CN112431798B - 一种低噪声转-静风扇系统 - Google Patents

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Abstract

一种低噪声转‑静风扇系统属叶轮机械设计技术领域，本发明中电机、静子风扇组件和转子风扇组件自后至前顺序排列；电机固接于静子风扇组件的基座后面，电机的输出轴穿过静子风扇组件中基座的中心孔，与转子风扇组件B中联接轴的中心孔Ⅱ固接，支架中带孔支板的后面经螺栓固接于静子风扇组件中外环I的前面，转子风扇组件位于支架的涵道环中；本发明中通过在静子风扇设计前缘、尾缘波浪锯齿结构，在转子风扇前缘设计仿生扰流结构和尾缘设计内锯齿结构，达到降低转‑静风扇系统转‑静干涉噪声的目的，从而实现大型工程车辆散热系统冷却效率提高的同时，有效降低转‑静干涉噪声，实现节能降噪的目的。

Description

一种低噪声转-静风扇系统
技术领域
本发明属于叶轮机械设计技术领域，具体涉及一种低噪声转-静风扇系统。
背景技术
大型工程车辆散热系统是维持车辆各系统平稳持续工作，保证车辆动力性能和经济性能稳定可靠的关键。传统的工程车辆散热系统中，风扇的能耗约占发动机有效功率的5-10％，而对于大型工程车辆，因其散热系统需兼顾液力变矩器和液力缓速器的散热需求，致使系统耗能大幅增加，风扇产生的噪声也随之增加，可达100dB,对驾驶员产生极大的身体伤害。为有效提高大型工程车辆的散热系统的冷却效率，最有效的办法就是加大冷却风扇的风量，通过静子与转子组合的风扇系统来提高通过散热器风量。但这种风扇系统会产生转-静干涉噪声，进而对驾驶者以及作业环境产生非常严重的不利影响，如何有效降低转-静干涉噪声，是人机环境研究者面临的重要课题。
发明内容
本发明的目的是提供一种低噪声转-静风扇系统，通过在静子前缘、尾缘设计波浪锯齿结构，在转子前缘设计仿生扰流结构和尾缘设计内锯齿结构，有效降低转-静风扇系统的转-静干涉噪声。
本发明由静子风扇组件A、转子风扇组件B、支架C和电机D组成，其中电机D、静子风扇组件A和转子风扇组件B自后至前顺序排列；电机D固接于静子风扇组件A的基座4后面，电机D的输出轴穿过静子风扇组件A中基座4的中心孔5，与转子风扇组件B中联接轴13的中心孔Ⅱ14固接，支架C中带孔支板18的后面经螺栓固接于静子风扇组件A中外环I1的前面，转子风扇组件B位于支架C的涵道环19中。
所述的静子风扇组件A由外环I1、内环2、静子风扇叶片组3和基座4组成，基座4上设有中心孔I5；外环I1外圈设有沿圆周均布的螺栓孔组I6的四个螺栓孔；静子风扇叶片组3由8--10个风扇叶片组成，基座4固接于内环2的内圈，静子风扇叶片组3的8--10个静子风扇叶片7沿圆周均布，并固接于外环I1和内环2之间，静子风扇叶片组3的8--10个静子风扇叶片7的中心线与内环2的前后向中心线的夹角α1为20--30.36°，静子风扇叶片7上设有前缘波浪8和尾缘波浪9，前缘波浪8为连续的圆弧形，f为前缘波浪锯齿，其中前缘波浪结构取中间弦长的0.1至0.2倍，即f＝8--16mm；尾缘波浪9为连续的圆弧形，由波浪锯齿a、叶片留余b、叶片总长c、刚度留余d，叶片中间截面弦长e组成，其中尾缘波浪结构由波浪锯齿a决定,波浪锯齿a取叶片中间截面弦长e的0.05至0.2倍，即a＝1.9--7.6mm；叶片留余b＝2.6mm，刚度留余d＝0.2*e＝7.8mm。
