CN113757170A

CN113757170A - 一种高风量低噪声风扇扇叶、风扇及扇叶的设计方法

Info

Publication number: CN113757170A
Application number: CN202111161340.9A
Authority: CN
Inventors: 李龙婷
Original assignee: Suzhou Inspur Intelligent Technology Co Ltd
Current assignee: Suzhou Inspur Intelligent Technology Co Ltd
Priority date: 2021-09-30
Filing date: 2021-09-30
Publication date: 2021-12-07

Abstract

本发明提供了一种高风量低噪声风扇扇叶、风扇及扇叶的设计方法，采用的方案是：该扇叶包括扇叶本体，扇叶本体为大折转角叶型积迭而成，所述扇叶本体上的两个扇面分别为吸力面和压力面，吸力面和压力面弧度不同，吸力面上发生流体分离的起始位置为分离起始点，分离起始点位于吸力面中后部位置，所述扇叶本体上开设有至少两排小孔，且小孔均位于分离起始点的上游，小孔贯穿压力面和吸力面。风扇包括扇座以及驱动装置，所述扇叶本体具有多个，多个扇叶本体均布在扇座上，所述扇座与驱动装置连接。通过采用大折转角叶型和打孔叶片相结合的扇叶设计方法，可以在获得更高风量和风压的前提下，有效降低风扇所产生的气动噪声，并降低风扇功耗。

Description

一种高风量低噪声风扇扇叶、风扇及扇叶的设计方法

技术领域

本发明涉及风扇技术领域，尤其涉及一种高风量低噪声风扇扇叶、风扇及扇叶的设计方法。

背景技术

随着电子产品的高性能化以及社会对于节能降噪的重视程度逐渐增加，风扇作为风冷散热系统的主要元器件之一，对其冷却及噪声等性能提出了更为严苛的需求。为满足电子元器件更高的散热需求，现如今大幅度增加风扇风量的方式主要还是依赖于转速提高，然而，风扇高速旋转必然会直接导致噪声以及耗电量的增加。因此，同时满足高风量、低功耗及低噪声的风扇设计技术已然成为国内外学者和风扇行业工作者的重要研究方向。

现有技术中，以服务器用轴流风扇为例，其噪声主要由气动噪声、机械噪声和电磁噪声组成，常规状态下，相较于气动噪声，机械噪声和电磁噪声强度均较低，可以忽略。气动噪声主要由旋转噪声和涡流噪声组成，旋转噪声为扇叶周期性的拍打周围空气引起气体压力脉动而形成的离散噪声，其强度主要受到转速影响并与转速的6次方成正比，涡流噪声主要表现为涡流在扇叶表面脱落所形成的宽频噪声，其强度主要受到扇叶表面流动分离尺度和强度的影响。目前，在轴流风扇设计当中，增加风量和风压主要可通过提高扇叶负荷及提高扇叶转速实现，然而，风扇扇叶流道内固有的逆压力梯度本就使得低能流体容易发生分离，扇叶负荷的进一步提高会加剧该现象的发生，甚至引起风扇失速，导致气动损失急剧增加，气动效率急剧下降，功耗骤增，同时涡流噪声急剧增加。近几年来，风扇厂商采用过同时增加叶片弦长和叶片折转角来提高扇叶负荷的方式，但是由于弦长增大程度受限，改善效果已经趋于极限。因此，目前大幅度增加风量的主流方式仍然是依赖于转速的提高，但是，如上所述，风扇转速的增加会直接导致旋转噪声急剧增加，同时带来风扇功耗的增加，目前风扇厂商已经尝试采用不等节距扇叶设计方法，从打破扇叶对于流场的周期性拍打角度入手，降低旋转噪声，取得了一定效果，然而由于这种方法破坏了扇叶内部原有的流场分布，因而会对P-Q性能产生一定影响，同时对风扇动平衡设计也提出了很大挑战，导致该设计方法也比较受限。

