CN1299011C - 吸风式轴流风扇 - Google Patents

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Abstract

一种高效的轴流风扇(2)，它包括中央轮毂(6)、若干叶片(8)和卡箍(9)，并设计成例如在汽车发动机冷却组合件中，该风扇在护罩(4)内运行，以产生通过一台或多台热交换器(5)的空气流动。风扇叶片(8)具有节距比的径向分布，这在热交换器(5)和护罩(4)产生的非均匀流场中提供了高效和低噪声。叶片(8)或没有扫掠，或在径向位置r/R＝0.70与末梢(r/R＝1.00)之间的区域中成后掠(即与旋转方向相反)。叶片节距比从径向位置r/R＝0.85增加至r/R＝0.90与r/R＝0.95之间的径向位置，然后减少至叶片末梢。

Description

吸风式轴流风扇
                        技术领域
本发明一般涉及风扇，特别是涉及那些例如汽车发动机冷却组合件中、用于使空气移动通过散热器和热交换器的风扇。
                        背景技术
典型的汽车冷却组合件包括风扇、电动机，以及护罩，并联同散热器/冷凝器(热交换器)，它通常放置在风扇的上游。风扇包括布置于中央的、受旋转轴驱动的轮毂，若干叶片以及径向的外环或卡箍。每片叶片以其根部连接至轮毂，并基本沿径向伸展至其末梢，在此处它连接至卡箍。此外，每片叶片在一个角度下倾斜至风扇的旋转平面，以便在风扇旋转时产生通过冷却组合件的轴向空气流。护罩具有进气室，它引导空气从热交换器(一些热交换器)流向风扇，并在旋转卡箍处以最小的间隙(与生产容差相一致)围绕风扇，从而使回流达到最小。还知道可将热交换器放置在风扇的下游(高压)侧，或同时放置在风扇的上游和下游两侧。
像大多数空气移动装置一样，此组合件中应用的轴流风扇的设计主要要满足两个准则。首先，它必须有效地运行，克服热交换器和汽车发动机舱室的阻力输送大流量的空气，同时吸收最小量的机械/电功率。其次，它运行时应产生尽可能小的噪声和振动。还考虑其它的准则。例如，风扇在结构上必须能承受住运行期间所经受的空气动力学和离心力负载。设计者必须面对的一个附加项目是可利用的空间。冷却组合件必须在汽车发动机舱室的界限内运行，通常对护罩和风扇的尺寸有严格的限制。
为满足这些准则，设计者必须优化若干设计参数。这些参数包括风扇直径(通常受可利用空间的约束)、转速(也常常受制约)、轮毂直径、叶片数，以及叶片形状的各种细节。已知风扇叶片具有机翼截面，其节距、弦长、折转角和厚度可加以选择以适应特定的应用，其平面形状可以、或是纯粹径向的，或是向后或向前扫掠(斜交)的。此外，叶片可对称或非对称地围绕轮毂而间隔地配置。
                       发明内容
通过将叶片节距作为半径的函数加以控制，我们已发现了一种加箍风扇的风扇叶片的设计，它适用于由热交换器和护罩产生的流动环境，因此，它能给出更高的效率和降低的噪声。叶片节距直接影响风扇的泵送能力。它必须在风扇的转速、空气通过风扇的流量以及要求风扇产生的压力升高的基础上进行选择。特别关心的是精确的节距的径向变化，它取决于叶片斜交，也取决于通过风扇的空气流量的径向分布。
使风扇叶片斜交(常常这样做以减少噪声)会改变它的空气动力学性能，因此，叶片节距必须调节用以均衡。具体讲，相对旋转方向向后斜交的叶片一般应具有缩小的节距角，以便在给定条件下产生的升力与非斜交、但所有其它方面均相同的叶片的升力相同。相反，向前斜交的风扇叶片通常应具有增大的节距以给出相同的性能。本发明将把这些因素均加以考虑。
此外，本发明计及空气进给速度的径向变化。在图1所示组合件情况，流入的空气流过散热器，然后受护罩进气室的迫使迅速从散热器大横截面的流动面积收缩至护罩中风扇开口的较小的流动面积。这造成风扇的流场在径向高度的不均匀。
