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1、冷却系统的作用和设计要求内燃机运转时，与高温燃气接触的零件收到强烈的作用，如不加以适当的冷却，会使内燃机过热，充气效率下降，燃烧不正常，机油变质和烧损，零件的摩擦和磨损加剧，使内燃机的可靠性、耐久性、动力性和经济性全面恶化。如果冷却过强，则会使摩擦损失、散热损失增加。因此，冷却系统的作用就是使内燃机在各种环境和工况下都能够在核实的温度下工作。设计要求如下：1) 内燃机在各种工况、气候下都能正常工作；2) 本身消耗功率小；3) 拆装维修方便；4) 使用可靠、寿命长、成本低。5)全套图纸加扣 3346389411或3012250582风扇设计为了强制足够的空气量通过散热器，必须在冷却空气道中安置风
2、扇。柴油机水冷却系的风扇，要求风量足够、压头适度、功率消耗少、效率高、噪音低以及工艺简便。轴流式风扇在低压头下风量大，效率较高、结构紧凑、布置方便，采用最广泛。图11 风扇叶轮结构一、轴流式风扇结构参数选择1. 风扇外径D风扇外径的选取应考虑以下几点：1) 所需的风量及风压；2) 风扇对散热器芯子的覆盖面积应尽量大；3) 风扇的圆周速度不可太高，太高则产生的噪声会很高，一般控制在70m/s，最高不超过110120m/s。水冷内燃机风扇的外径首先由散热器芯部的正面尺寸决定，然后再决定其他参数和尺寸。风扇轮叶扫过的环面积等于散热器芯部正面积 AR 的45%60%，而风扇轮叶内径与外径之比d/D=0
3、.280.36，则：4(D2-d2)=(0.450.6) AR ( 1-1a )即 D=(0.790.93)AR ( 1-1b ) 根据现有的资料统计，汽车、拖拉机和固定式发动机的风扇外径，一般在 D=0.30.8m左右，对重型拖拉机和大型载重汽车取上限。机车用柴油机功率较大，其风扇外径一般选取 D=1.21.6m左右。有取2m以上的或用数个较小外径的风扇。2. 风扇轮毂比 d 风扇轮毂直径d（如图1-1）与风扇叶轮外径之比 d=d/D 称风扇轮毂比。图12 叶片安装角 轮毂直径d取得过小，使叶片根部处于不合理状态；取得过大，风扇有效面积小，使容积率 V 下降。但叶片短、刚度大。3. 风扇叶片
4、安装角 叶弦与风扇叶轮平面间的夹角称叶片安装角，如图1-1所示。叶片安装角等于攻角 加平均气流角 ，如图1-2所示。平叶片的最佳安装角 =4045，而凸叶片的最佳等安装角 =2535。取大的 角，可增加风量，但驱动风扇所需的功率则急剧增加，所以 角不能取得过大。等安装角的风扇效率较低，但制造方便。为了提高风扇效率，可采用变安装角叶片，将叶片沿长度方向扭曲，从叶根到叶梢角在4515范围内变化。4. 叶弦宽b和拱高 f 为保证风扇驱动功率消耗少，选取b=(0.150.25)D，常见取b=0.175D。 由试验得知拱高 f 弦宽b之比 f/b=0.050.1较为合适。5. 风扇叶片数 Z 实践表明，
5、增加叶片数Z并不显著增加风扇的流量，一般 Z=46片，也有810片的。 叶片边缘到散热器的距离一般为830mm，可使流过整个散热器的气流均匀，以提高冷却效果。6. 径向间隙S 风扇和护风圈之间必须有520mm的径向间隙。减小径向间隙，可提高风扇的容积效率，但对结构和制造质量要求较高。护风圈的结构要求有足够大的刚度。为防止护风圈与风扇相碰，可把散热器与柴油机坐整体安装。7. 叶片圆弧的曲率半径 r叶片选用薄钢板的轴流风扇（如图1-1a），其曲率半径一般取r=0.30.4D。这种叶片的大量生产工艺性较好。试验表明弦宽 b 和圆弧半径 r 之比b/r=0.40.8 较合适。有的风扇叶片采用铝合金铸造
