并具有多个风扇叶片(130)，每个风扇叶片(130)具有叶片深度；
风扇护罩(110)，其环绕所述圆形风扇(125)，所述风扇护罩(110)包括：
适于接纳所述空气(160)的入口(112)，所述入口(112)的横截面具有入口半径(142)；以及
适于排出所述空气(160)的出口(114)，所述出口(114)的横截面具有约为风扇直径(150)的7％至10％范围内的出口半径(144)，所述出口(114)可以直接联接到所述入口(112)。
20.根据权利要求19所述的机器，其中所述机器包括越野卡车、运土机、轮式装载机、挖掘机、翻斗卡车、反铲挖土机、自动平地机，以及材料输送机中的至少一种。
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