CN108350902A - 用于计算轴流式风扇的叶片之间的角间距的方法 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于计算轴流式风扇(1)的角间距的方法，所述轴流式风扇(1)包括叶毂(2)和从该叶毂延伸出来的z个叶片(3)，其中，各个叶片的角位置表示为α₁,…,α_z(假设α₁＝0)，并且各个叶片之间的角度差表示为ε_i＝α_i+1‑α_i,i＝1,…,z‑1,ε_z＝360°‑α_z，所述方法包括建立包括多个数学问题的计算系统的步骤，其中每一个数学问题都是角间距必须满足的约束的表达式；所述计算系统包括：要求风扇(1)静态平衡的第一数学问题、要求相邻的叶片(3)不重叠的第二数学问题以及要求角度差ε₁,…,ε_n全部都彼此不同的第三数学问题。

Description

用于计算轴流式风扇的叶片之间的角间距的方法

技术领域

本发明涉及用于计算角间距的方法，特别是用于计算轴流风扇或轴流式风扇的叶片之间的角间距的方法或用于设计该角间距的方法。

背景技术

所研究的轴流式风扇是被设计用于汽车应用的轴流式风扇，特别是通常与合适的热交换器(例如，散热器)结合用于发动机冷系统的轴流式风扇。

这种类型的风扇必须满足若干要求，包括效率高、尺寸紧凑，特别是轴向上的尺寸紧凑、能够实现良好的扬程(压力)和流速值以及噪声低。

用于轴流式风扇的叶片之间的角间距的技术随着时间在发展。

理论上，风扇的实施方式实际上具有无限种方案，通过在复杂的方程组中施加适当的约束条件，这无限种方案被减小；例如，必须总是遵守风扇是平衡的情况的一个约束条件。

以与本发明相同的申请人的名义的专利EP0553598B示出了装有叶片的风扇，其中叶片以等角度间隔开。根据该专利制造的风扇具有良好的效率以及较低的声级值，然而噪声的声音分布可能证明对人类听觉产生干扰。

实际上，在叶片以等距角间隔开的情况下，会出现一系列谐波的共振现象，该一系列谐波的频率与叶片通过频率的整数倍数对应。该频率对应于风扇每秒的转数与叶片数量的乘积。这些共振现象造成可能证明对人类听力产生干扰的杂音。

尽管噪声引起的不适感觉主要是主观问题，但是实质上存在两个因素影响声音干扰：声压级，即，噪声的强度；以及噪声的音调分布。因此，如果噪声的音调分布将其与背景噪声区分开来，则即使强度较小的噪声也可能是烦人的；例如，当音调比噪声的基础级别(宽带)至少大6dB时，该音调被认为是烦人的。

为了克服这一缺点，已经提出了具有以不相等的角度间隔开的叶片的风扇，同时还避免了由影响气流的气动不连续性的存在确定的音调；在以相同申请人的名义的专利EP0945625中描述了这样的风扇的例子。

通过计算不同频率(总噪声)下的声强值的积分，在以不相等的角度间隔开的叶片的情况下产生的噪声大致等于以相等的角度间隔开的叶片情况下的噪声。然而，噪声的不同音调分布使得改善了声学舒适性。

偏置叶片的逻辑已经发展成完善的逻辑，其转化成对应的约束条件，该约束条件越来越多地旨在基于声音发射频谱改善感受到的噪声。

然而，感受到的噪声中存在在频谱中不可见并引起不愉快的感觉的类型。

恰恰相反，有些风扇具有可接受或良好的频谱，但是在使用中传递不愉快的感觉。

在这种情况下，本发明的主要目的是提供过一种克服了上述缺点的用于计算角间距的方法。

发明内容

本发明的目的是提供过一种用于计算轴流式风扇的角间距的方法，该方法转化成在噪声方面、特别是在感受的噪声方面得到改进的风扇类型的实现方式，从而使旋转中产生的噪声尽可能地舒适。