所述的转子风扇组件B由转子风扇叶片组10、外环Ⅱ11、辐条组12和联接轴13组成，其中转子风扇叶片组10由8--10个风扇叶片组成；联接轴13设有中心孔Ⅱ14，联接轴13经辐条组12的四根辐条固接于外环Ⅱ11内圈，转子风扇叶片组10的8--10个风扇叶片均布并固接于外环Ⅱ11的外圈表面，风扇叶片的中心线与中心孔Ⅱ14的前后向中心线夹角α2为40--51.78°；每个转子风扇叶片16的前面顺时针方向边缘设有仿生扰流结构组15的15-18个仿生扰流结构；每个转子风扇叶片16的前面逆时针方向边缘设有内锯齿结构组17的9-12个内锯齿结构；仿生扰流结构组15的仿生扰流结构由底边长度Ⅰg、结构与前缘的距离h、顶点高度Ⅰi、底边宽度Ⅰj、顶点与边线中点距离k、顶点对应位置处叶片厚度l组成，其中顶点高度Ⅰi由顶点对应位置处叶片厚度决定，取该厚度的0.1--0.5倍，即i＝0.35--1.75mm，底边宽度Ⅰj取该高度的0.2至1倍，即j＝0.35--1.75mm，底边长度Ⅰg取该高度的1至2倍，即g＝1.75至3.5mm，顶点与边线中点距离k取顶点高度Ⅰi的0.1--0.5倍，即k＝0.1--0.5mm，h＝0.25--0.75mm,仿生扰流结构组15的每个仿生扰流结构在垂直于顶点高度Ⅰi的方向的投影为等腰三角形，其中底边宽度Ⅰj所组成的两个三角形内角相等；内锯齿结构组17的每个内锯齿结构由底边长度Ⅱo、顶点高度Ⅱp、底边宽度Ⅱq、三棱柱边线长度m、结构与尾缘的距离n组成，每个内锯齿结构均为四面体和两个对称三棱柱的组合体，其中顶点高度Ⅱp由扰流结构组15的顶点对应位置处叶片厚度l决定，取该厚度的0.1--0.5倍，即p＝0.35--1.75mm，底边宽度Ⅱq取该高度的0.2至1倍，即q＝0.35--1.75mm，底边长度Ⅱo取该高度的1至2倍，即o＝1.75至3.5mm，m取顶点高度Ⅱp的1--3倍，即p＝1.75--5.25mm，n取顶点高度Ⅱp的0.5--1.5倍，即n＝0.87--2.6mm,每个内锯齿结构在垂直于顶点高度Ⅱp方向的投影为等腰三角形，其中底边宽度Ⅱq所组成的两个三角形内角相等。
所述的支架C由带孔支板18和涵道环19组成，其中带孔支板18上设有圆周方向均布的螺栓孔组Ⅱ20的四个螺栓孔，涵道环19的后面与带孔支板18的前面固接。
本发明的有益效果在于：
1)本发明所提出的转-静风扇系统，可在不牺牲系统气动性能的前提下，实现转-静干涉噪声的显著降低，提高驾乘人员的工作舒适性。
2)本发明中静子风扇叶片前缘、尾缘部分设计为波浪锯齿结构，因静子风扇在系统中起到整流及导向作用，所以采用大尺度锯齿结构，平整的气流经过前缘锯齿在脊背棱条的作用下，初步对来流进行分割、整流，达到展向相关性的控制，随后在更小尺度锯齿尾缘的作用下，切割为更细碎的气流，进而改善静子尾涡与转子的干涉，达到降低转-静干涉噪声的目的。
3)本发明中转子风扇叶片压力面前缘部分设计扰流结构，可有效的促进边界层的转捩，抑制转捩过程中形成的不稳定的Λ涡，达到进一步降低转-静干涉噪声的目的。
4)本发明中转子风扇叶片压力面尾缘部分设计内锯齿结构，不仅不会造成气动损失，且具有分割叶片表面气流的作用，加速脱落涡的破碎，能减弱流向涡的展向关联性，实现降噪的目的。
附图说明
图1为低噪声转-静风扇系统的结构示意图
图2为静子风扇组件A的轴测图
图3为静子风扇叶片7的主视图
图4为静子风扇组件A的侧视图
图5为转子风扇组件B的轴测图
图6为转子风扇组件B的前视图
图7为转子风扇叶片16的主视图
图8为仿生扰流结构15的结构示意图
图9为内锯齿结构17的结构示意图
图10为转子风扇组件B的侧视图