6、或钢板焊接组合的机翼型叶片，如图1-1d所示，其叶片形状合理，空气动力性好，风扇效率高。8. 叶片长度 h 和叶片厚度 如图1-1a所示，一般取 h=(0.30.5)D，取 =0.02D为好。9. 风扇外径出的圆周速度 u2u2=nD60 (m/s) ( 1-2 )二、风扇性能参数 选择和设计冷却风扇叶轮，主要根据所要求的风量和风压。而风量、风压以及消耗功率等参数，可以通过计算或根据经验确定。1. 风量（空气流量）Qo=Qw3600oCpto (m3/s) ( 1-3 )式中 Qw散热器的散热量（kcal/h）； o空气重度（kgf/m3）； Cp空气比热，为0.24 kcal/kgf to进
7、、出散热器的空气温差，一般取1030。2. 自由排风的风压（阻力）po=pR+pf (kgf/m2) ( 1-4 )式中 pR散热器的风阻（kgf/m2）； pf风道系统的阻力（散热器除外）（kgf/m2）； pf=（0.351.5）pR。经验表明：汽车拖拉机风扇取 po=2050 kgf/m2，机车风扇可取po=100 kgf/m2左右。风扇的压头可由下式求出：Ho=poo (mH2O) ( 1-5 )3. 风扇消耗的功率N=poQo75 (PS) ( 1-6 )式中 风扇效率。三、风扇设计方法 风扇的设计计算方法很多，常用的两种方法是计算法（考夫曼计算法）和图表法。1. 计算法此法根据所需
8、的风量 Qo 和风压 po 选取风扇叶轮直径D和转速n，然后设计风扇叶片。所用计算公式如下：a) Co=po u 1-7 式中 Co周向激起速度（m/s）； po压力差（kgf/m2）； 风扇总效率，可取 =0.50.6； 0时空气密度，取 =0.132 kgfs2/m4； u任意半径 ri 处叶片断面的圆周速度（m/s）。b) W=Cm2+(u-Co/2)2 1-8 式中 W叶片计算断面与空气相对流速（m/s）； Cm空气轴向流速（m/s）。c) Cm=Qo/A (m/s) 1-9 式中 Qo风量（m3/s）； A风扇有效面积 A=4(D2-d2)（m2）。d) =+ (deg) 1-10
9、式中 平均气流角（deg）； 攻角（见图1-8）。e) =tan-1Cmu-Co/2 (deg) 1-11 f) CLb=120po/n Z W 1-12 式中 CL升力系数； b叶片弦宽（m）； Z叶片数； n风扇转速（r/min）。 上式是近似公式，是在假定W=u/cos条件下得到的。实际上W=(u-Co/2)/cos。 在决定风扇尺寸参数时，为了方便起见，通常采用无因次压力系数 H 及无因次流速系数 Q。g) H=2po/ u2 1-13 h) Q=Cm/u 1-14 式中 u叶片叶梢圆周速度（m/s）。 通常 H 和 Q 的值不超过0.25。i) 轮毂直径可由下式求得第一次近似值d=D
10、0.8H (m) 1-15 设计时应使b/t1，以免叶片发生重叠，t是周节。j) 容积效率 r 由于在叶梢与护风圈之间的径向间隙S处有气流再循环，因此要引入容积效率 r。r=Q1/ Q2 1-16 式中 Q1流出风扇的流量； Q2通过风扇叶轮的流量。 容积效率 r 也是 S/R 比值和节流系数 的函数曲线。k) 节流系数 =Q2/H 1-17 l) 阻升比 =CDCL 1-18 式中 CL升力系数； CD阻力系数。这两个系数是随攻角 、叶型等因素而变化的，二者的比值 称阻升比，是标志叶型效率的一个系数。在航空风洞中，曾对各种不同叶型做了许多试验并已确定了各种不同攻角时的 CL 和 ，其空气动力特性曲线如图1-19所示。在设计时，取 CL 值应尽量选用效率较高的攻角 ，即此时 要尽量小。除非特殊要求，一般 不要超过0.06。2. 图表法利用图表法可以比较快的确定风扇的一些机构参数，而且较计算法简单。此法是根据给定的风量 Qo 及压头 Ho，由图表中查出风扇外径D、转速n及叶梢圆周速度u，然后设计叶片。图13 薄板式风扇设计图表*适用范围：只适用于具有光滑圆角进口护风圈的、安装在散热器后面的自由排风的轴流风扇。风扇的外径范围为2001400mm。以上图中风扇与护风圈的径向间隙和风扇外径
