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新聞主題 |
柴油發(fā)電機(jī)水箱風(fēng)扇的功用和噪音控制原則 |
康明斯公司在本文中針對(duì)柴油發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)中的冷卻風(fēng)扇具體使用情況，介紹了水箱風(fēng)扇的作用，同時(shí)分析了水箱風(fēng)扇噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，并給出主要的計(jì)算方法，同時(shí)就水箱風(fēng)扇噪聲的控制原則提出相應(yīng)的建議。
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散熱風(fēng)扇前視圖 |
一、風(fēng)扇的作用
水箱風(fēng)扇的功用是增大流經(jīng)散熱器芯部空氣的流速，提高散熱器的散熱能力。水冷系統(tǒng)的水箱風(fēng)扇要求足夠的風(fēng)量，適度的風(fēng)壓，功率消耗少，效率高，噪聲低以及工藝簡(jiǎn)單。在水冷系統(tǒng)中常用的是軸流式水箱風(fēng)扇，這種形式的水箱風(fēng)扇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，布置方便，低壓頭時(shí)風(fēng)量大，效率高。它一般裝在散熱器芯部后面，利用吸風(fēng)來(lái)冷卻芯部。
水箱風(fēng)扇的構(gòu)造在固定于柴油發(fā)電機(jī)帶輪上的水箱風(fēng)扇支架上，鉚著用薄鋼板沖制成的水箱風(fēng)扇葉片。水箱風(fēng)扇的扇風(fēng)量主要與水箱風(fēng)扇直徑、轉(zhuǎn)速、葉片形狀、葉片安裝角及葉片數(shù)目有關(guān)。
葉片大多用薄鋼板沖壓制成，斷面形狀多為弧形。但也可用塑料或鋁合金鑄成翼形斷面的整體式水箱風(fēng)扇，雖然制造工藝較復(fù)雜，但效率高，功率消耗小。在有些柴油發(fā)電機(jī)上，冷卻水箱風(fēng)扇的沖壓葉片端部彎曲，以增加扇風(fēng)量。葉片應(yīng)安裝得與水箱風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)平面成30°~60°傾斜角。葉片數(shù)目通常為4片或6片。有的將葉片間夾角做成不等，以減小旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲。水箱風(fēng)扇外圍裝設(shè)護(hù)風(fēng)圈，可適當(dāng)提高水箱風(fēng)扇的工作效率。
二、水箱風(fēng)扇噪音來(lái)源
水箱風(fēng)扇噪音是由冷卻水箱風(fēng)扇隨著柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的，與轉(zhuǎn)速成正比。水箱風(fēng)扇噪音主要是由水箱風(fēng)扇葉片切割空氣或由水箱風(fēng)扇后面的部件所產(chǎn)生的空氣紊流產(chǎn)生的，通過改變?nèi)~片的直徑、數(shù)量、形狀或角度以及采用可變?nèi)~片水箱風(fēng)扇或改進(jìn)水箱風(fēng)扇罩形狀都可以減少水箱風(fēng)扇噪音。水箱風(fēng)扇噪聲在柴油發(fā)電機(jī)噪聲源中占有較大比重。水箱風(fēng)扇噪聲主要是由葉片旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲引起的，前者是窄帶噪聲，后者是寬帶噪聲。此外，水箱風(fēng)扇的護(hù)風(fēng)圈等結(jié)構(gòu)由于共振也會(huì)產(chǎn)生機(jī)械噪聲。
旋轉(zhuǎn)噪聲是由水箱風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)的葉片周期性打擊空氣質(zhì)點(diǎn)，引起的壓力脈動(dòng)面激發(fā)的噪聲，這種周期性的壓力脈動(dòng)是由一個(gè)穩(wěn)態(tài)的基頻和一系列諧波分量的疊加而成。這些脈動(dòng)分量可用下式表示:
