CN111677692B - 一种降噪式轴流风扇 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种降噪式轴流风扇，包括轮毂(1)、扇叶(2)和外环(3)，轮毂(1)和外环(3)同轴设置，扇叶(2)顶端与所述外环(3)固定连接，扇叶(2)底端与所述的轮毂(1)固定连接，扇叶(2)以风扇旋转轴线为中心呈放射状排列，扇叶(2)包括弧状前缘和后缘，各个扇叶(2)的吸力面上靠近扇叶(2)顶端位置处分别设置至少一个导流槽(4)，当设置多个导流槽(4)时，多个导流槽(4)沿扇叶(2)的前缘均匀排布，风扇在旋转过程中，各导流槽(4)将气流从扇叶(2)的前缘导向至后缘。与现有技术相比，本发明减小了大尺度涡破裂和脱落产生的湍流噪声，在对气动性能的影响很小的情况下就能达到较好的降噪效果。

Description

一种降噪式轴流风扇
技术领域
本发明涉及一种轴流风扇，尤其是涉及一种降噪式轴流风扇。
背景技术
轴流风扇在汽车冷却系统中普遍使用，由于汽车动力性不断提高，散热需求也不断增大，为了达到更高的散热性能要求，往往需要提高风扇转速，然而，风扇转速的提高极大地增加了风扇噪声，驾驶员长时间处于高噪声环境中，易出现烦躁或注意力不集中的不良反应。
在轴流风扇运行过程中，高速气体产生的气动噪声主要包括窄带旋转噪声与宽频涡流噪声。在风扇高速旋转过程中，叶片周期性冲击切割周围空气使其发生扰动，产生由叶片通过频率(BPF)为基频的一系列离散频率旋转噪声。由于轴流风扇输送的气体是旋转向前运动的，气流流动比较紊乱，叶片表面附面层的气体分离易产生大量涡流，不同尺度的涡流破裂为更加细小的涡，同时叶片尾缘的脱落涡会激发出频率范围较宽的噪声，最终引起在较宽频带上的涡流噪声。为了消除风扇涡流噪声，减小边界层的分离与涡的脱落，需要对风扇结构实施改进措施。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种降噪式轴流风扇。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种降噪式轴流风扇，包括轮毂、扇叶和外环，所述的轮毂和外环同轴设置，所述的扇叶顶端与所述外环固定连接，所述的扇叶底端与所述的轮毂固定连接，所述的扇叶以风扇旋转轴线为中心呈放射状排列，所述的扇叶包括弧状前缘和后缘，各个扇叶的吸力面上靠近扇叶顶端位置处分别设置至少一个导流槽，当设置多个导流槽时，多个导流槽沿扇叶的前缘均匀排布，风扇在旋转过程中，各导流槽将气流从扇叶的前缘导向至后缘。
所述的导流槽为扇叶表面的凹槽形结构，所述的导流槽包括底面、上壁面和下壁面，所述的底面为平面，所述的上壁面与下壁面相对设置并从扇叶的前缘向后缘延伸，导流槽的入口端靠近扇叶的前缘处，导流槽的出口端远离扇叶的前缘处，导流槽的出口端为与扇叶表面相接的连续非阶梯结构，风扇在旋转过程中，气流从入口端流入导流槽，沿上壁面与下壁面向扇叶的后缘流动并从出口端流出，进而继续沿扇叶的表面向后缘流动。
所述的上壁面为圆弧壁面，上壁面在风扇回转平面上投影的二维曲线圆心与风扇回转中心重合。
各扇叶上从扇叶底端开始的第i个导流槽的上壁面的半径为ri＝k·r0+i(rn+1-k·r0)/(n+1)，其中，r0为轮毂半径，rn+1为扇叶顶端叶尖所在圆柱面半径，i＝1，2，……，n，n为同一扇叶上导流槽的个数，k为常系数。
常系数k取值为：1.2≤k≤1.8。
所述的下壁面为圆弧壁面，下壁面在风扇回转平面上投影的二维曲线首末点连线与上壁面在风扇回转平面上投影的二维曲线首末点连线存在一夹角θ。
夹角θ的取值为：8°≤θ≤20°。
所述的各扇叶上从扇叶底端开始的第i个导流槽的下壁面的半径为rdi＝m·ri，m为常系数。
常系数m的取值为：1≤m≤3。
