CN1066247C - 高效低噪音轴流风扇组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于产生一流过一热交换器的气流的高效风扇和定子结构。该风扇电动机驱动绕其旋转轴线旋转，并包括8个从轮毂起沿径向伸展到一圆环形连接带的扇叶。每个扇叶具有一前角和根据扇叶的跨度变化的弦长。每个扇叶还包括一尾缘，该尾缘具有一沿该尾缘伸展的平面。每个扇叶的该平面都与一垂直于该旋转轴线的平面重合。当该风扇绕其旋转轴线旋转时，该风扇产生一气流，其中该气流的一分量相对该旋转轴线形成一第一夹角。该风扇支承件具有一中心轴承支承和20个从该轴承支承沿径向向外伸展的细长翼形件。

Description

高效低噪音轴流风扇组件
发明的领域
本发明概括地说涉及用于产生穿过汽车热交换器的冷却气流的气流发生器。具体地说本发明涉及一种具有改进的叶片结构的轴流风扇，该叶片结构与风扇马达支承件和一上游或下游热交换器结合时可改善风扇的效率并降低噪音。
本发明的技术背景
在最近20年间，前轮驱动的汽车的受欢迎程度与日俱增，并风行到所出售的新车的绝大部分都是前轮驱动的程度。至今大家都知道前轮驱动的车辆的传动系及发动机的最有效布置之一是将该传动系和发动机布置在车辆的前部，使发动机曲轴的轴线大致平行于该车辆的前部并垂直于该散热器冷却风扇的旋转轴线。然而，这种布置使该风扇不再如后轮驱动的车辆那样能直接由发动机通过机械连接而驱动了。更具体地，后轮驱动的车辆典型地是沿发动机曲轴的纵向轴线支承该发动机并与该车辆的前部垂直，与该散热器的冷却风扇的旋转轴线平行。
因此，前轮驱动车辆通常用一电动机使该散热器的冷却风扇旋转。这些电动机由车辆蓄电池，交流发电机提供电能，并在发动机工作期间(即交流发电机给蓄电池充电时)或在许多场合在发动机已关闭停车后工作。因此，为了保持蓄电池寿命，减少动力消耗并防止偶然事故造成的蓄电池放电，重要的是使为这种用途而设计的风扇对于施加电动机上的一定能量可产生用于冷却该散热器的最大气流。除保存能之外，提供一种在工作期间很安静的散热器风扇也是很重要的。
为了减小风扇产生的噪音并使空气更有效地流动，已提出了各种罩，风扇及风扇支承件的设计以用于冷却散热器及发动机。这种设计中有相对带圆筒形环的散热器固定的罩组件(风扇在该圆筒形环内旋转)、有包带的风扇、圆筒形环和风扇包带的复合件(这种复合件可配合改善风扇的性能)，及风扇电机支承翼；这些支承翼利用风扇及John Wiley&Sons公司的Wallis，R.Allen于1983年发表的论文(以后称论文)“轴向流风扇及管”第231-241页中所述的那种类型的定子结构改变空气流动。
一般说来，该论文公开了一种定子设计(即散热器风扇支承件)，该定子采用带有例如美国专利NO.4548548中所述的那种叶片形的电风扇马达支承件。如该论文所述“对某些支承件和/或转子驱动系统的空气动力学影响的不充分考虑常常导致产生许多工作问题。例如电动机常常装在一跨过管道的台板上，同时配装一个或多个径向刚性板。这些板有限板列被错误认为有平滑气流作用。然而每个板的前缘处的气流分离，将降低风扇效率并产生各种下游流动问题。”(论文第37页)。
美国专利US4548548给出了一种定子翼形件和扇叶的结构，这种结构使由该风扇的扇叶产生的气流被设计得便于流到该翼形件的空气导流面上，并由该导流板以相应于该流入角的角反射流出。
除了利用不同的定子支承件设计外，诸如美国专利US4548548中所提示的那种设计。还作出各种努力去修改扇叶的设计，以降低噪音并增加效率。然而，当扇叶与翼形件形的定子支承件结合使用时仍要求对扇叶的设计进行改进，从而使空气流过散热器，同时改善其效率并降低噪音，这一问题就是技术问题。本发明的重点就是强调改善一气流发生器产生的气流的效率并降低其噪音这样的技术问题。
根据本发明，提供一种用于产生一流过热交换器的气流发生器，其包括：
一个可绕一旋转轴线旋转的风扇，所述风扇包括一组径向伸展的扇叶，该些扇叶的结构便于在所述风扇绕所述旋转轴线旋转时产生一气流；一风扇支承件包括一中心支承，所述风扇可旋转地支承于该中心支承处，并且一组细长的翼形件从所述中心支承起沿径向向外伸展，每个翼形件包括一个带有一前缘和一处于该前缘下游的尾缘的曲线形气流导流板，其特征在于：
