CN110043514A - 一种低谐波噪声的冷却风扇 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种低谐波噪声的冷却风扇，该冷却风扇包括：扇叶，该扇叶包括呈非均匀分布的七个叶片；静叶，该静叶被设置成使得扇叶能够相对于静叶旋转。该冷却风扇被构造成：静叶包括第一组导叶和第二组导叶，其中第一组导叶和第二组导叶中的每一组导叶都具有均匀分布的三个导叶，并且第二组导叶相对于第一组导叶以介于23°至25°之间的导叶偏转角度偏转。该冷却风扇在整体上有效降低离散噪声，从而提高汽车的驾驶舒适性。

Description

一种低谐波噪声的冷却风扇

技术领域

本公开涉及冷却风扇，更具体地，涉及谐波噪声降低的冷却风扇。

背景技术

汽车发动机冷却风扇被广泛应用于汽车发动机冷却系统。冷却风扇通过自身的旋转将空气输送到汽车发动机的冷凝器散热器并带走发动机运行时产生的热量，从而保证发动机在合适的温度下工作。

通常，汽车发动机冷却风扇包括扇叶、静叶和电机，扇叶安装在电机上并且电机安装在静叶上，其中扇叶包括以彼此之间呈一定夹角的方式分布的多个叶片，静叶包括以彼此之间呈一定夹角的方式分布的多个导叶。在工作时，电机通电并驱动扇叶旋转从而产生空气流动，空气流然后经过保持处于固定状态的静叶。

但是，在冷却风扇通过旋转产生空气流动的同时，也引起气流的扰动而出现不期望的谐波噪声，导致汽车的驾驶舒适性恶化。冷却风扇的谐波噪声产生的原因有多种，例如扇叶叶片的分布角度、扇叶与静叶的干涉、进气的均匀性等均可能对谐波噪声产生影响。风扇在周期性地击打空气质点时，所有扇叶叶片击打空气质点而产生的谐波成分经常集中在某些特定阶次，形成例如低阶次的第一谐波、中间阶次的第二谐波以及高阶次的第三谐波。

因此，期望研发一种能够降低谐波噪声的冷却风扇。

发明内容

本公开的目的在于提供一种谐波噪声降低的冷却风扇，以改善汽车的驾驶舒适性。

本公开的一个方面提供一种冷却风扇，该冷却风扇包括：扇叶，该扇叶包括呈非均匀分布的七个叶片；和静叶，该静叶被设置成使得扇叶能够相对于静叶旋转。该冷却风扇被构造成：静叶包括第一组导叶和第二组导叶，其中第一组导叶和第二组导叶中的每一组导叶都具有均匀分布的三个导叶，并且第二组导叶相对于第一组导叶以介于23°至25°之间的导叶偏转角度偏转。

在根据本公开的上述方面的冷却风扇中，第二组导叶相对于第一组导叶以24°的导叶偏转角度偏转。

在根据本公开的上述方面的冷却风扇中，扇叶包括呈非均匀分布的七个叶片，并且将静叶包括的六个导叶分为两组，每组导叶包括均匀分布的三个导叶，并且两组导叶以介于23°至25°之间的导叶偏转角度偏转。通过使扇叶包括呈非均匀分布的七个叶片，调控扇叶叶片的周向分布位置，使得扇叶叶片彼此之间的夹角呈非均匀分布，从而改变相位角，保证冷却风扇旋转时产生的噪声不在一个谐波阶次叠加，促使谐波成分转移到其它阶次上，由此降低谐波噪声。在此基础上，基于静叶导叶偶极子声辐射理论，建立两组导叶的导叶偏转角度与谐波噪声幅值之间的关系，进而通过以合适的导叶偏转角度使两组静叶导叶(每组包括3个导叶)相对于彼此偏转来对目标谐波噪声的幅值进行衰减。

通过上述布置的配合，能够同时有效降低第一谐波、第二谐波和第三谐波三者的噪声，从而在整体上有效降低冷却风扇的噪声。因此，在根据本公开的上述方面的冷却风扇中，冷却风扇的静叶不仅起支撑和固定作用，而且还与非均匀分布的扇叶叶片配合来降低谐波噪声。