导流槽最大深度为最大深度位置处扇叶厚度的0.2～0.45，当每个扇叶上设置多个导流槽时，导流槽的最大宽度与相邻两个导流槽之间距离的比值的取值范围为0.3～0.7。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明降噪式轴流风扇在扇叶上设置导流槽，平底导流槽对空气产生导向作用，将气流从扇叶的前缘导向至后缘，保证了合理的气流流动方向，减少弧形扇叶表面易产生的脱落涡，降低噪声；
(2)本发明导流槽的入口端设置在靠近扇叶的前缘处，即导流槽的入口端设置在附面层分离点之前，在导流槽的入口端遇叶片表面突变，促使了大尺度涡流提前转捩成多个小尺度涡，减小了大尺度涡破裂和脱落产生的湍流噪声；
(3)本发明导流槽的设计结构使得扇叶的有效流通面积几乎没有改变，在对气动性能的影响很小的情况下能达到较好的降噪效果。
附图说明
图1为本发明降噪式轴流风扇的结构示意图；
图2为本发明导流槽的结构示意图；
图3为本发明导流槽上壁面直径的分布示意图；
图4为实施例中带导流槽的轴流风扇流量和噪声仿真频谱图。
图中，1为轮毂；2为扇叶；3为外环；4为导流槽；41为底面；42为入口端；43为出口端；44为上壁面；45为下壁面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例
如图1所示，一种降噪式轴流风扇，包括轮毂1、扇叶2和外环3，轮毂1和外环3同轴设置，扇叶2顶端与所述外环3固定连接，所述扇叶2底端与轮毂1固定连接，扇叶2以风扇旋转轴线为中心呈放射状排列，扇叶2包括弧状前缘和后缘，各个扇叶2的吸力面上靠近扇叶2顶端位置处分别设置至少一个导流槽4，导流槽4的数量、大小及分布规律根据实际的冷却风扇风量和降噪需要确定，当设置多个导流槽4时，多个导流槽4沿扇叶2的前缘均匀排布，风扇在旋转过程中，各导流槽4将气流从扇叶2的前缘导向至后缘。轮毂1、扇叶2、外环3和导流槽4通过注塑一体成型。
如图2所示，导流槽4为扇叶2表面的凹槽形结构，导流槽4包括底面41、上壁面44和下壁面45，底面41为平面，上壁面44与下壁面45相对设置并从扇叶2的前缘向后缘延伸，导流槽4的入口端42靠近扇叶2的前缘处，导流槽4的出口端43远离扇叶2的前缘处，导流槽4的出口端43为与扇叶2表面相接的连续非阶梯结构，风扇在旋转过程中，气流从入口端42流入导流槽4，沿上壁面44与下壁面45向扇叶2的后缘流动并从出口端43流出，进而继续沿扇叶2的表面向后缘流动。
上壁面44为圆弧壁面，上壁面44在风扇回转平面上投影的二维曲线圆心与风扇回转中心重合。
如图3所示，各扇叶2上从扇叶2底端开始的第i个导流槽4的上壁面44的半径为ri＝k·r0+i(rn+1-k·r0)/(n+1)，其中，r0为轮毂半径，rn+1为扇叶顶端叶尖所在圆柱面半径，i＝1，2，……，n，n为同一扇叶上导流槽的个数，k为常系数，常系数k取值为：1.2≤k≤1.8。
下壁面45为圆弧壁面，下壁面45在风扇回转平面上投影的二维曲线首末点连线与上壁面44在风扇回转平面上投影的二维曲线首末点连线存在一夹角θ，夹角θ的取值为：8°≤θ≤20°。各扇叶2上从扇叶2底端开始的第i个导流槽4的下壁面45的半径为rdi＝m·ri，m为常系数，常系数m的取值为：1≤m≤3。
导流槽4最大深度为最大深度位置处扇叶2厚度的0.2～0.45，当每个扇叶2上设置多个导流槽4时，导流槽4的最大宽度与相邻两个导流槽4之间距离的比值的取值范围为0.3～0.7。
风扇降噪结构的导流槽4入口处设置在附面层分离点之前，在工作过程中，气流从扇叶2前缘向导流槽4，并在叶片表面形成湍流附面层，在导流槽4的入口端42遇叶片表面突变，促使了大尺度涡流提前转捩成多个小尺度涡，减小了大尺度涡破裂和脱落产生的湍流噪声，并使气流沿较为平缓的从导流槽4的底面41流向扇叶2后缘，导流槽4的上壁面44和下壁面45对空气产生导向作用，保证了合理的气流流动方向，最终避免了光滑扇叶2结构在旋转过程中，气流形成的湍流附面层随叶片形状弯曲，并在入流后一段距离形成大尺度涡后再发生分离；且由于扇叶2的有效流通面积几乎没有改变，在对气动性能的影响很小的情况下就能达到较好的降噪效果。