本发明提供了一种风扇，包括：轮毂，它能在轴上旋转；若干机翼型叶片，每片叶片从连接至所述轮毂的根部区域径向向外伸展至末梢区域；一个圆形的卡箍，它连接叶片末梢区域；每片所述叶片：(i)在r/R＝0.70与叶片末梢上r/R＝1.00之间的区域中，或具有径向的平面形状，或成背离旋转方向的后掠状；和(ii)定位在一个节距比上，该节距比为π×r/R×tanβ，其中R为风扇的半径，r为沿风扇半径的某一点的径向距离，β为叶片截面与风扇旋转平面之间的夹角，该节距比：A.从第一径向位置r/R＝0.85至第二径向位置是增加的，所述第二径向位置在r/R＝0.90与r/R＝0.975之间，和B.从所述第二径向位置至所述叶片末梢是减少的。
本发明的一个或多个实施例的细节设定在附图及以下的说明中。本发明的其它特点、目的和优点将由说明书和附图，以及由权利要求变得更为清晰。
                          附图说明
图1是风扇、电动机和护罩的分解透视图。热交换器示意地示于风扇的上游。
图2是风扇的透视图，该风扇具有本发明描述的特征。
图3表示从排出(下游)侧察看的风扇平面视图。
图4展示了叶片的斜交角，它定义为在给定半径相交叶片弦线中点线的径向线与在叶片根部相交叶片弦线中点线的径向线之间的角度。还展示了叶片的扫掠角。
图5表示典型的风扇卡箍几何形状的横截面。
图6表示汽车冷却组合件的详细横截面，它包括热交换器、具有进气室的护罩、泄漏控制装置、出口喇叭口、电动机支架和支承定子、电动机，以及加箍的风扇。
图7是一种风扇联同在典型汽车冷却组合件中应用的护罩的前视图，该风扇具有本发明描述的特征。
图8表示在护罩中运行的风扇，在不同面积比下，其周向平均的轴向速度沿径向的分布。
图9A表示冷却组合件的简化横截面，该冷却组合件包括热交换器、护罩、电动机和含轮毂的风扇。流线轨迹表示空气通过组合件的流动。图9B表示平行于旋转轴线的速度分量的等高线，展示了发生于风扇叶片末梢附近的流量的集中。
图10表示典型的叶片横截面及进气速度向量。
图11表示在护罩中运行的风扇，在不同面积比下，其节距比沿径向的分布。
图12是空气流组合件的分解透视图，该组合件包括风扇、电动机、护罩，以及设置在风扇上游和下游两侧的热交换器。
图13A表示空气流组合件的简化横截面，该组合件具有护罩、电动机、包含轮毂的风扇，以及设置在风扇上、下游两侧的热交换器。流线轨迹表示空气通过组合件的流动。图13B表示平行于旋转轴线的速度分量的等高线，展示了发生于风扇叶片末梢附近的流量的集中。
图14表示风扇的透视图，该风扇具有本发明所描述的特征。
在不同附图中以相同的标号指示相同的部件。
                    详细说明
图1表示一种冷却组合件的主要部件，包括风扇、电动机、护罩以及在风扇上游的热交换器。同样，图12表示一种冷却组合件的主要部件，其中热交换器位于风扇的下游。
图2-3表示本发明的风扇2。风扇设计成引发通过汽车热交换器的空气流，它具有位于中心的轮毂6和若干叶片8，叶片8径向向外伸展至外卡箍9。风扇由模压塑料制成。
轮毂一般为圆柱形，并在一端具有光滑的表面。位于此表面中心的孔20使受电动机驱动的轴能插入，用于围绕风扇中心轴线90(示于图4中)旋转。轮毂的相对端是中空的，用以安放电动机(未表示)，并包括若干肋30，用于增加强度。
在所示的实施例中，叶片8在末梢区域向后掠，或与旋转方向12相反地扫掠。叶片斜交和叶片扫掠定义如下。斜交角40是径向参考线41与在给定半径45通过平面形状弦线中点的第二径向线之间的夹角(图4)，该径向参考线在叶片根与叶片的弦线中点线42相交。正的斜交角40表示在旋转方向斜交。零斜交角40或随半径恒定的斜交角40表示叶片具有直的平面形状(径向叶片)。叶片后掠角47是在给定半径通过平面形状弦线中点线的径向线与弦线中点的轴向投影在同一给定半径的切线之间的夹角(图4)。因此，根据此约定，向后扫掠意味着斜交角局部减少。与具有径向叶片的风扇相比，在末梢区域叶片成后掠的风扇一般产生较小的大气噪声，还将占据较小的轴向空间，因为叶片在末梢区域具有较小的节距。
外卡箍9(图5)通过在叶片8的末梢46支承叶片8使风扇2的结构强度加强，并通过减少围绕叶片末梢从叶片高压侧至低压侧的空气回流量提高了空气动力学效率。在叶片末梢连接至卡箍的区域，卡箍必须差不多是圆筒形的，以便能进行模压生产。在叶片的前方，或上游，卡箍包括径向，或近似径向部分(唇部)50以及喇叭口半径51，它用作卡箍的圆柱部分52与径向部分50之间的过渡。