所述导流面的前缘大致以第一夹角倾斜，所述第一夹角是所述导流面在其前缘处的切线与所述风扇的旋转轴之间的夹角，所述导流面的尾缘以第二夹角倾斜，所述第二夹角是所述导流面在尾缘处的切线与所述风扇的旋转轴线之间的夹角，其中所述第二夹角小于所述第一夹角，所述扇叶和所述翼形件相结合以提供一种能量利用效率很高的气流。
最好是每个所述的扇叶具有一沿扇叶长度变化的前角和一沿扇叶长度变化的弦长，该前角的最小值处于从该轮毂起小于该扇叶的长度的一第一预定距离处，该弦长的最大值处于从该轮毂起小于该扇叶的长度的一第二预定距离处，其中当所述风扇以所述预定转速绕所述转轴转动时，所述气扇产生该气流分量，该气流分量相对该旋转轴线形成所述第一夹角。
附图的简要说明
图1是一个包括一气流发生器和热交换器的热交换器组件的局部顶视图；
图2是该包括一风扇支承件的气流发生器的侧视图；
图3是该风扇支承件的后视图；
图4是沿图3中4-4线剖取的定子导流板的剖视图；
图5是该风扇的透视图；
图6是该风扇的前视图；
图7是沿图6中7-7线剖取的风扇剖视图；
图8是该风扇的后视图；
图9是表示一风扇叶片的取向示意图。
优选实施例的详细说明
参见图1，一热交换器组件10包括一热交换器12和一气流发生器14。气流发生器14包括一风扇16和一风扇支承件18。通常，该热交换器12可是车辆的散热器，冷凝器，中冷器或其组合，它们都是于空气-液体型热交换。当风扇16绕其转轴20旋转时，沿图中箭头标出的“车辆前部”方向相反的方向产生一气流。这一气流用于从流过热交换器12的液体(防冻液)中带走热量。在图1所示实施例中，该风扇处于热交换器12的上游。然而根据采用热交换器组件10的车辆的设计方案不同，支承件18和风扇16也可安装得便于使气流经抽吸流过而不是经推压流过热交换器12。
参见图2和3详细示出了气流发生器14的风扇16和风扇支承件18的结构形状。具体地说，风扇16包括八个径向伸展的扇叶22，该些扇叶的结构为便于在该风扇16绕旋转轴线20旋转时产生气流的结构。该气流包括平行于轴线20及相对该轴线成一角度的各分量。具体地说，该气流分量相对该旋转轴线20的夹角的变化范围处于90°和0°之间。通常，风扇16由一轴24及一电动机26的轴承组件支承并可旋转。在优选实施例中，风扇16直接装于风扇电机26的轴上。然而，风扇16也可装在一根与电动机26的轴24无关的轴上，并通过一适合的传动装置(诸如一皮带，链条或直接连接驱动装置)由该电动机26供给能量。
风扇支承件18包括一中心轴承或电动机支承件28及20个细长的翼形件30，该些翼形件30比扇叶22稍长一点并在电动机支承件28和外周环32之间伸展。具体地参照图2所示，该环32可包括一外周凸缘34和一外周支承凸缘36。该凸缘34与风扇16的外周环38配合，从而使风扇支承件18和风扇16之间的不希望的气流分量(即再循环)减小或消除。风扇16绕旋转轴线20旋转以致外周环(带)32和38相互同心。凸缘36为便于将风扇支承件18固定到热交换器12上而提供地方。
现在转而参见图4，其是沿图3中4-4线剖取的定子翼形件30的剖视图，该导风挡30为曲线形的并具有圆的前缘40和一后缘42。在优选实施例中，在前缘40处的导流面的切线44的正切角为气流的方向和旋转轴线20之间的夹角46。对该实施例的风扇16来说，该角度大约为30°。然而，依据使用场合不同，该角46可处于15～45°之间。在尾缘42处的翼形件30的导流面的切线47相对轴线20成一比角度46小的角度。在该实施例的翼形件30来说，该角度处于0～45°范围内，依赖角度46而定。然而，当空气约束不存在问题时，该尾缘42可伸展到缘48处，所以在尾缘42处翼形件30的导向面的切线50相对旋转轴线20的角度为大约0°，该轴线20为理想的气流方向的流动轨迹。
转过来参见翼形件30的剖面图所示示例，该翼形件30具有一恒定的厚度并且形状为由半径R1和R2限定而成的圆弧形，其中R1和R2之间的差值即为该翼形件30的厚度。