因此，目前所采用的一些传统优化及新型设计方法仍然无法满足下一代高性能高发热量电子元器件对于风扇的需求，仍需探索一些其余新型风扇扇叶设计技术。

发明内容

为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供了一种高风量低噪声风扇扇叶及风扇及扇叶的设计方法，以满足高性能高发热量电子元器件对于风扇的需求。

一方面，本发明为解决上述技术问题提供了一种高风量低噪声风扇扇叶，所采用的技术方案是：该扇叶包括扇叶本体，扇叶本体为大折转角叶型积迭而成（因扇叶本体为三维的形态，而大折转角叶型为二维的形态，其中包含多个大折转角叶型，故将其描述为扇叶本体为大折转角叶型积迭而成），所述扇叶本体上的两个扇面分别为吸力面和压力面，吸力面和压力面弧度不同，吸力面上发生流体分离的起始位置为分离起始点，分离起始点位于吸力面中后部位置，所述扇叶本体上开设有至少两排小孔，且小孔均位于分离起始点的上游，小孔贯穿压力面和吸力面。进一步的，扇叶本体上设置有三排小孔，每排均包含多个间隔设置的小孔。第一排孔流过的高速流体在流动分离发生之前就对其进行流动控制作用，随着流体向下游移动，第二排和第三排孔流过的高速流体持续为低能流体提供能量，可有效抑制吸力面一侧流动分离尺寸和强度。进一步的，扇叶本体的叶型折转角为θ，θ的取值范围为20º ~65º。

风量的增加主要依赖于转速提高，随之带来的问题即气动噪声和功耗的增加；将不同截面处叶型折转角θ适当增加5º ~15º，则扇叶对于气流做功能力可显著曾强，即气流速度和静压均可获得显著提升，然而逆压梯度的增强会导致吸力面一侧流动分离程度骤增，且分离点向叶片前缘方向移动，容易引起扇叶之间流道堵塞，导致风扇失速，通过在流动分离起始点上游位置开始自压力面至吸力面一侧打孔，则压力面一侧的高速流体可以自小孔流至吸力面一侧，不但可以吹除吸力面一侧低能流体，还可为吸力面一侧低能流体提供动量，从而使得这些低能流体抵抗逆压梯度能力增强，使得流动分离起始位置向尾缘方向移动，有效延缓扇叶流道内的流动分离现象。

另一方面，本发明提供了一种高风量低噪声风扇，包括上述的风扇扇叶，还包括扇座以及驱动装置，所述扇叶本体具有多个，多个扇叶本体均布在扇座上，所述扇座与驱动装置连接。由驱动装置驱动扇座进行转动进而实现扇叶的转动。

此外，本发明还提供了一种高风量低噪声风扇扇叶的设计方法，包括以下步骤：

A1：增大叶型折转角；

A2：通过在分离起始点上游位置开始进行开孔设计；共开三排孔，通过压力面侧高速流体由于具有更高静压自孔流入到吸力面侧吹除吸力面侧低能流体，同时为低能流体提供动量，第一排孔流过的高速流体在流动分离发生之前就对其进行流动控制作用，随着流体向下游移动，第二排和第三排孔流过的高速流体持续为低能流体提供能量，可有效抑制吸力面一侧流动分离尺寸和强度。

A3：对小孔的尺寸及阵列布局进行设计；

A4：确定各个小孔在扇叶本体上的几何位置；

A5：确定开孔方向（即从压力面流入到吸力面一侧的吹气方向）及小孔直径；

上述步骤并非对顺序的限制；

其中，根据风扇吸力面处流动分离的起始位置及流动分离范围，确定小孔的径向位置l及弦向位置SHOLE的大致取值范围，根据抑制风扇流动分离所需的吹气流量，并同时结合小孔吹气气流与分离区流动的掺混程度确定小孔的的孔径d、线面角α及方向角β的大致取值范围，而后对于上述参数进行详细参数化分析，探讨不同参数取值对于风扇流场的不同作用效果，最终确定上述参数的具体取值，从而完成小孔阵列设计。