从空气动力学方面来说，喇叭口51起喷嘴的作用，用以引导气流进入风扇，并设置尽可能大的半径以确保气流平稳流过风扇叶片排。但是，空间制约一般将半径限制在小于10-15mm的长度内。
图6表示连同典型汽车冷却组合件1的各种部件的风扇2的横截面，包括热交换器5、具有进气室10的护罩4、泄漏控制装置60、出口喇叭口61、电动机支架62和支承定子63，以及电动机3。图7表示了同一风扇和护罩的前视图，图中指示了风扇的直径以及护罩进气室10的尺寸。护罩进气室可以也可以不与汽车散热器的尺寸相符，且通常，但不必须是，矩形横截面。进气室的主要目的是起漏斗的作用，使风扇从热交换器的大横截面面积吸进空气，从而使空气流的冷却效应达到最大。护罩也阻止空气从风扇的高压排出侧至紧挨风扇的上游的低压区域的回流。
已发现，护罩和风扇的相对横截面积是一个影响风扇进气量的重要因素。此因素，或参数，今后将称为“面积比”，对矩形护罩将计算如下：
此处L护罩是护罩开口的长度，在此处护罩连接至散热器，H护罩是护罩开口的高度，在此处护罩连接至散热器，而D风扇是风扇直径。
图8表示在不同面积比下，风扇进气轴向速度(周向平均)随叶片径向位置的分布。注意，对在正方形护罩中运行的风扇，理论的最小面积比是4/π，或近似是1.27。而1.40的适中面积比引起轴向进气速度几乎没有径向变化，更大的面积比在叶片末梢附近区域产生显著高得多的轴向进气速度。
图9A表示通过散热器5、护罩4和风扇2的风扇旋转轴线90的流动截面(1/2平面)。此护罩-风扇组合件的面积比是1.78。表示了流线以表示通过散热器5和风扇2的流动形式。空气在迅速收缩通过风扇2之前，由于散热器5的冷却肋片，被迫沿平行风扇旋转轴线90的方向(轴向)而流动。图9B表示同一流动截面，但具有轴向速度的等高线。在风扇的末梢46附近可清楚地看到高流动速度的区域。
进气速度剖面的这一特点具有若干原因。首先，热交换器冷却肋片的流动拉直效应阻止在护罩外角的流入的空气流在风扇开口上收缩，直至它通过热交换器之后。因此，气流被迫在热交换器与风扇之间可利用的较短的轴向空间中迅速收缩。此流动特点被散热器的空气动力学阻力(压降)所放大，它阻止在风扇的正前方形成高速流动，而在外角造成流过散热器的空气量的相对增加。从这些外角收缩的流动然后在流过风扇之前，必须在风扇卡箍处突然转向。如前所述，风扇卡箍上的喇叭口半径通常限制在小于10-15mm的尺寸，从而在护罩/风扇开口的唇部发展成较快运动的空气的集中射流。对风扇末梢区域较高速度有贡献的一个重要附加因素是通过热交换器时压头损失随径向位置变化。在外角流动较慢的空气当它通过散热器时损失较小的压头。在外半径处留于流动中的较大的剩余能量造成风扇末梢附近较高的速度。
在图8和图9B中显然可见的还有轴向速度在风扇叶片的径向最外末端部分的突然下降。这是由于壁面上的摩擦，也由于在卡箍的喇叭口51处“射流”流动下游的压力迅速恢复。此收缩断面效应引起叶片末梢46附近的大容量流量在其通过风扇时径向向内移动，在叶片最末端的末梢46建立一个空气移动较慢的区域。
应指出的是，这些流动特征在热交换器放置在风扇的上游和下游两侧时(图12)也存在。当热交换器只位于风扇的下游侧时，在卡箍处仍将产生加速流动的集中射流，但是，射流的强度将下降。
虽然设计良好的风扇可能降低这些进气速度的径向变化，但要完全消除它们是困难的，特别对具有大面积比的空气流组合件。它也可以是自挫败型的，因为改变风扇速度场以改进风扇效率能以下述方式影响热交换器的流动，即增加热交换器的阻力，从而产生整个系统效率的零净增益。因此，为了获得护罩和热交换器(一些热交换器)的安静和高效的运行性能，风扇设计者在发展叶片设计(特别是叶片节距分布)时，应预料到非均匀的流动环境。
图10表示相对旋转风扇叶片、在一个恒定半径的叶片截面上、风扇上游的近距离处的进气速度向量VTOT。进气向量包括由风扇旋转引起的旋转分量VROT(由于风扇产生的旋涡流动，在下游减弱)以及由于空气通过风扇的主要流动引起的轴向分量VX。从图10可容易地推断，在轴向速度VX较高的区域，节距角β应增加以维持要求的攻角α。相反，在轴向速度减少的区域，要求叶片节距下降。
