工程机械冷却风扇流场特性与气动噪声研究

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1、 工程机械冷却风扇流场特性与气动噪声研 究 第 1 章绪论1.1 研究背景随着科技的进步，工业的发展，各种各样的机械设备参与到现代 文明进程中，在人类改造自然的工作中扮演着重要角色，但同时也 给环境带来了巨大负担，光学污染、化学污染、噪声污染、能源污 染和电磁波等严重危害着人类身心健康。其中，噪声是人类环境重 要污染，长期处于高分贝噪声环境中，不仅会降低工作效率，影响 情绪，还会严重影响身体机能，减弱抵抗力。伴随着物质生活的日 愈富足，人们开始认识到噪声带来的严重危害，国家、地区和行业 因此制定并实行了严格的噪声限值标准来限制噪声污染。工程机械产品在整个国家建设中具有重要作用，由于工作环境和

2、工作载荷的多样性、复杂性，使得工程机械在工作过程中产生较大 噪声，不仅对驾驶室内的操作人员造成较大伤害，整机辐射出的噪 声对大范围内的其他人和物都造成严重损害。工程机械整机的噪声 源除了因工作装置不同之外，基本噪声源产生于动力系统、传动系 统和液压系统，其中动力系统产生的噪声在整机中占有较大比重， 分析计算其中各个噪声源的分布情况有助于降噪措施的实施，提高 整机的竞争力。国内工程机械虽然在功能上基本满足了建设需求，但在整体性能 上却落后于国外知名品牌。工程机械产品在工作过程中动力舱内容 易产生较多热量，这些热量如果不能传出舱外，将会对动力舱中各 个零部件的寿命和工作性能造成严重影响，从而降低整

3、个机械设备 的工作性能和寿命。工程机械动力舱内产生的热量一部分直接传到 周围空气中，但大部分热量需要通过冷却系统散热。冷却风扇是冷 却系统中一个比较重要的部件，冷却系统依靠冷却风扇改变动力舱 中空气流动特性，对动力系统、传动系统和液压系统等产生的热量 进行强制散热，提高散热系统的散热能力。冷却风扇作为散热系统 重要的冷空气驱动设备，虽然在散热过程中起着关键作用，但同时 也给整机带来了较大的噪声，鉴于噪声的危害和严格限制，在设计 过程中不仅要保证冷却风扇能够克服动力舱中的阻力达到散热量要求，还需要尽量减小其工作过程中产生的噪声，正是因为冷却风扇 的重要作用及对风扇降噪的要求，所以有必要对工程机械

4、冷却风扇 流场与噪声特性进行研究。1.2 工程机械冷却风扇噪声产生机理1.2.1 工程机械冷却风扇简介工程机械冷却风扇属于轴流式叶片风机。风机是一种将原动机机 械能转换为气体热能和动能的气体输送机械，按照工作原理可以分 为容积式风机、喷射式风机和叶片式风机三大类。容积式风机依靠 容积变化改变压力来输送气体；喷射式风机主要靠高压工作介质流 过喷嘴时速度增大压力下降而输送气体，该种风机结构简单，但效 率很低，常用于高温高压等特殊场合；叶片式风机主要包括轴流式、 离心式、混流式三类风机。工程机械冷却风扇普遍采用单级轴流风机，其工作原理是依靠旋 转的叶片将机械能转变成气体能量，气体克服动力舱阻力后驱动

5、空 气流动将热量传出动力舱。与离心式风机相比轴流式风机具有低压 力、低噪声、高流量和占用空间小的特点，早期的轴流风机全压和 效率都较低，20 世纪航空事业的发展促进了机翼理论和叶栅理论的 研究，这些理论成果和实验数据极大地改善了轴流风机的性能。工 程机械设备为了保证动力舱内有较好的换热效果，需要在满足换热 量的要求下根据机翼理论和叶栅理论进行冷却风扇的设计，另外还 需要通过多种降噪方法对冷却风扇进行降噪设计。轴流式风机是指通过叶轮流道的气流以近似平行于旋转轴方向流 动的叶片式风机。轴流风机一个完整的级包括前后导流器和叶轮， 单级轴流风机主要有四种级的形式：单独叶轮级（R 级）、前导流 器+叶轮