在根据本公开的上述方面的冷却风扇中，七个叶片中的相邻两个叶片之间的夹角可以依次为61.2°±1°、37.3°±1°、47.9°±1°、67.1°±1°、47.9°±1°、37.3°±1°和61.2°±1°。

在根据本公开的上述方面的冷却风扇中，导叶可以具有圆形、椭圆形、矩形或菱形等横截面形状，并且可以呈U形、空心或实心等形式。

在根据本公开的上述方面的冷却风扇中，叶片可以具有对称翼型、双凸翼型、平凸翼型、凹凸翼型、平板翼型或圆弧板翼型等翼型。

在根据本公开的上述方面的冷却风扇中，叶片可以带有或不带有叶冠。

在根据本公开的上述方面的冷却风扇中，扇叶可以由金属材料或塑料材料制成，金属材料包括铁、铝、镁、铜等金属元素中的一种或多种的合金，塑料材料包括聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚碳酸酯(PC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚丙烯(PP)等。考虑到制造成本，扇叶可以优选地由塑料材料制成。

在根据本公开的上述方面的冷却风扇中，静叶可以由金属材料或塑料材料制成，金属材料包括铁、铝、镁、铜等金属元素中的一种或多种的合金，塑料材料包括聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚碳酸酯(PC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)或聚丙烯(PP)等。考虑到制造成本，静叶可以优选地由塑料材料制成。

通过根据本公开的上述方面的冷却风扇，可以利用以合适导叶偏转角度彼此偏转的两组静叶导叶(每组包括3个导叶)的布置，来进一步降低冷却风扇的噪声，从而有效提高了驾驶舒适性。

本公开的另一个方面提供一种汽车发动机冷却系统，该汽车发动机冷却系统包括根据本公开的上述方面的冷却风扇。

本公开的扇叶叶片的布置可以应用于具有各种轮毂比的扇叶，相应地，本公开的静叶导叶的布置可以应用于具有各种轮毂比的静叶。在其他涡轮式设计中也能够应用本公开的扇叶叶片和静叶导叶的布置，只要静叶导叶位于扇叶叶片的下游。

附图说明

下面将参考附图详细说明本公开的特征和优点，其中相同的附图标记表示相同的元件，在附图中：

图1是现有技术冷却风扇的结构示意图；

图2a是图1中的冷却风扇的扇叶的示意图；

图2b是图1中的冷却风扇的静叶的示意图；

图3是根据本发明实施例的冷却风扇的结构示意图；

图4a是图3中的冷却风扇的扇叶的示意图；

图4b是图3中的冷却风扇的静叶的示意图；

图5是冷却风扇的谐波噪声测试设施的示意图；

图6是图1中的冷却风扇的谐波噪声测试结果的曲线图；

图7是图3中的冷却风扇的谐波噪声测试结果的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本公开作进一步说明。

图1示出了现有技术冷却风扇10，其中冷却风扇10包括扇叶11、静叶12以及电机13，电机13安装在静叶12上，扇叶11安装在电机13上，扇叶11能够相对于静叶12旋转。在电机13通电时，电机13驱动扇叶11旋转从而产生空气流，空气流然后经过保持处于固定状态的静叶12。在图1中还示出冷却风扇10的面板14，该冷却风扇10经由面板14装配到汽车发动机(未示出)周围，并构成汽车发动机冷却系统的一部分。

如在图1中所示，扇叶11包括七个叶片111，在叶片111的径向内端设有轮毂112(图2a中更清楚地示出轮毂112)。在叶片11的径向外端设有叶冠113，叶片111连接在轮毂112和叶冠113之间。在冷却风扇10工作时，电机13旋转，带动安装在电机13上的轮毂112旋转，从而促使与轮毂112连接的叶片111旋转。将结合图2a详细描述扇叶11。

静叶12包括六个导叶121，在导叶121的径向内端设有内圈122，并且在导叶121的径向外端设有外圈123，导叶121连接在内圈122和外圈123之间。外圈123被连接到冷却风扇10的面板14，由此使静叶12在冷却风扇10中被固定并保持静止。内圈122起到固定并保持电机13的作用，并且内圈122经由导叶121连接到外圈123。将结合图2b详细描述静叶12。