本实施例中，r0＝73mm，rn+1＝173.5mm，各扇叶2上设置4个导流槽4，常系数k取为1.8，常系数m取为2，夹角θ取为12°，导流槽4最大深度为最大深度位置处扇叶2厚度的0.3，导流槽4的最大宽度与相邻两个导流槽4之间距离的比值的取值为0.5。如图4所示为本实施例某轴流风扇在3000rpm转速工作时，增加导流槽4前后的数值仿真结果，仿真工况为瞬态仿真，在大涡模拟的基础上引入FW-H噪声求解模型，图4(a)为质量流量对比图，图4(b)为同一个监测点处噪声声压级频谱对比图。可以观察到，增加导流槽4结构后的风扇质量流量降低了0.021kg/s，约占原有风扇流量的1.5％，说明本发明的降噪结果对风扇气动性能无显著影响；由频谱图得，优化后风扇中低频噪声显著减小，高频峰值频率与优化前相近，总声压级幅值减小了1.84dB。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (4)

1.一种降噪式轴流风扇，包括轮毂(1)、扇叶(2)和外环(3)，所述的轮毂(1)和外环(3)同轴设置，所述的扇叶(2)顶端与所述外环(3)固定连接，所述的扇叶(2)底端与所述的轮毂(1)固定连接，所述的扇叶(2)以风扇旋转轴线为中心呈放射状排列，所述的扇叶(2)包括弧状前缘和后缘，其特征在于，各个扇叶(2)的吸力面上靠近扇叶(2)顶端位置处分别设置至少一个导流槽(4)，当设置多个导流槽(4)时，多个导流槽(4)沿扇叶(2)的前缘均匀排布，风扇在旋转过程中，各导流槽(4)将气流从扇叶(2)的前缘导向至后缘；
所述的导流槽(4)为扇叶(2)表面的凹槽形结构，所述的导流槽(4)包括底面(41)、上壁面(44)和下壁面(45)，所述的底面(41)为平面，所述的上壁面(44)与下壁面(45)相对设置并从扇叶(2)的前缘向后缘延伸，导流槽(4)的入口端(42)靠近扇叶(2)的前缘处，导流槽(4)的出口端(43)远离扇叶(2)的前缘处，导流槽(4)的出口端(43)为与扇叶(2)表面相接的连续非阶梯结构，风扇在旋转过程中，气流从入口端(42)流入导流槽(4)，沿上壁面(44)与下壁面(45)向扇叶(2)的后缘流动并从出口端(43)流出，进而继续沿扇叶(2)的表面向后缘流动；
所述的上壁面(44)为圆弧壁面，上壁面(44)在风扇回转平面上投影的二维曲线圆心与风扇回转中心重合；
各扇叶(2)上从扇叶(2)底端开始的第i个导流槽(4)的上壁面(44)的半径为ri＝k·r0+i(rn+1-k·r0)/(n+1)，其中，r0为轮毂半径，rn+1为扇叶顶端叶尖所在圆柱面半径，i＝1，2，……，n，n为同一扇叶上导流槽的个数，k为常系数；
所述的下壁面(45)为圆弧壁面，下壁面(45)在风扇回转平面上投影的二维曲线首末点连线与上壁面(44)在风扇回转平面上投影的二维曲线首末点连线存在一夹角θ；
所述的各扇叶(2)上从扇叶(2)底端开始的第i个导流槽(4)的下壁面(45)的半径为rdi＝m·ri，m为常系数；
导流槽(4)最大深度为最大深度位置处扇叶(2)厚度的0.2～0.45，当每个扇叶(2)上设置多个导流槽(4)时，导流槽(4)的最大宽度与相邻两个导流槽(4)之间距离的比值的取值范围为0.3～0.7。
2.根据权利要求1所述的一种降噪式轴流风扇，其特征在于，常系数k取值为：1.2≤k≤1.8。
3.根据权利要求1所述的一种降噪式轴流风扇，其特征在于，夹角θ的取值为：8°≤θ≤20°。
4.根据权利要求1所述的一种降噪式轴流风扇，其特征在于，常系数m的取值为：1≤m≤3。
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