进一步的，设计过程中对参数进行定义。

进一步的，h表示扇叶的叶高，孔的径向位置l通过相对叶高（l/h）来确定，孔的弦向位置SHOLE通过孔出口中心点（点A）所在该叶高下吸力面相对弧长位置（SHOLE /SSS）来确定。这两个参数定了之后，各个小孔的几何位置就确定了。

进一步的，在定义小孔开孔方向过程中需先选定一个基准面，确定孔中心线与基准面的夹角，而后再确定线在基准面上的投影与基准线之间的夹角。

进一步的，直线b表示空间内过A点与风扇旋转轴所平行的直线，选定直线b所在并与A点对应半径相垂直的平面作为基准面S，定义小孔轴线(即小孔吹气方向)k与基准面S之间夹角为线面角α，定义小孔轴线在基准面S上的投影k’与直线b之间夹角为方向角β，这两个角度确定之后，小孔的吹气方向就固定了。

进一步的，针对不同类型风扇，由于其流道内部气流流动机理不同，小孔的尺寸及阵列排布位置会发生变化。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

1、通过采用大折转角叶型结合自压力面至吸力面开孔的扇叶结构，有效提高扇叶负荷，进而提高扇叶对于气流的做功能力，使得气体的动能和静压进一步提高，从而在相对较低转速下也可获得较大风量和较高风压，进而降低了气动噪声、降低了风扇功耗。

2、能够使风扇工作区域内P-Q性能提高5%~10%、噪音整体降低3~7dB，功耗降低2%~5%，甚至更多。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1-图8为本发明具体实施方式中扇叶设计过程中的结构及设计示意图。

图中，1、分离起始点位置，2、小孔，3、分离区，4、气流。

具体实施方式

为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本具体实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利保护的范围。

具体实施方式1

如图1-图8所示，本具体实施方式提供了一种高风量低噪声风扇扇叶，该扇叶包括扇叶本体，扇叶本体为大折转角叶型积迭而成，所述扇叶本体上的两个扇面分别为吸力面和压力面，吸力面和压力面弧度不同，吸力面上发生流体分离的起始位置为分离起始点，分离起始点位于吸力面中后部位置，所述扇叶本体上开设有至少两排小孔2，且小孔2均位于分离起始点的上游，小孔2贯穿压力面和吸力面。进一步的，扇叶本体上设置有三排小孔2，每排均包含多个间隔设置的小孔2。第一排孔流过的高速流体在流动分离发生之前就对其进行流动控制作用，随着流体向下游移动，第二排和第三排孔流过的高速流体持续为低能流体提供能量，可有效抑制吸力面一侧流动分离尺寸和强度。进一步的，扇叶本体的叶型折转角为θ，θ的取值范围为20º ~65º。风量的增加主要依赖于转速提高，随之带来的问题即气动噪声和功耗的增加；将不同截面处叶型折转角θ适当增加5º ~15º，则扇叶对于气流做功能力可显著曾强，即气流速度和静压均可获得显著提升，然而逆压梯度的增强会导致吸力面一侧流动分离程度骤增，且分离点向叶片前缘方向移动，容易引起扇叶之间流道堵塞，导致风扇失速，通过在流动分离起始点上游位置开始自压力面至吸力面一侧打孔，则压力面一侧的高速流体可以自小孔2流至吸力面一侧，不但可以吹除吸力面一侧低能流体，还可为吸力面一侧低能流体提供动量，从而使得这些低能流体抵抗逆压梯度能力增强，使得流动分离起始位置向尾缘方向移动，有效延缓扇叶流道内的流动分离现象。

具体实施方式2

本具体实施方式提供了一种高风量低噪声风扇（可参见图3、图4、图7），包括具体实施方式1中的风扇扇叶，还包括扇座以及驱动装置，所述扇叶本体具有多个，多个扇叶本体均布在扇座上，所述扇座与驱动装置连接。由驱动装置驱动扇座进行转动进而实现扇叶的转动。