图2a示出图1中的冷却风扇10的扇叶11。从图2a可以看出，扇叶11包括七个叶片111，这七个叶片111总体呈均匀分布，即相邻两个叶片111之间的夹角是彼此大致相等的。

具体而言，扇叶11的七个叶片分别为111a、111b、111c、111d、111e、111f、111g。相邻两个叶片111a、111b的夹角指的是叶片111a的径向外端到轮毂112的中心(即扇叶11的旋转轴线与扇叶所在平面的交点)的连线，与叶片111b的径向外端到轮毂112的中心的连线之间的夹角，在图2a中该夹角由α1表示。相应的，相邻两个叶片111b、111c的夹角由α2表示，相邻两个叶片111b、111c的夹角由α3表示，相邻两个叶片111c、111d的夹角由α4表示，相邻两个叶片111d、111e的夹角由α5表示，相邻两个叶片111e、111f的夹角由α6表示，相邻两个叶片111f、111g的夹角由α7表示。通过使α1至α7彼此大致相等，使得叶片111总体呈均匀分布，其中，α1至α7为约51.4°。在实际应用中，上述角度中的任何一个可以在允许的范围内变化，例如，α1至α7中的每一个可以为51.4°±1°，而不是彼此完全或绝对地相等。

值得注意的是，在本文中，“θ±1°”(θ为任意角度)表示允许θ在θ+1°至θ-1°的范围内变化，但是这种变化应满足相应的结构要求，例如，对于扇叶11的七个叶片，允许α1至α7中的每一个在50.4°至52.4°的范围内变化，但α1至α7的和应为360°。

图2b示出图1中的冷却风扇10的静叶12，其中为了便于说明而移除了外圈123。在冷却风扇10中，静叶12的导叶121的数目与扇叶11的叶片111的数目互为质数。从图2b可以看出，静叶12包括六个导叶121，这六个导叶121呈均匀分布，即相邻两个导叶121之间均呈60°的夹角。相邻两个导叶121的夹角指的是相邻两个导叶121的径向外端到内圈122的中心的连线之间的夹角。

发明人经过研究和试验发现，通过以一定方式改变扇叶叶片和静叶导叶的布置，能够降低冷却风扇的噪声。下面将对此进行详细说明。

图3示出根据本发明实施例的冷却风扇20，其中冷却风扇20包括扇叶21、静叶22以及电机23，电机23安装在静叶22上，扇叶21安装在电机23上，扇叶21能够相对于静叶22旋转。在电机23通电时，电机23驱动扇叶21旋转从而产生空气流，空气流然后经过保持处于固定状态的静叶22。在图3中还示出冷却风扇20的面板24，该冷却风扇20经由面板24装配到汽车发动机(未示出)周围，并构成汽车发动机冷却系统的一部分。除扇叶21和静叶22之外，冷却风扇20中的电机23和面板24与冷却风扇10中的电机13和面板14相同，此处略去其描述。

如在图3中所示，扇叶21包括七个叶片211，在叶片211的径向内端设有轮毂212(图4a中更清楚地示出轮毂212)。在叶片21的径向外端设有叶冠213，叶片211连接在轮毂212和叶冠213之间。在冷却风扇20工作时，电机23旋转，带动安装在电机23上的轮毂212旋转，从而促使与轮毂212连接的叶片211旋转。将结合图4a详细描述扇叶21。

静叶22包括六个导叶221，在导叶221的径向内端设有内圈222，并且在导叶221的径向外端设有外圈223，导叶221连接在内圈222和外圈223之间。外圈223被连接到冷却风扇20的面板24，由此使静叶22在冷却风扇20中被固定并保持静止。内圈222起到固定并保持电机23的作用，并且内圈222经由导叶221连接到外圈223。将结合图4b详细描述静叶22。