f=inz-60（Hz）
式中：z——水箱風(fēng)扇葉片數(shù)；
n——水箱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，（pfnin）;
i ——1，2，3…。
水箱風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)，渦流噪聲的頻率取決于葉片與氣體的相對(duì)速度，而葉片的圓周速度隨與圓心的距離而變化，因此，渦流噪聲的頻率是連續(xù)的，噪聲的頻譜也是連續(xù)的。渦流噪聲一般是寬頻帶噪聲，其主要峰值頻率為：
f=KV41（Hz）
式中：K——常數(shù)；0.15~0.22
V——水箱風(fēng)扇圓周線速度，（m/s）;
d——葉片在氣流入射方向上的厚度（m）。
三、影響水箱風(fēng)扇噪聲的因素
1、 水箱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、直徑、靜壓
研究表明，水箱風(fēng)扇的風(fēng)量越大，其噪聲也就越高，水箱風(fēng)扇直徑的大小、轉(zhuǎn)速的高低直接影響水箱風(fēng)扇噪聲。三者由以下關(guān)系式表示：
L∞DN
式中：L—噪聲聲壓級(jí)；
D水箱風(fēng)扇直徑；
N——水箱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。
水箱風(fēng)扇直徑的大小、轉(zhuǎn)速的高低與水箱風(fēng)扇風(fēng)量的關(guān)系：
V∞DN
式中：V水箱風(fēng)扇風(fēng)量；
D水箱風(fēng)扇直徑；
N——水箱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。
因此，為了保證柴油發(fā)電機(jī)需要的風(fēng)量，適當(dāng)?shù)卦龃笾睆健p小轉(zhuǎn)速是適宜的。水箱風(fēng)扇風(fēng)量的大小是根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)的散熱量來(lái)確定，從降噪的角度考慮，增強(qiáng)內(nèi)燃機(jī)及其冷卻系統(tǒng)的散熱能力，可以減小水箱風(fēng)扇風(fēng)量，降低噪聲。
2、水箱風(fēng)扇效率
普遍規(guī)律是，水箱風(fēng)扇效率越低，消耗功率越大，水箱風(fēng)扇噪聲越大。
水箱風(fēng)扇消耗之功率為：N=pV/η1η2η3
式中：p——水箱風(fēng)扇風(fēng)壓；
V——水箱風(fēng)扇風(fēng)量；
η1——水箱風(fēng)扇的液力效率；
η2——水箱風(fēng)扇的機(jī)械效率；
η3——水箱風(fēng)扇的容積效率；
由式可見，如果水箱風(fēng)扇的總效率提高，則同樣風(fēng)量時(shí)水箱風(fēng)扇消耗功率越小，噪聲亦隨之減小。通常變化不大，只要提高水箱風(fēng)扇的液力效率和容積效率，實(shí)際上都有利于降低噪聲。
3、水箱風(fēng)扇的葉片形狀、材料、葉片數(shù)
水箱風(fēng)扇葉片的形狀對(duì)水箱風(fēng)扇效率影響也很大。水箱風(fēng)扇葉片的形狀直接影響葉片附近的渦流強(qiáng)度，從而影響水箱風(fēng)扇的效率。因此，改進(jìn)葉片的形狀，使之有較好的流線型和合適的彎曲角度，不僅有利于減少渦流噪聲，而且可以大大提高水箱風(fēng)扇效率。