图11表示与图8所示的进气速度分布相对应的叶片无量纲节距比分布。节距比定义为叶片节距与风扇直径之比，其中节距是，如果在固体介质中旋转，叶片截面通过一次轴向旋转时对每一机械旋转的理论轴向移动距离。节距比可由叶片节距角β(即叶片截面与旋转平面之间的夹角)按π×r/R×tanβ(其中R为风扇的半径，r为沿风扇半径的某一点的径向距离，β为叶片截面与风扇旋转平面之间的夹角)计算，但是是一个比节距角更直观的参数。例如，忽略斜交和旋涡(冲洗)效应，在完全均匀进气中运行的风扇在横跨叶片的宽度上具有恒定的节距比。但是，节距角将随半径而减小。这样，节距比是叶片设计中斜交、旋涡和非均匀进气速度的影响的更直接的指示器。
在图11中所有的叶片设计是后斜交的，并具有与图1-3中所示风扇相似或等同的斜交分布。在一些情况，叶片数、叶片弦长、厚度和折转角不相同。对面积比为1.4的较低面积比，进气大体上是均匀的(图8)，因此斜交影响支配节距分布的选择。由先前的专利，包括美国专利NO.4569632在内，可预期，对于后斜交风扇，其节距比随半径持续下降，特别在叶片的径向外侧部分。但是，对于大的面积比，进气速度分布的影响变得显著了。最终的最佳叶片节距分布表示在轴向进气速度正在增加的径向区域中节距比增加，随之而来的是在叶片的最外侧部分节距比减小。这与先前文献中描述的径向和后斜交风扇的节距分布不同。
本发明提出的风扇以这样一种径向节距分布为特点，当风扇在护罩中运行于由一台或多台热交换器形成的非均匀流场中时，这种径向节距分布能提高效率，并减少噪音。在较优实施例中，风扇叶片的平面形状是径向的，或在径向位置r/R＝0.70与末梢(r/R＝1.00)之间的区域是成后掠的。叶片从径向位置r/R＝0.85至r/R＝0.90与r/R＝0.975之间的一个径向位置具有增大的节距比。从此局部最大节距比位置起，节距比向着叶片末梢(r/R＝1.00)减少。
在更优选的实施例中(图14)，风扇叶片的平面形状是径向的，或在径向位置r/R＝0.70与末梢(r/R＝1.00)之间的区域是成后掠的。叶片从径向位置r/R＝0.85至r/R＝0.90与r/R＝0.975之间的一个径向位置具有增大的节距比。从此局部最大节距比位置起，节距比向着叶片末梢(r/R＝1.00)减少。此外，在r/R＝0.90与r/R＝0.975之间区域的局部最大节距比要大于在r/R＝0.75与r/R＝0.85之间区域的最小节距比值，所大的量等于或大于所述最小节距比的5％。
在另一更优选的实施例中(图14)，风扇叶片的平面形状是径向的，或在径向位置r/R＝0.70与末梢(r/R＝1.00)之间的区域是成后掠的。叶片从径向位置r/R＝0.825至r/R＝0.90与r/R＝0.95之间的一个径向位置具有增大的节距比。从此局部最大节距比位置起，节距比向着叶片末梢(r/R＝1.00)减少。此外，在r/R＝0.90与r/R＝0.95之间区域的局部最大节距比要大于在r/R＝0.775与r/R＝0.825之间区域的最小节距比值，所大的量等于或大于所述最小节距比的20％。
在最为优选的实施例中(图14)，风扇叶片的平面形状是径向的，或在径向位置r/R＝0.70与末梢(r/R＝1.00)之间的区域是成后掠的。叶片从径向位置r/R＝0.775至径向位置r/R＝0.925具有增大的节距比。从位置r/R＝0.925起，节距比向着叶片末梢(r/R＝1.00)减少。此外，在r/R＝0.925处的节距比大于在r/R＝0.775处的节距比，其所大的量等于或大于所述最小节距比的20％。
保持叶片节距分布具有上述较优的特征能为在热交换器附近，诸如汽车冷凝器和散热器附近的护罩中运行的风扇提供较高的效率和降低的噪声。
已描述了若干本发明的实施例。但应明白，只要不偏离本发明的精神和范围，仍可进行各种修改。非均匀的确切性质取决于若干因素，包括散热器和护罩的几何形状，还受到风扇下游物品，诸如障碍物或附加的热交换器的影响。风扇能安静和有效运行的节距的最佳径向分布也将取决于这些因素，且一般将在不同设计的冷却组合件之间有所不同。因此，其它实施例也在下述权利要求的范围之内。