6、级（P+R 级）、叶轮+后导流器级（R+S 级）、前导流器+ 叶轮+后导流器级（O+R+S 级）；多级轴流风机则是由不同的单级 轴流风机组合而成。R 级风机具有制造方便、结构简单，压力和效 率较低的特点，工程机械所用的冷却风扇采用的是单独叶轮级轴流 风机。工程机械冷却风扇按照气流方向不同分为正向型风扇和反向型风 扇，如图 1.1 所示。第 2 章冷却风扇性能数值模拟圆弧板翼型冷却风扇通常是薄金属板冲压后与托板铆接而成或直 接冲压成型，由于制造简单，在工程机械中运用较为广泛。在空气 密度较低的场合，圆弧板翼型冷却风扇具有比飞机翼型风扇更好的 气动性能，但随着噪声危害问题的日愈被重视，不仅仅要求有

7、较好 的流量、压力等气动性能，还要求具有较低的噪声，所以有必要进 一步研究圆弧板翼型冷却风扇的降噪方法。2.1 冷却风扇性能参数冷却风扇经设计制造出来之后本身的属性就基本确定，这些性能 参数主要包括流量、压力、效率、功率和转速，所以对风扇性能的 研究主要从设计具有高性能风扇结构参数的角度出发，另外随着人 们的噪声危害意识增强和环境对噪声的要求越来越高，风扇的运行 特征参数噪声，成为评价风扇性能的一个重要参数。2.1.1 冷却风扇转速转速虽然不是冷却风扇的本身属性，但是冷却风扇的性能曲线都 是在不同转速下测得，不同转速的风扇具有不同的流量、压力和功 率等，所以转速和流量、压力、功率是在冷却风扇选

8、用时同时考虑 的主要参数，转速用符号 n 表示，单位为 r/min。2.1.2 冷却风扇噪声风扇噪声性能是风扇在工作过程中的一个运行特征，冷却风扇噪 声包括机械噪声和气动噪声，风扇气动噪声在整个动力舱中是一个 重要的噪声源，分为旋转噪声和涡流噪声。旋转噪声在基频处的噪 声值最高，这个噪声值通常是冷却风扇的最高声压值，涡流噪声受到风扇转速、叶片结构特征、叶栅参数、气流参数和具体工作条件 等影响会在较大频带上变化。旋转噪声是由于旋转的风扇叶片对周围空气施加作用力，使空气 压力产生脉动，进而使空气的流动状态变得不均匀，产生噪声，这 种噪声是冷却风扇旋转噪声的主要成分；此外由于风扇的旋转，叶 片前缘区

9、域会形成较厚的空气附面层，空气在风扇流道中流动时受 到叶片安装角、叶型等的影响会使叶片尾缘区域空气压力和速度小 于风扇叶片间流道区域的压力和速度，形成不稳定的脉动压力，产 生噪声。旋转噪声又叫叶片噪声，其频率是以叶片通过频率为基频 的一系列离散频率.2.2 冷却风扇流场特性仿真分析工程机械在选用冷却风扇之前需要根据动力舱中散热量的要求选 择能克服系统阻力且消耗发动机功率较小的风扇，选择的依据通常 是根据冷却风扇的性能数据及相应的性能曲线，这些性能数据和性 能曲线都直接或间接地来源于性能试验，而随着 CFD 技术的成熟， 冷却风扇的性能数据和性能曲线都能快速准确地从 CFD 软件中获得。 以下以

10、某工程机械的冷却风扇为分析对象，根据风扇气动性能试验 的相关标准进行风扇性能的数值模拟。2.2.1 冷却风扇及风道几何模型建立风扇性能试验方法按照 GB/T1236-2000 中规定的进气法，按照试 验中采用的 C 型装置建立虚拟标准风道三维几何模型，C 型进气试 验装置的示意图如图 2.3 所示：试验风扇为圆弧板翼型金属风扇，原风扇的相关结构参数如表 2.1 所示：根据风扇结构参数、设计图纸和风扇实物用三维设计软件 UG 建 立适于数值模拟的三维几何模型，风扇实物及经过简化的几何模型如图 2.4 所示：第 3 章冷却风扇结构参数对性能的影响.393.1 冷却风扇叶片安装角对性能影响.393.