試驗(yàn)表明，水箱風(fēng)扇的葉片材料，對(duì)其噪聲也有一定程度的影響。例如：鑄鋁的葉片比沖壓鋼板的葉片噪聲小;尼龍葉片比金雇罰葉片噪聲小。一般說(shuō)來(lái)，材料的損耗系數(shù)越大，其噪聲越小。增加水箱風(fēng)扇的葉片數(shù)，在轉(zhuǎn)速不變的條件下，可以增加水箱風(fēng)扇的風(fēng)量。或者在獲得同等風(fēng)量的前提下，可以降低水箱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，從而降低水箱風(fēng)扇噪聲。但葉片數(shù)在6以上時(shí)，增加葉片數(shù)，風(fēng)量增加有限，且在降噪特性上往往有負(fù)面的作用。低速寬葉水箱風(fēng)扇與高速窄葉水箱風(fēng)扇在相同的風(fēng)量情況下，前者比后者產(chǎn)生的噪聲聲壓級(jí)低4dB（A），并且功率消耗要減少27%。縮小水箱風(fēng)扇與護(hù)風(fēng)圈的間隙，防止氣流紊亂，可以降低水箱風(fēng)扇噪聲。試驗(yàn)表明，當(dāng)間隙為零時(shí)，風(fēng)量增加27%，而噪聲下降3dB（A），降低轉(zhuǎn)速使風(fēng)量回到原有水平，噪聲又可以下降2dB（A）。
4、水箱風(fēng)扇、散熱器、風(fēng)罩的相對(duì)位置
降低水箱風(fēng)扇噪聲，也可以從水箱風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及各部件之間的相互位置來(lái)考慮。適當(dāng)選擇水箱風(fēng)扇與散熱器之間的距離以及水箱風(fēng)扇與風(fēng)罩之間的間隙，對(duì)降低水箱風(fēng)扇噪聲也是有意義的。隨著水箱風(fēng)扇與散熱器之間的距離的增加，水箱風(fēng)扇的冷卻能力、流量和噪聲都要增加。而且各自在某一點(diǎn)達(dá)到最大值，然后又逐漸減小。試驗(yàn)表明，水箱風(fēng)扇端面離散熱器芯子過近或過遠(yuǎn)，會(huì)出現(xiàn)無(wú)風(fēng)區(qū)或發(fā)生回流現(xiàn)象。推薦水箱風(fēng)扇端面距離散熱器芯子的距離為水箱風(fēng)扇直徑的10%—15%，這樣既能充分發(fā)揮水箱風(fēng)扇的冷卻能力，又可以使噪聲最小。
水箱風(fēng)扇前后的導(dǎo)風(fēng)罩是產(chǎn)生渦流噪聲的重要來(lái)源之一，水箱風(fēng)扇入口處應(yīng)呈流線型，水箱風(fēng)扇與導(dǎo)風(fēng)罩組成的氣流通道表面應(yīng)光滑，以改善冷卻風(fēng)的流動(dòng)狀態(tài)，從而降低冷卻系統(tǒng)的噪聲。水箱風(fēng)扇與導(dǎo)風(fēng)罩之間要有適當(dāng)?shù)拈g隙，徑向間隙一般應(yīng)控制在2.5%水箱風(fēng)扇直徑內(nèi)，最大不宜超過3%，否則將大大降低水箱風(fēng)扇效率。通常水箱風(fēng)扇和導(dǎo)風(fēng)罩的前后關(guān)系應(yīng)是：吸風(fēng)水箱風(fēng)扇有2/3水箱風(fēng)扇投影寬度在導(dǎo)風(fēng)罩內(nèi)，吹風(fēng)式水箱風(fēng)扇在導(dǎo)風(fēng)罩內(nèi)的寬度以1/3水箱風(fēng)扇葉片寬度為宜。
另外采用溫控離合器水箱風(fēng)扇或電控水箱風(fēng)扇都可減少水箱風(fēng)扇噪音。目前，通過電子控制的液壓控制水箱風(fēng)扇也可很好地減輕水箱風(fēng)扇噪音，這種變速水箱風(fēng)扇專為減少水箱風(fēng)扇噪音而設(shè)計(jì)，水箱風(fēng)扇的控制器獲得柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和冷卻溫度數(shù)據(jù)以及其它信號(hào)。用以控制液壓泵高壓端的電磁閥，調(diào)節(jié)供給液壓馬達(dá)的液流量，從而改變水箱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。
因此在各個(gè)系統(tǒng)的匹配和設(shè)計(jì)當(dāng)中，協(xié)同考慮以上幾個(gè)方面的影響因素，就可以在保證系統(tǒng)冷卻能力的前提下，獲得最小的柴油發(fā)電機(jī)冷卻水箱風(fēng)扇噪聲。
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