图11为支架C的轴测图
图12为光滑转子与仿生结构转子噪声频谱曲线
其中：A静子风扇组件 B.转子风扇组件 C.支架 D.电机 1.外环I 2.内环 3.静子风扇叶片组 4.基座 5.中心孔I 6.螺栓孔组I 7.静子风扇叶片 8.前缘波浪 9.尾缘波浪10.转子风扇叶片组 11.外环Ⅱ 12.辐条组 13.联接轴 14.中心孔Ⅱ 15.仿生扰流结构16.转子风扇叶片 17.内锯齿结构 18.带孔支板 19.涵道环 20.螺栓孔组Ⅱ
具体实施方式
下面结合附图描述本发明：
如图1所示，本发明由静子风扇组件A、转子风扇组件B、支架C和电机D组成，其中电机D、静子风扇组件A和转子风扇组件B自后至前顺序排列；电机D固接于静子风扇组件A的基座4后面，电机D的输出轴穿过静子风扇组件A中基座4的中心孔5，与转子风扇组件B中联接轴13的中心孔Ⅱ14固接，支架C中带孔支板18的后面经螺栓固接于静子风扇组件A中外环I1的前面，转子风扇组件B位于支架C的涵道环19中。
如图2至图4所示，所述的静子风扇组件A由外环I1、内环2、静子风扇叶片组3和基座4组成，基座4上设有中心孔I5；外环I1外圈设有沿圆周均布的螺栓孔组I6的四个螺栓孔；静子风扇叶片组3由8--10个风扇叶片组成，基座4固接于内环2的内圈，静子风扇叶片组3的8--10个静子风扇叶片7沿圆周均布，并固接于外环I1和内环2之间，静子风扇叶片组3的8--10个静子风扇叶片7的中心线与内环2的前后向中心线的夹角α1为20--30.36°，静子风扇叶片7上设有前缘波浪8和尾缘波浪9，前缘波浪8为连续的圆弧形，f为前缘波浪锯齿，其中前缘波浪结构取中间弦长的0.1至0.2倍，即f＝8--16mm；尾缘波浪9为连续的圆弧形，由波浪锯齿a、叶片留余b、叶片总长c、刚度留余d，叶片中间截面弦长e组成，其中尾缘波浪结构由波浪锯齿a决定,波浪锯齿a取叶片中间截面弦长e的0.05至0.2倍，即a＝1.9--7.6mm；叶片留余b＝2.6mm，刚度留余d＝0.2*e＝7.8mm。
如图5至图10所示，所述的转子风扇组件B由转子风扇叶片组10、外环Ⅱ11、辐条组12和联接轴13组成，其中转子风扇叶片组10由8--10个风扇叶片组成；联接轴13设有中心孔Ⅱ14，联接轴13经辐条组12的四根辐条固接于外环Ⅱ11内圈，转子风扇叶片组10的8--10个风扇叶片均布并固接于外环Ⅱ11的外圈表面，风扇叶片的中心线与中心孔Ⅱ14的前后向中心线夹角α2为40--51.78°；每个转子风扇叶片16的前面顺时针方向边缘设有仿生扰流结构组15的15-18个仿生扰流结构；每个转子风扇叶片16的前面逆时针方向边缘设有内锯齿结构组17的9-12个内锯齿结构；仿生扰流结构组15的仿生扰流结构由底边长度Ⅰg、结构与前缘的距离h、顶点高度Ⅰi、底边宽度Ⅰj、顶点与边线中点距离k、顶点对应位置处叶片厚度l组成，其中顶点高度Ⅰi由顶点对应位置处叶片厚度决定，取该厚度的0.1--0.5倍，即i＝0.35--1.75mm，底边宽度Ⅰj取该高度的0.2至1倍，即j＝0.35--1.75mm，底边长度Ⅰg取该高度的1至2倍，即g＝1.75至3.5mm，顶点与边线中点距离k取顶点高度Ⅰi的0.1--0.5倍，即k＝0.1--0.5mm，h＝0.25--0.75mm,仿生扰流结构组15的每个仿生扰流结构在垂直于顶点高度Ⅰi的方向的投影为等腰三角形，其中底边宽度Ⅰj所组成的两个三角形内角相等；内锯齿结构组17的每个内锯齿结构由底边长度Ⅱo、顶点高度Ⅱp、底边宽度Ⅱq、三