11、2 冷却风扇叶片弦长对性能影响.41第 4 章冷却风扇大流量低噪声研究.534.1 圆弧板冷却风扇叶片改进.534.2 风扇、导风罩和散热器三者相对位置研究.57第 5 章动力舱内流场与冷却风扇噪声分析.635.1 动力舱原始状态流场与声场分析.635.1.1 动力舱几何模型建立.63第 5 章动力舱内流场与冷却风扇噪声分析工程机械冷却风扇在动力舱内部工作，风扇驱动冷空气的流动受 到动力舱中发动机、变矩器、变速器、散热器组、空气滤清器、消 声器及机罩上各个通风开口等影响，风扇的工作受到这样一个系统 阻力，影响了通过散热器的风量，从而影响了整机的散热能力和工 作性能，并且在这样的流场中，风扇进气

12、口的气流条件比较紊乱， 对实际工作中的风扇噪声影响较大，所以有必要在动力舱中对风扇 辐射的环境噪声进行对比分析。5.1 动力舱原始状态流场与声场分析根据某工程机械动力舱的内部结构，建立数值计算模型，整机定 置不动，变速器处于空挡位置，发动机由低速空转直到空载稳定状 态，然后进行分析。5.1.1 动力舱几何模型建立根据某工程机械及其部件的实际结构尺寸，在三维软件 UG 中建 立具有发动机、冷却风扇、散热器组等结构的动力舱模型，为了便 宜使数值计算，对实际结构中对结果影响不大的细节结构进行简化 处理，最终建立的动力舱几何模型如图 5.1 所示。第 6 章全文总结冷却风扇与散热器的组合是工程机械冷却

13、系统的重要部件，工程 机械的工作性质使得系统产生大量的热，而动力系统、液压系统和 传动系统产生的热量基本上是通过置于动力舱中的散热器传出，冷 却风扇的应用能使动力舱中大量的热及时传出，为了增加散热量， 冷却风扇需要具有较大的流量，但往往具有较大流量的风扇会辐射 出较大的噪声，冷却风扇的噪声是整机噪声源中的一个重要组成部 分，是工程机械噪声控制的一个重要研究方向。冷却风扇的流量、 压力和噪声性能由结构参数决定，同时还受到发动机和散热器等动 力舱内部零部件的安装位置等因素影响，本文主要从以下几方面对 冷却风扇的性能进行研究，并得到了一些规律。（1）按照风扇气动性能试验的相关标准，在 FLUENT

14、软件中模 拟风扇的气动性能试验，并将仿真得到的风扇流场性能和噪声值与 实际试验值进行对比，经过对比发现风扇流量、压力等性能最大误 差不到 2%，噪声误差不到 10%，认为该种研究方法用于对比研究。（2）研究冷却风扇结构参数对流体性能和噪声的影响。主要研 究了冷却风扇叶片安装角、叶片弦长、叶型半径和叶片数等参数变 化对风扇流量、静压和噪声性能影响的规律，分析了不同转速对风扇性能的影响。通过分析发现：叶片安装角、叶片弦长和叶片数三 个参数在一定范围内增大时风扇流量、静压和噪声均增大；叶型半 径增大，流量、静压和噪声总体趋势增大。（3）从冷却风扇叶片改进方案及风扇、导风罩、散热器三者间 相对位置关系

15、两方面研究如何提高冷却风扇的性能，并降低噪声。 将 NACA9502 翼型、在叶片上设计导流片、叶片不等距分布和增加 环形风圈等方案与原始冷却风扇进行对比，叶片不等距分布方案有 最小的噪声值，增加环形风圈方案有最高的流量和较低的噪声值。 对风扇、导风罩、散热器三者间相对位置关系分析发现：风扇与导 风罩之间的径向间隙在 15mm 时噪声较小，同时流量和压力特性较 好；风扇在导风罩内的沉入量取 30mm 有较好的效果；吹式风扇出 口端距冷却液散热器冷空气入口端为 113mm 时具有较好的性能。（4）对安装某圆弧板冷却风扇的工程机械动力舱环境进行数值 模拟，从传播途径进行降噪角度出发，封闭动力舱机罩上部分通风 开口后进行流场和声场计算，发现风扇噪声降低 2dBA，将风扇改为 吸式风扇并没有改善。另外从已研究的冷却风扇叶片改进方案和风 扇、导风罩、散热器三者间相对位置两个方面选择具有较好流量和 噪声特性的组合形式对原始动力舱进行改进，改进后冷却风扇流量 增大，噪声降低 4dBA，在此改进方案的基础上继续研究三种改进方 案，结果表明去除导风罩环形部分同时减小吹式风扇入口处环形风 圈 1/3 宽度方案在散热风量变化不大的情况下，风扇噪声比原始方 案降低 6.5dBA。