通过根据权利要求1的计算方法本质上实现了所指出的技术目的和所指定的目标。

附图说明

在下面参照用于计算附图所示类型的轴流式风扇的叶片之间的角间距的方法的优选的非限制性实施方式的详细描述中，本发明的另外的特征和优点更加清楚，在附图中：

图1示出了使用根据本发明的方法计算得到的轴流式风扇的示意性平面图；

图2示出了使用根据本发明的方法计算得到的轴流式风扇的第二实施方式的示意性平面图。

具体实施方式

参照附图，数字1表示轴流式风扇，下面针对该轴流式风扇提供了用于描述根据本发明的方法的术语的简短定义。

叶片间距角α是在旋转中心处测得的、在每个叶片的对应点(例如，叶片的端部的边缘)处通过的射线之间的角度；每个间距角α对应于角位置，其中为了方便，α₁＝0。

图1中以举例的方式示出的风扇1包括叶毂2，从该叶毂2延伸出五个叶片3，而图2的风扇包括11个叶片；风扇1的叶片3的数量在下面标记为“z”。

每个叶片3具有根部4和顶部或端部5，并且由一系列的空气动力学轮廓形成，理论上对于叶片的每个径向截面有一个空气动力学轮廓，该一系列空气动力学轮廓从根部4开始逐渐接合在端部5。

各个叶片之间的角度差表示为：

ε_i＝α_i+1-α_i,i＝1,…,z-1,ε_z＝360°-α_z

用于计算角间距的方法包括建立包括多个数学问题的系统的步骤，每一个数学问题都是角间距必须满足的约束或条件的表达式。

在优选的实施方式中，该系统包括要求风扇1静态平衡的第一数学问题

在具有五个叶片的风扇1的图1的例子的情况下：

考虑到α₁＝0，得到

用角度差替换问题的未知数得到下述三个方程：

即，具有五个未知数和两个自由度的三个方程的系统；通常，对于具有z个叶片的风扇，从具有z个未知数的三个方程的平衡条件中得到系统，即，具有z-3个自由度的系统。

通过计算角位置来得到该系统的解。

在计算过程中建立的系统包括要求相邻的叶片不重叠的第二数学问题。

将考虑到叶片3的“角度延伸”的角度δ引入叶毂2中，以使叶片不重叠，需要：

ε_i≥δ i＝1,...,z

在具有五个叶片3的风扇1的例子的情况下，可以写成：

ε₁≥δ ε₂≥δ ε₃≥δ ε₄≥δ ε₅≥δ

这种情况允许由塑性材料模制风扇，因为叶片3的不重叠允许打开模具，否则这是有问题的。

在根据本发明的计算方法中，计算系统包括要求叶片3之间的角度差ε₁,…,ε_n全部都彼此不同的第三数学问题。

通过这种方式，在使用中，消除了在存在以相同角度间隔开的若干对叶片的情况下将会出现的效果。

在该情况下，会有两个系统在低频下产生相同的谐波含量，即，具有相同谐波含量的声压波形。申请人已经观察到，这些情况导致所谓的“喀啦噪音”，该噪声是频谱中看不见的、引起不愉快的感觉的感受到的噪声的例子，但是通过施加叶片之间全部彼此不同的角度差，该噪声被消除。

在优选的实施方式中，为了没有具有等角度差的叶片对，规定了下述条件：

|ε_i-ε_j|≥λ° i≠j,i＝1,...,z,j＝1,...,z,λ>0

在一种实施方式中，例如λ＝2。

在具有五个叶片3的风扇1的例子的情况下，例如考虑λ＝2，可以写成：

|ε₁-ε₂|≥2° |ε₁-ε₃|≥2° |ε₁-ε₄|≥2° |ε₁-ε₅|≥2°

|ε₂-ε₃|≥2° |ε₂-ε₄|≥2° |ε₂-ε₅|≥2°

|ε₃-ε₄|≥2° |ε₃-ε₅|≥2° |ε₄-ε₅|≥2°

在根据本发明的计算过程中，计算系统包括要求不存在偏移180°的叶片的第四数学问题，即：

α_i-α_j≠180° i>j,i＝1,...,z,j＝1,...,z。

有利地，这种情况避免了由于其中安装风扇1的应用的对称性原因而同时产生相同的噪声，也就是说，使得没有同时产生相同噪声的两个叶片，一定不能有会遇到形状相同的线状空气的沿直径方向相对的叶片。