如上所述，该实施例的气流发生器14包括一个具有一直接支承风扇16的轴的电动机。因此，导电体52用于将电能供给电动机26。为了减小由气流发生器14产生的噪音，如图3中局部示出的那样，空气动力学盖30A可是C形的，用于盖住导电体52的上游侧。这种结构的翼形件30A可减小如果没有气流挡盖时可能由导电体52引起的湍流。
参见图5～8，除L形外周环38和扇叶22之外，风扇16还包括一轮毂54。具体地参见图8，轮毂54包括成对的且大致处于扇叶22的前后缘58、60附近的加强梁。扇叶22从轮毂54伸展到环38，扇叶的这一伸展距离称为叶长。使风扇16旋转所需的扭矩从轮毂传递到扇叶22和环38。各梁56为该风扇提供刚性，这就可帮助减小风扇16的振动频率。这种振动频率在风扇16工作期间可增加意外的噪音。只为了作为示例，风扇16可由20％的G.F.Hydex4320的聚碳酸脂或矿化和玻璃加强的聚酰胺616(即杜邦公司的Minlon22C)制成的整体注模件制成。
参见图9，该图示出了扇叶22的角度及相关部分，参见示意性剖面图。具体地说，缘58为前缘，缘60为尾缘。扇叶的剖视图是相对旋转轴线20及平行于该轴线20的理想气流方向而示出的。扇叶的弦长C从前58伸展到尾缘60，并且前伸角62为旋转轴线20和从前缘58伸展到尾缘60的连线64之间的夹角。
现在参见图6和8，各扇叶22相对轮毂54最好是等间距设置的。各扇叶22具有可变的前角，弦长和横截面形状与面积。具体地说，该前角从轮毂处的70°变化至从轮毂起至扇叶长度的20％和70％之间(最好是30％)处的最小值50°。转过来看看可变弦长度，每个扇叶的最大弦长度大约为扇叶22的长度的44％，该长度为该扇叶的20％和70％之间(例如最好是40％)的距离。轮毂处的弦长大约为扇叶的长度的30％，环38处的弦长大约为扇叶22的长度的30％。
参见图7和8，每个扇叶22包括一尾缘60，该尾缘60具有一与垂直于风扇16的旋转轴线的平面72重合的平面70。该平面70与翼形件30的前缘相配合，从而在风扇16与风扇支承件18配合工作时，可改善其性能并降低噪音。最好，平面70沿扇叶22的尾缘60延伸超过该尾缘60的50％。
仅仅是为了作为示例说明可看出，风扇16的八个扇叶22投影于一垂直于旋转轴线20的平面上的面积与各翼形件投影于同一平面上的面积之比大约为3。此外，环32与一罩相连，该罩与该环32一起在热交换器12和风扇16之间构成基本上封闭的气流通道。此外，如风扇16一样，风扇支承件18也是由20％的G.F.Hydex4320的聚碳酸脂或等价物或矿化和玻璃加强的聚酰胺6/6(即杜邦公司的Minlon22C)制成的整体注塑件制成。
再转过来看看扇叶22的具体结构，这些扇叶可具有C4厚度的形状，该形状具有一圆弧线，另外还带有基于一NACA230弧形的鼻形弧拱。这种形式的翼形件的截面可根据Wallace，R.Allen算出的“轴流风扇和管道的翼形件截面数据”第425～429页中(John wily&Sons公司1983年发表)所列出的数据算出。更具体地说，每个扇叶具有大约八个从轮毂54伸展至轮缘38的不同C4的截面形状。为了使这些截面形状弯曲形成从轮毂54到轮缘38的扇叶，可利用仿形内插函数。当然，依据所要求的精度不同，各扇叶22也可采用8个以上的不同截面或翼形件结构。另外，每个扇叶相对从轴线20径向伸展的一直线偏置，所以从扇叶22的前缘到该些径向延伸线的距离大约为扇叶22的总弦长的5～35％。这种结构可改善风扇效率并降低噪音。具体地，按这种方式使扇叶22相对相关的径向伸展直线定位就可优化扇叶22相应的低压峰值相对高压峰值的位置。
应懂得上述说明是说本发明的优选示意性实施例，但本发明并不仅限于所示的及所说明的具体形式。例如，L形轮缘38与轮缘32的L形部分相配合以减小风扇16和风扇支承件18之间的再循环。然而，这种L形结构可用其它为了减小这种循环的结构代替。借助于另一示例，该风扇可连接到电动机壳体上，此处该电动机轴可固定到支承件28上。因此，该风扇可与电机壳体而不是电机轴一起旋转。在不脱离由所附的权利要求所表示的本发明的范围下，可在优选实施例的设计和布置方面作出其它的替换，修改，变型及删节。