图4a示出图3中的冷却风扇20的扇叶21。从图4a可以看出，扇叶21包括七个叶片211，这七个叶片211呈非均匀分布，即相邻两个叶片211之间的夹角是不均匀的。

具体而言，扇叶21的七个叶片分别为211a、211b、211c、211d、211e、211f、211g。相邻两个叶片211a、211b的夹角指的是叶片211a的径向外端到轮毂212的中心(即扇叶21的旋转轴线与扇叶所在平面的交点)的连线，与叶片211b的径向外端到轮毂212的中心的连线之间的夹角，在图4a中该夹角由α1表示。相应的，相邻两个叶片211b、211c的夹角由α2表示，相邻两个叶片211b、211c的夹角由α3表示，相邻两个叶片211c、211d的夹角由α4表示，相邻两个叶片211d、211e的夹角由α5表示，相邻两个叶片211e、211f的夹角由α6表示，相邻两个叶片211f、211g的夹角由α7表示。通过改变α1至α7，使得叶片211呈非均匀分布。优选地，在冷却风扇20中，α1为61.2°±1°，α2为37.3°±1°，α3为47.9°±1°，α4为67.1°±1°，α5为47.9°±1°，α6为37.3°±1°，并且α7为61.2°±1°。

如上所述，在冷却风扇20中，虽然允许α1至α7在相应的角度范围内变化，但是这种变化应满足相应的结构要求，即α1至α7的和应为360°。此外，尽管α1和α7、α2和α6以及α3和α5在角度范围的表述上是一致的，但并不表示α1和α7、α2和α6以及α3和α5是完全或绝对相等的。举例而言，对于α1和α7，二者可以相等或不完全相等，只要α1和α7分别处于61.2°±1°的范围内即可。

图4b示出图3中的冷却风扇20的静叶22，其中为了便于说明而移除了外圈223。在冷却风扇20中，静叶22的导叶221的数目与扇叶21的叶片211的数目互为质数。从图4b可以看出，静叶22包括六个导叶221。在本实施例中，该六个导叶221分为两组，即，第一组导叶221a和第二组导叶221b。第一组导叶221a具有均匀分布的三个导叶，即相邻两个导叶之间均呈120°的夹角。第二组导叶221b具有均匀分布的三个导叶，即相邻两个导叶之间均呈120°的夹角。相邻两个导叶221的夹角指的是相邻两个导叶221的径向外端到内圈222的中心的连线之间的夹角。第二组导叶221b相对于第一组导叶221a以24°的导叶偏转角度偏转。因此，通过以内圈222的中心为偏转中心，在内圈222和外圈223之间将第二组导叶221b相对于第一组导叶221a在逆时针方向或顺时针方向上偏转24°的导叶偏转角度，可以获得静叶22。应注意，虽然在此将冷却风扇20中的导叶偏转角度设定为24°，但是导叶偏转角度可以在24°±1°的范围内变化，即，导叶偏转角度可以介于23°至25°之间。

图5示出冷却风扇的谐波噪声测试设施。该谐波噪声测试设施包括半消声室，其中在半消声室中进行测试，并且将背景噪声控制成低于25dB(A)。此外，在该谐波噪声测试设施中，采用声学测试与分析系统(在本例中为德国Head Suite 8.0声学测试与分析系统)进行测试和分析，并且通过麦克风(在本例中为美国PCB声学麦克风)采集冷却风扇产生的噪声。

在测试过程中模拟冷却风扇在汽车中的位置和工作环境，并将麦克风放置在模拟汽车中乘员的位置。具体而言，如图5所示，将冷却风扇放置成在竖直方向上距离地面0.5m，并将麦克风放置成在Z方向(竖直方向)上距离地面1.5m；同时，麦克风与冷却风扇在X方向(相当于车辆纵向方向)上相距2m，麦克风与冷却风扇在Y方向(相当于车辆横向方向)上位于与Y方向垂直的同一平面内，并且麦克风位于冷却风扇10产生的空气流的上游(即，麦克风位于冷却风扇的进风侧)。测试开始后，待冷却风扇10的转速n稳定在2900rpm(即，2900转/分钟)后，以1Hz的分辨率进行采样，其中采样频率为32768Hz，从而能够完整采集16000Hz以内(冷却风扇10的谐波噪声的存在范围)的噪声。随后，将所获得的数据进行快速傅里叶变换(FFT)，并经A记权得到测试结果。