因此，根据本发明的方法检查了所有上述条件，并且对于找到的每一个方案，评价了如下定义的目标函数f(ε_i)：

f(ε_i)＝(ε₁-ε₂)²+(ε₁-ε₃)²+(ε₁-ε₄)²+(ε₁-ε₅)²+

+(ε₂-ε₃)²+(ε₂-ε₄)²+(ε₂-ε₅)²+(ε₃-ε₄)²+(ε₃-ε₅)²+(ε₄-ε₅)²

通常，目标函数可以如下表示：

计算方法包括使上述目标函数最大化，以使角度差尽可能地彼此不同。

在优选的实施方式中，一旦计算出角度差ε，通过已知方式确定叶片的几何形状，对于根据所计算出的角度偏置的所有叶片3，该几何形状都相同。

在实际中，例如图1中所示，得到风扇1，其中相同的叶片3彼此偏移所计算出的角度。

在另一种优选的实施方式中，如图2所示，叶片3各自产生有与其他叶片不同的所谓的“边缘弯曲”。

实际上，叶片3被产生，其中一个接一个的叶片具有存在差别的边缘弯曲，并且它们彼此不相同。

优选地，以下述方式产生叶片3，即，在叶毂2处(即，在根部4处)具有等间隔的轮廓，即，均以彼此相等的角度分开，而顶部5处的轮廓按照所计算出的角度ε间隔开。

实际上，在这种情况下，从叶片的几何形状开始，该几何形状通过基本已知的方式产生，并且该几何形状已经具有边缘弯曲角度，也就是说，掠角(sweep angle)，该角度确定顶部的轮廓相对于叶毂或根部处的轮廓旋转多少。

将上述计算的角度ε加入初始边缘弯曲中，因此叶片各自具有与其他的叶片不同的边缘弯曲。

所描述的发明带来了重要优点。

理论上，轴流式风扇的实施方式具有无限种方案，该无限种方案因可以施加的多种约束而被减少，从而减少了所研究的变量的数量。

在要求确定或构造在问题方面满足规定的条件的一个或多个实体(数量、函数、几何图形、组等)的问题的意义上，基于多个问题提出的计算系统允许计算方法的自由度被减少。

所提出的设计方法允许显著减小所谓的“喀啦噪音”，并且一般而言允许风扇在感受到的噪声方面的性能得到改进。

Claims (7)

1.一种用于计算轴流式风扇(1)的角间距的方法，所述轴流式风扇(1)包括叶毂(2)和从叶毂(2)延伸出来的z个叶片(3)，每一个叶片(3)具有根部(4)和顶部(5)并且由多个空气动力学轮廓形成，所述多个空气动力学轮廓(18)从根部(4)开始逐渐接合到端部(5)，假设α₁＝0，各个叶片的角位置表示为：

α₁，...，α_z，

各个叶片之间的角度差表示为：

ε_i＝α_i+1-α_i，i＝1，...，z-1，ε_z＝360°-α_z

所述方法包括：

建立包括多个数学问题的计算系统的步骤，其中每一个数学问题都是角间距必须满足的约束的表达式，所述计算系统包括：

要求风扇静态平衡的第一数学问题；以及

要求相邻的叶片不重叠的第二数学问题，

所述方法的特征在于，计算系统包括要求角度差ε₁，...，ε_n全部都彼此不同的第三数学问题。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，第三数学问题为下述类型：

|ε_i-ε_j|≥λ° i≠j，i＝1，...，z，j＝1，...，z。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，计算系统包括要求不存在偏移180°的叶片的第四数学问题，也就是说：

∝_i-∝_j≠180° i＞j，i＝1，...，z，j＝1，...，z。

4.根据前述任一项权利要求所述的方法，其包括为计算系统的每一个解计算下述类型的目标函数的步骤：

以及使目标函数最大化以使下述角度差尽可能地彼此不同的步骤：

ε_i＝α_i+1-α_i，i＝1，...，z-1，ε_z＝360°-α_z。

5.根据前述任一项权利要求所述的方法，其包括用于产生对于所有叶片(3)都相同的叶片几何形状的步骤以及根据角度差ε₁，...，ε_n来偏置叶片(3)的步骤。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其包括用于产生叶片几何形状的步骤，其中，在叶毂(2)处、即根部(4)处的轮廓等间隔，并且在顶部(5)处的轮廓根据角度差ε₁，...，ε_n间隔开。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，用于产生叶片的几何形状的步骤包括：用于产生具有边缘弯曲角度的边缘弯曲的叶片几何形状的步骤，所述边缘弯曲角度确定顶部(5)的轮廓相对于根部(4)处的轮廓旋转多少；以及向边缘弯曲角度加入角度差ε₁，...，ε_n的步骤，叶片(3)具有彼此不同的边缘弯曲。