Claims (15)

1.一种风扇，包括：
轮毂，它能在轴上旋转；
若干机翼型叶片，每片叶片从连接至所述轮毂的根部区域径向向外伸展至末梢区域；
一个圆形的卡箍，它连接叶片末梢区域；
每片所述叶片：
(i)在r/R＝0.70与叶片末梢上r/R＝1.00之间的区域中，或具有径向的平面形状，或成背离旋转方向的后掠状；和
(ii)定位在一个节距比上，该节距比为π×r/R×tanβ，其中R为风扇的半径，r为沿风扇半径的某一点的径向距离，β为叶片截面与风扇旋转平面之间的夹角，该节距比：
A.从第一径向位置r/R＝0.85至第二径向位置是增加的，所述第二径向位置在r/R＝0.90与r/R＝0.975之间，和
B.从所述第二径向位置至所述叶片末梢是减少的。
2.如权利要求1所述的风扇，其特征在于，X代表r/R＝0.90与r/R＝0.975之间区域中的最大节距比值，而Y代表r/R＝0.75与r/R＝0.85之间区域中的最小节距比值，且X≥1.05Y。
3.如权利要求1所述的风扇，其特征在于，
(i)节距比从r/R＝0.825至所述第二径向位置是增加的，所述第二径向位置在r/R＝0.9与r/R＝0.95之间，该节距比从所述第二径向位置至所述叶片末梢是减少的，和
(ii)Q代表r/R＝0.90与r/R＝0.95之间区域中的最大节距比值，而Z代表r/R＝0.775与r/R＝0.825之间区域中的最小节距比值，且Q≥1.2Z。
4.如权利要求3所述的风扇，其特征在于，节距比从r/R＝0.775至所述第二径向位置是增加的，而所述第二径向位置位于r/R≥0.925处。
5.如权利要求1所述的风扇，其特征在于，所述风扇制作成整体结构。
6.如权利要求1所述的风扇，其特征在于，所述整体结构由模压塑料制成。
7.一种空气流组合件，它产生至少通过一台热交换器的轴向空气流，所述组合件包括：
(i)根据权利要求1-6中任一权利要求所述的风扇；和
(ii)护罩，该护罩具有从所述风扇伸展至所述热交换器的周边壁，用以引导空气流动通过所述热交换器。
8.如权利要求7所述的空气流组合件，其特征在于，所述组合件适用于连接至放置在所述风扇上游的热交换器上，而所述周边壁伸展于所述风扇的上游，用以形成一个从所述热交换器流出的空气的入口。
9.如权利要求8所述的空气流组合件，其特征在于，
组合件产生至少通过一台位于所述组合件下游的附加热交换器的轴向空气流；
护罩具有周边壁，它伸展于所述风扇的下游，用以形成一个通过所述附加热交换器的空气流的排出口。
10.如权利要求7所述的空气流组合件，其特征在于，所述组合件适用于连接至放置在所述风扇下游的热交换器，而所述周边壁伸展于所述风扇的下游，用以形成一个从所述热交换器流过的空气的排出口。
11.如权利要求7-10所述的空气流组合件，其中，所述护罩还包括进气室表面，用以阻止空气从风扇的高压排出侧至紧挨风扇的上游低压区域的回流；该护罩具有一个周边缩小的开口，该开口在所述卡箍的外边缘严密地封闭所述风扇。
12.如权利要求7所述的空气流组合件，其特征在于，所述组合件适于供汽车发动机冷却热交换器之用。
13.如权利要求11所述的空气流组合件，该空气流组合件还包括所述热交换器。
14.一种空气流组合件的组装方法，该方法包括，提供：
(i)根据权利要求1-6中任一权利要求所述的风扇；和
(ii)护罩，该护罩具有从所述风扇伸展至所述热交换器的周边壁，用以引导空气流动通过所述热交换器，所述护罩还具有漏斗样的进气室表面，用以阻止空气从风扇的高压排出侧至紧挨风扇的上游低压区域的回流，该护罩具有一个周边缩小的开口，它在所述卡箍的外边缘严密地封闭所述风扇；以及
组装所述风扇和所述护罩，以生产所述空气流组合件。
15.一种冷却组合件的组装方法，该方法包括：
(i)提供如权利要求7所述的空气流组合件以及热交换器；和
(ii)将所述空气流组合件组装至所述热交换器上。
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