图6和图7示出冷却风扇的谐波噪声测试结果，其中，横轴表示谐波频率(单位Hz)，纵轴表示A记权声压级(单位dB(A))。从图6和图7中可以看出，冷却风扇的旋转噪声主要集中于三个谐波，即，低阶次的第一谐波H1、中间阶次的第二谐波H2以及高阶次的第三谐波H3。在本实施例中，例如，谐波Hi＝i*B*n/60，其中i＝1,2,3，B为扇叶叶片的数目，n为扇叶的转速。当B为7，n为2900rpm时，第一谐波H1为338Hz，第二谐波H2为677Hz，第三谐波H3为1015Hz。通过相应谐波处的声压级幅值表示相应谐波的噪声。

相应地，在图6所示的冷却风扇10的谐波噪声测试结果中，通过第一谐波H1处的声压级幅值(以下称为第一噪声)N1来表示第一谐波H1的噪声，通过第二谐波H2处的声压级幅值(以下称为第二噪声)N2来表示第二谐波H2的噪声，通过第三谐波H3处的声压级幅值(以下称为第三噪声)N3来表示第三谐波H3的噪声。在图7所示的冷却风扇20的谐波噪声测试结果中，与参考图6所述的类似，通过第一谐波H1处的声压级幅值(以下称为第一噪声)N1’来表示第一谐波H1的噪声，通过第二谐波H2处的声压级幅值(以下称为第二噪声)N2’来表示第二谐波H2的噪声，通过第三谐波H3处的声压级幅值(以下称为第三噪声)N3’来表示第三谐波H3的噪声。

表1示出了所获得的冷却风扇10和20的谐波噪声测试结果。如表1所示，对于冷却风扇10，第一谐波H1处的噪声N1为52.50dB(A)，第二谐波H2处的噪声N2为51.08dB(A)，第三谐波H3处的噪声N3为44.30dB(A)；而对于冷却风扇20，第一谐波H1处的噪声N1’为41.86dB(A)，第二谐波H2处的噪声N2’为40.09dB(A)，第三谐波H3处的噪声N3’为38.08dB(A)。与现有技术冷却风扇10相比，根据本发明实施例的冷却风扇20将第一谐波H1处的噪声降低(即优化水平为)10.64dB(A)，降低幅度为20％；将第二谐波H2处的噪声降低10.99dB(A)，降低幅度为22％；将第三谐波H3处的噪声降低6.22dB(A)，降低幅度为14％。

表1冷却风扇10和20的谐波噪声测试结果

单位：dB(A)	H1	H2	H3
				冷却风扇10	52.50	51.08	44.30
冷却风扇20	41.86	40.09	38.08
				优化水平	10.64	10.99	6.22

在如上所述的实施例中，扇叶21包括呈非均匀分布的七个叶片211，并且将静叶22包括的六个导叶221分为两组，每组导叶221包括均匀分布的三个导叶，并且两组导叶以介于23°至25°之间的导叶偏转角度偏转。通过使扇叶21包括呈非均匀分布的七个叶片211，调控扇叶21的叶片211的周向分布位置，使得叶片211彼此之间的夹角呈非均匀分布，从而改变相位角，保证冷却风扇20旋转时产生的噪声不在一个谐波阶次叠加，促使谐波成分转移到其它阶次上，由此降低谐波噪声。但由于叶片宽度的限制，该过程仅能在一定程度上降低例如第二谐波H2和第三谐波H3的噪声，第一谐波H1的噪声不能得到很好的优化。在此基础上，基于静叶22的导叶偶极子声辐射理论，建立两组导叶211的导叶偏转角度与谐波噪声幅值之间的关系，进而通过以合适的导叶偏转角度使静叶22的两组导叶221(每组包括3个导叶)相对于彼此偏转来对目标谐波噪声的幅值进行衰减。

通过上述两种布置的配合，不仅能降低第二谐波H2和第三谐波H3的噪声，而且第一谐波H1的噪声也能被有效降低，从而在整体上有效降低冷却风扇的噪声。因此，在根据本公开的上述方面的冷却风扇中，冷却风扇的静叶不仅起支撑和固定作用，而且还与非均匀分布的扇叶叶片配合来降低谐波噪声。