具体实施方式3

本具体实施方式提供了一种高风量低噪声风扇扇叶的设计方法。

如图1所示，θ定义为叶型折转角，为了抑制扇叶表面逆压梯度所引起的流动分离，一般不同截面处叶型折转角θ取值均有所限制，从扇叶顶部到根部叶型折转角呈现增加趋势，范围大致位于20º~50º之间，因而，风量的增加主要依赖于转速提高，随之带来的问题即气动噪声和功耗的增加；将不同截面处叶型折转角θ适当增加5º ~15º，则扇叶对于气流做功能力可显著曾强，即气流速度和静压均可获得显著提升，然而逆压梯度的增强会导致吸力面一侧流动分离程度骤增，且分离点向叶片前缘方向移动，容易引起扇叶之间流道堵塞，导致风扇失速，通过在流动分离起始点上游位置开始自压力面至吸力面一侧打孔，如图2所示，则压力面一侧的高速流体可以自小孔2流至吸力面一侧，不但可以吹除吸力面一侧低能流体，还可为吸力面一侧低能流体提供动量，从而使得这些低能流体抵抗逆压梯度能力增强，使得流动分离起始位置向尾缘方向移动，有效延缓扇叶流道内的流动分离现象。

如图3所示，在风扇工作过程中，气体从风扇前缘LE处进入扇叶，随后进入扇叶流道，最后经扇叶尾缘TE流出扇叶。气体在流经扇叶过程中，由于吸力面和压力面弧度不同，因此两侧气体对应静压不一样，压力面PS一侧流体静压会大于吸力面SS一侧，吸力面表面处的低能流体在逆压梯度作用下极有可能发生流动分离，流动分离通常发生在吸力面中后部位置。因此，如图4所示，在采用大折转角叶型设计基础上，通过在分离起始点上游位置开始进行开孔设计，共开三排孔，通过压力面侧高速流体由于具有更高静压自孔流入到吸力面侧吹除吸力面侧低能流体，同时为低能流体提供动量，第一排孔流过的高速流体在流动分离发生之前就对其进行流动控制作用，随着流体向下游移动，第二排和第三排孔流过的高速流体持续为低能流体提供能量，可有效抑制吸力面一侧流动分离尺寸和强度。

在对小孔2的尺寸及阵列布局进行设计过程中，需确定各个孔在扇叶上的几何位置、开孔方向（即从压力面流入到吸力面一侧的吹气方向）及小孔2直径，因为这些参数的变化决定了开孔设计对于扇叶内流场的作用效果，因而在进行设计流程介绍之前，先对上述参数进行定义，其定义方式如下：如图5所示，h表示扇叶的叶高，孔的径向位置l通过相对叶高（l/h）来确定，如图6所示，孔的弦向位置SHOLE通过孔出口中心点（点A）所在该叶高下吸力面相对弧长位置（SHOLE /SSS）来确定，这两个参数定了之后，各个小孔2的几何位置就确定了；在定义小孔2开孔方向过程中需先选定一个基准面，确定孔中心线与基准面的夹角，而后再确定线在基准面上的投影与基准线之间的夹角，因此，如图7所示，直线b表示空间内过A点与风扇旋转轴所平行的直线，选定直线b所在并与A点对应半径相垂直的平面作为基准面S，定义小孔2轴线 (即小孔2吹气方向)k与基准面S之间夹角为线面角α，定义小孔2轴线在基准面S上的投影k’与直线b之间夹角为方向角β，这两个角度确定之后，小孔2的吹气方向就固定了；如图8所示，d表示小孔2孔径。小孔2阵列的具体设计流程如下：根据风扇吸力面处流动分离的起始位置及流动分离范围，确定小孔2的径向位置l及弦向位置SHOLE的大致取值范围，根据抑制风扇流动分离所需的吹气流量，并同时结合小孔2吹气气流与分离区流动的掺混程度确定小孔2的的孔径d、线面角α及方向角β的大致取值范围，而后对于上述参数进行详细参数化分析，探讨不同参数取值对于风扇流场的不同作用效果，最终确定上述5个参数的具体取值，从而完成小孔2阵列设计。针对不同类型风扇，由于其流道内部气流流动机理不同，小孔2的尺寸及阵列排布位置会发生变化。该设计方法可以使得风扇工作区域内P-Q性能提高5%~10%、噪音整体降低3~7dB，功耗降低2%~5%，甚至更多。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“上”、“下”、“外侧”、“内侧”等（如果存在）是用于区别位置上的相对关系，而不必给予定性。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种高风量低噪声风扇扇叶，其特征在于，该扇叶包括扇叶本体，扇叶本体为大折转角叶型积迭而成，所述扇叶本体上的两个扇面分别为吸力面和压力面，吸力面和压力面弧度不同，吸力面上发生流体分离的起始位置为分离起始点，分离起始点位于吸力面中后部位置，所述扇叶本体上开设有至少两排小孔，且小孔均位于分离起始点的上游，小孔贯穿压力面和吸力面。