棱柱边线长度m、结构与尾缘的距离n组成，每个内锯齿结构均为四面体和两个对称三棱柱的组合体，其中顶点高度Ⅱp由扰流结构组15的顶点对应位置处叶片厚度l决定，取该厚度的0.1--0.5倍，即p＝0.35--1.75mm，底边宽度Ⅱq取该高度的0.2至1倍，即q＝0.35--1.75mm，底边长度Ⅱo取该高度的1至2倍，即o＝1.75至3.5mm，m取顶点高度Ⅱp的1--3倍，即p＝1.75--5.25mm，n取顶点高度Ⅱp的0.5--1.5倍，即n＝0.87--2.6mm,每个内锯齿结构在垂直于顶点高度Ⅱp方向的投影为等腰三角形，其中底边宽度Ⅱq所组成的两个三角形内角相等。
如图11所示，所述的支架C由带孔支板18和涵道环19组成，其中带孔支板18上设有圆周方向均布的螺栓孔组Ⅱ20的四个螺栓孔，涵道环19的后面与带孔支板18的前面固接。
实施例：
将具有前缘波浪8和尾缘波浪9的静子风扇组件A,具有仿生扰流结构15和内锯齿结构17的转子风扇组件B，支架C，电机D按图1所示安装固定。该锯齿结构由波浪锯齿a决定,此处叶片中间截面弦长e＝38mm，即波浪锯齿a＝1.9mm，b＝2.6mm，叶片总长c＝57mm，刚留余d＝7.8mm，叶片前缘波浪锯齿f＝8mm。静子风扇叶片组3由8--10个静子风扇叶片组成，基座4固接于内环2的内圈，静子风扇叶片组3的8--10个静子风扇叶片7沿圆周均布，并固接于外环I和内环2之间，静子风扇叶片组3的8--10个静子风扇叶片7的中心线与内环2的前后向中心线的夹角α1为30.36°。
转子叶片前缘的仿生扰流结构15由底边长度Ⅰg、结构与前缘的距离h、顶点高度Ⅰi、底边宽度Ⅰj、顶点与边线中点距离k、对应位置处叶片厚度l组成，顶点高度Ⅰi由顶点对应位置处叶片厚度决定，其余长度均由顶点高度Ⅰi决定，转子叶片尾缘的内锯齿结构17由底边长度Ⅱo、顶点高度Ⅱp、底边宽度Ⅱq、三棱柱边线长度m、结构与尾缘的距离n组成，此处取叶片厚度l取3.5mm，即i＝1.75mm，g＝3.5mm，j＝1.75mm，k＝1.2mm，m＝3.5mm，n＝2.6mm。相邻两个仿生扰流结构间距取2mm，相邻两个内锯齿结构间距取4mm，则前缘仿生扰流结构共有15个，尾缘内锯齿结构共有9个，转子风扇叶片组10的8--10个风扇叶片均布并固接于外环Ⅱ11的外圈表面，风扇叶片的中心线与中心孔Ⅱ的前后向中心线夹角α2为51.78°。
对带有仿生结构的转-静风扇系统进行噪声测试，通过对比光滑转子与带有仿生结构转子的噪声频谱曲线发现，带有仿生结构转子的峰值噪声比光滑转子的峰值噪声降低了约2.6dB，总声压级降低了，总声压级降低2.7dB。由此可见，带有仿生结构的低噪声转-静风扇系统可以实现降噪的效果。

Claims (1)

1.一种低噪声转-静风扇系统，其特征在于：由静子风扇组件(A)、转子风扇组件(B)、支架(C)和电机(D)组成，其中电机(D)、静子风扇组件(A)和转子风扇组件(B)自后至前顺序排列；电机(D)固接于静子风扇组件(A)的基座(4)后面，电机(D)的输出轴穿过静子风扇组件(A)中基座(4)的中心孔I(5)，与转子风扇组件(B)中联接轴(13)的中心孔Ⅱ(14)固接，支架(C)中带孔支板(18)的后面经螺栓固接于静子风扇组件(A)中外环I(1)的前面，转子风扇组件(B)位于支架(C)的涵道环(19)中；所述的静子风扇组件(A)由外环I(1)、内环(2)、静子风扇叶片组(3)和基座(4)组成，基座(4)上设有中心孔I(5)；外环I(1)外圈设有沿圆周均布的