以上示出根据本发明的一个实施例，但是该实施例仅是示例性的而非限制性的，在不脱离本发明精神的范围内，也可在其他实施例中应用本发明。

在冷却风扇20中，扇叶21包括叶冠213，但是在其他实施例中，叶片的径向外端可以不设置叶冠，仅叶片的径向内端被连接到轮毂。

在冷却风扇20中，静叶22包括外圈223，该外圈223是相对于面板14的单独的部件，但是在一些实施例中，外圈可以与面板一体形成。

在冷却风扇20中，静叶22包括圆盘形或圆环形的内圈222，但是在一些实施例中，内圈并不被限制于圆盘形或圆环形的形状，只要内圈能够固定并保持电机即可。

扇叶的叶片可以具有各种翼型，包括但不限于对称翼型、双凸翼型、平凸翼型、凹凸翼型、平板翼型、圆弧板翼型等。

扇叶可以由金属材料或塑料材料制成，金属材料包括铁、铝、镁、铜等金属元素中的一种或多种的合金，塑料材料包括聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚碳酸酯(PC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚丙烯(PP)等。考虑到制造成本，扇叶可以优选地由塑料材料制成。

静叶的导叶可以具有圆形、椭圆形、矩形、菱形等横截面形状，并且可以呈U形、空心、实心等形式。

静叶可以由金属材料或塑料材料制成，金属材料包括铁、铝、镁、铜等金属元素中的一种或多种的合金，塑料材料包括聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚碳酸酯(PC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚丙烯(PP)等。考虑到制造成本，静叶可以优选地由塑料材料制成。

在根据本发明的各种实施例中，扇叶的叶片的布置可以应用于具有各种轮毂比的扇叶，相应地，静叶的导叶的布置可以应用于具有各种轮毂比的静叶。

本公开的另一个实施例提供一种汽车发动机冷却系统，该汽车发动机冷却系统包括本实施例的冷却风扇。

在其他涡轮式设计中也能够应用本实施例的扇叶叶片和静叶导叶的布置，只要在该涡轮式设计产生的空气流的方向上，静叶导叶位于扇叶叶片的下游。

Claims (9)

1.一种冷却风扇，包括：

扇叶，所述扇叶包括呈非均匀分布的七个叶片；和

静叶，所述静叶被设置成使得所述扇叶能够相对于所述静叶旋转，

其特征在于：

所述静叶包括第一组导叶和第二组导叶，其中所述第一组导叶和所述第二组导叶中的每一组导叶都具有均匀分布的三个导叶，并且所述第二组导叶相对于所述第一组导叶以介于23°至25°之间的导叶偏转角度偏转。

2.根据权利要求1所述的冷却风扇，其中所述第二组导叶相对于所述第一组导叶以24°的导叶偏转角度偏转。

3.根据权利要求1或2所述的冷却风扇，其中所述七个叶片中的相邻两个叶片之间的夹角依次为61.2°±1°、37.3°±1°、47.9°±1°、67.1°±1°、47.9°±1°、37.3°±1°和61.2°±1°。

4.根据权利要求1或2所述的冷却风扇，其中所述导叶具有圆形、椭圆形、矩形或菱形横截面形状，并且呈U形、空心或实心形式。

5.根据权利要求1或2所述的冷却风扇，其中所述叶片具有对称翼型、双凸翼型、平凸翼型、凹凸翼型、平板翼型或圆弧板翼型。

6.根据权利要求1或2所述的冷却风扇，其中所述叶片带有或不带有叶冠。

7.根据权利要求1或2所述的冷却风扇，其中所述扇叶由金属材料或塑料材料制成，所述金属材料包括铁、铝、镁、铜金属元素中的一种或多种的合金，所述塑料材料包括PBT、PC、ABS或PP。

8.根据权利要求1或2所述的冷却风扇，其中所述静叶由金属材料或塑料材料制成，所述金属材料包括铁、铝、镁、铜金属元素中的一种或多种的合金，所述塑料材料包括PBT、PC、ABS或PP。

9.一种汽车发动机冷却系统，包括根据权利要求1-8中的一项所述的冷却风扇。