Claims (14)

1．一种用于产生一流过一热交换器(12)的气流的气流发生器(14)，其包括：
一个可绕一旋转轴线(20)旋转的风扇(16)，所述风扇(16)包括一组径向伸展的扇叶(22)，该些扇叶构成得便于在所述风扇(16)绕所述旋转轴线旋转时产生一气流；一风扇支承件(18)包括一中心支承件(28)，所述风扇可旋转地支承于所述中心支承件上并且一组细长的翼形件(30)从所述中心支承件(28)起径向向外伸展，每个翼形件(30)包括一个带有一前缘(40)和一处于该前缘(40)下游的尾缘(42)的曲线形气流导流面，其特征在于：
所述导流面的所述前缘大致以第一夹角(46)倾斜，所述第一夹角为所述导流面在前缘(40)处的切线与所述风扇(16)的旋转轴(20)之间的夹角，所述导流面的尾缘(42)以第二夹角倾斜，所述第二夹角是所述导流面在尾缘(42)处的切线与所述风扇(16)的旋转轴线(20)之间的夹角，所述第二夹角小于所述第一夹角，其中所述扇叶(22)是这样构成和布置的，即在使用中当以一预定速度转动时，该气流的主要部分以相对该旋转轴线(20)形成的所述第一夹角从所述风扇(16)朝所述翼形件(30)流出，并借助于所述导流面的使用，使所述气流以相对所述旋转轴线(20)形成的所述第二夹角流出所述翼形件的所述尾缘，从而所述风扇和所述翼形件相结合提供了能量利用效率十分高的气流。
2．如权利要求1所述的气流发生器(14)，其特征在于：所述扇叶(22)的截面形状沿所述扇叶(22)的长度变化。
3．如权利要求2所述气流发生器(14)，其特征在于：每个所述的扇叶(22)具有一沿扇叶长度变化的前角(62)和一沿扇叶长度变化的弦长，该前角的最值处于从该轮毂(54)起小于该扇叶(22)的长度的一第一预定距离处，该弦长的最大值处于从该轮毂(54)起小于该扇叶(22)的长度的一第二预定距离处，其中当所述风扇(16)以所述预定转速绕所述转轴(20)转动时，所述气扇产生该气流分量，该气流分量相对该旋转轴线(20)形成所述第一夹角。
4．如权利要求1所述气流发生器(14)，其特征在于，该曲线形导流面为大致圆弧形的并且各翼形件的厚度基本上不随圆弧变化。
5．如权利要求1所述气流发生器(14)，其特征在于：所述导流面的尾缘(42)这样延伸，即所述导流面在其尾缘(42)处的切线(50)大致平行于所述旋转轴。
6．如权利要求1所述气流发生器(14)，其特征在于：各翼形件稍长于各扇叶，并且各翼形件的长度基本上相同。
7．如权利要求1所述气流发生器(14)，其特征在于：该风扇具有8个扇叶，并且该风扇支承件具有20个翼形件。
8．如权利要求1所述气流发生器(14)，其特征在于：各扇叶投影于一垂直于该旋转轴线的平面上的面积与各翼形件投影于该平面上的面积之比为大约3。
9．如权利要求1所述气流发生器(14)，其特征在于：还包括一电动机，该电动机包括一轴承组件和轴，其中该轴连接到该风扇上，而该轴承组件连接到该中心支承件上。
10．如权利要求9所述气流发生器(14)，其特征在于：该电动机从至少一个导电体供给电能，并设有一个包括至少一个盖住该导电体的上游侧的空气动力学形表面的支承件。
11．如权利要求1所述气流发生器(14)，其特征在于：每个扇叶(22)的所述尾缘具有一延伸过该尾缘的至少50％的平面，每个扇叶的平面与一垂直于该旋转轴线的平面重合。
12．如权利要求3所述气流发生器(14)，其特征在于：各扇叶(22)相对该轮毂等间距地设置，并且该第一和第二预定距离为该扇叶长度的20％和70％之间的值。
13．如权利要求1所述气流发生器(14)，其特征在于：所述风扇具有一第一圆环形连接带，该连接带的截面沿通过该旋转轴线的平面剖取为L形的，所述扇叶从该轮毂伸展到该第一圆环形连接带。
14．如权利要求13所述气流发生器(14)，其特征在于：该风扇支承体包括一个连接到各翼形件上并同心地处于所述第一圆环形连接带的外面的第二圆环形连接带。
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