螺栓孔组I(6)的四个螺栓孔；静子风扇叶片组(3)由8--10个风扇叶片组成，基座(4)固接于内环(2)的内圈，静子风扇叶片组(3)的8--10个静子风扇叶片(7)沿圆周均布，并固接于外环I(1)和内环(2)之间，静子风扇叶片组(3)的8--10个静子风扇叶片(7)的中心线与内环(2)的前后向中心线的夹角α1为20--30.36°，静子风扇叶片(7)上设有前缘波浪(8)和尾缘波浪(9)，前缘波浪(8)为连续的圆弧形，f为前缘波浪锯齿，其中前缘波浪锯齿f的圆弧半径取中间弦长的0.1至0.2倍，即f＝8--16mm；尾缘波浪(9)为连续的圆弧形，由波浪锯齿a、叶片留余b、叶片总长c、刚度留余d，叶片中间截面弦长e组成，其中尾缘波浪(9)由波浪锯齿a决定,波浪锯齿a的圆弧半径取叶片中间截面弦长e的0.05至0.2倍，即a＝1.9--7.6mm；叶片留余b＝2.6mm，刚度留余d＝0.2*e＝7.6mm；所述的转子风扇组件(B)由转子风扇叶片组(10)、外环Ⅱ(11)、辐条组(12)和联接轴(13)组成，其中转子风扇叶片组(10)由8--10个风扇叶片组成；联接轴(13)设有中心孔Ⅱ(14)，联接轴(13)经辐条组(12)的四根辐条固接于外环Ⅱ(11)内圈，转子风扇叶片组(10)的8--10个风扇叶片均布并固接于外环Ⅱ(11)的外圈表面，风扇叶片的中心线与中心孔Ⅱ(14)的前后向中心线夹角α2为40--51.78°；每个转子风扇叶片(16)的前面顺时针方向边缘设有仿生扰流结构组(15)的15-18个仿生扰流结构；每个转子风扇叶片(16)的前面逆时针方向边缘设有内锯齿结构组(17)的9-12个内锯齿结构；仿生扰流结构组(15)的仿生扰流结构由底边长度Ⅰg、结构与前缘的距离h、顶点高度Ⅰi、底边宽度Ⅰj、顶点与边线中点距离k、顶点对应位置处叶片厚度l组成，其中顶点高度Ⅰi由顶点对应位置处叶片厚度决定，取该厚度的0.1--0.5倍，即i＝0.35--1.75mm，底边宽度Ⅰj取该高度的0.2至1倍，即j＝0.35--1.75mm，底边长度Ⅰg取该高度的1至2倍，即g＝1.75至3.5mm，顶点与边线中点距离k取顶点高度Ⅰi的0.1--0.5倍，即k＝0.1--0.5mm，h＝0.25--0.75mm,仿生扰流结构组(15)的每个仿生扰流结构在垂直于顶点高度Ⅰi的方向的投影为等腰三角形，其中底边宽度Ⅰj所组成的两个三角形内角相等；内锯齿结构组(17)的每个内锯齿结构由底边长度Ⅱo、顶点高度Ⅱp、底边宽度Ⅱq、三棱柱边线长度m、结构与尾缘的距离n组成，每个内锯齿结构均为四面体和两个对称三棱柱的组合体，其中顶点高度Ⅱp由扰流结构组(15)的顶点对应位置处叶片厚度l决定，取该厚度的0.1--0.5倍，即p＝0.35--1.75mm，底边宽度Ⅱq取该高度的0.2至1倍，即q＝0.35--1.75mm，底边长度Ⅱo取该高度的1至2倍，即o＝1.75至3.5mm，m取顶点高度Ⅱp的1--3倍，即p＝1.75--5.25mm，n取顶点高度Ⅱp的0.5--1.5倍，即n＝0.87--2.6mm,每个内锯齿结构在垂直于顶点高度Ⅱp方向的投影为等腰三角形，其中底边宽度Ⅱq所组成的两个三角形内角相等；所述的支架(C)由带孔支板(18)和涵道环(19)组成，其中带孔支板(18)上设有圆周方向均布的螺栓孔组Ⅱ(20)的四个螺栓孔，涵道环(19)的后面与带孔支板(18)的前面固接。
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