2.如权利要求1所述的高风量低噪声风扇扇叶，其特征在于，所述扇叶本体上设置有三排小孔，每排均包含多个间隔设置的小孔。

3.如权利要求1所述的高风量低噪声风扇扇叶，其特征在于，扇叶本体的叶型折转角为θ，θ的取值范围为20 ~65度。

4.一种高风量低噪声风扇，其特征在于，包括权利要求1-3任一所述的风扇扇叶，还包括扇座以及驱动装置，所述扇叶本体具有多个，多个扇叶本体均布在扇座上，所述扇座与驱动装置连接。

5.一种如权利要求1中所述高风量低噪声风扇扇叶的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

A1：增大叶型折转角；

A2：通过在分离起始点上游位置开始进行开孔设计；

A3：对小孔的尺寸及阵列布局进行设计；

A4：确定各个小孔在扇叶本体上的几何位置；

A5：确定开孔方向及小孔直径；

上述步骤并非对顺序的限制；

其中，根据风扇吸力面处流动分离的起始位置及流动分离范围，确定小孔的径向位置及弦向位置的大致取值范围，根据抑制风扇流动分离所需的吹气流量，并同时结合小孔吹气气流与分离区流动的掺混程度确定小孔的的孔径、线面角及方向角的大致取值范围，而后对于上述参数进行详细参数化分析，探讨不同参数取值对于风扇流场的不同作用效果，最终确定上述参数的具体取值，从而完成小孔阵列设计。

6.如权利要求5所述的高风量低噪声风扇扇叶的设计方法，其特征在于，设计过程中对参数进行定义，进行参数化分析。

7.如权利要求6所述的高风量低噪声风扇扇叶的设计方法，其特征在于，用h表示扇叶的叶高，孔的径向位置l通过相对叶高（l/h）来确定，孔的弦向位置SHOLE通过孔出口中心点所在该叶高下吸力面相对弧长位置SHOLE /SSS来确定。

8.如权利要求7所述的高风量低噪声风扇扇叶的设计方法，其特征在于，在定义小孔开孔方向过程中需先选定一个基准面，确定孔中心线与基准面的夹角，而后再确定线在基准面上的投影与基准线之间的夹角。

9.如权利要求8所述的高风量低噪声风扇扇叶的设计方法，其特征在于，直线b表示空间内过A点与风扇旋转轴所平行的直线，选定直线b所在并与A点对应半径相垂直的平面作为基准面S，定义小孔轴线k与基准面S之间夹角为线面角α，定义小孔轴线在基准面S上的投影k’与直线b之间夹角为方向角β，用这两个角度确定小孔的吹气方。

10.如权利要求5-9任一所述的高风量低噪声风扇扇叶的设计方法，其特征在于，针对不同类型风扇，由于其流道内部气流流动机理不同，小孔的尺寸及阵列排布位置会发生变化。