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新聞主題 |
柴油發電機水箱風扇的功用和噪音控制原則 |
康明斯公司在本文中針對柴油發電機冷卻系統中的冷卻風扇具體使用情況，介紹了水箱風扇的作用，同時分析了水箱風扇噪聲產生的機理，并給出主要的計算方法，同時就水箱風扇噪聲的控制原則提出相應的建議。
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散熱風扇前視圖 |
一、風扇的作用
水箱風扇的功用是增大流經散熱器芯部空氣的流速，提高散熱器的散熱能力。水冷系統的水箱風扇要求足夠的風量，適度的風壓，功率消耗少，效率高，噪聲低以及工藝簡單。在水冷系統中常用的是軸流式水箱風扇，這種形式的水箱風扇結構簡單，布置方便，低壓頭時風量大，效率高。它一般裝在散熱器芯部后面，利用吸風來冷卻芯部。
水箱風扇的構造在固定于柴油發電機帶輪上的水箱風扇支架上，鉚著用薄鋼板沖制成的水箱風扇葉片。水箱風扇的扇風量主要與水箱風扇直徑、轉速、葉片形狀、葉片安裝角及葉片數目有關。
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扇，雖然制造工藝較復雜，但效率高，功率消耗小。在有些柴油發電機上，冷卻水箱風扇的沖壓葉片端部彎曲，以增加扇風量。葉片應安裝得與水箱風扇旋轉平面成30°~60°傾斜角。葉片數目通常為4片或6片。有的將葉片間夾角做成不等，以減小旋轉時產生的振動和噪聲。水箱風扇外圍裝設護風圈，可適當提高水箱風扇的工作效率。
二、水箱風扇噪音來源
水箱風扇噪音是由冷卻水箱風扇隨著柴油發電機轉動產生的，與轉速成正比。水箱風扇噪音主要是由水箱風扇葉片切割空氣或由水箱風扇后面的部件所產生的空氣紊流產生的，通過改變葉片的直徑、數量、形狀或角度以及采用可變葉片水箱風扇或改進水箱風扇罩形狀都可以減少水箱風扇噪音。水箱風扇噪聲在柴油發電機噪聲源中占有較大比重。水箱風扇噪聲主要是由葉片旋轉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，水箱風扇的護風圈等結構由于共振也會產生機械噪聲。
旋轉噪聲是由水箱風扇旋轉的葉片周期性打擊空氣質點，引起的壓力脈動面激發的噪聲，這種周期性的壓力脈動是由一個穩態的基頻和一系列諧波分量的疊加而成。這些脈動分量可用下式表示:
f=inz-60（Hz）
式中：z——水箱風扇葉片數；
n——水箱風扇轉速，（pfnin）;
i ——1，2，3…。
水箱風扇旋轉時，渦流噪聲的頻率取決于葉片與氣體的相對速度，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的，噪聲的頻譜也是連續的。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；0.15~0.22
V——水箱風扇圓周線速度，（m/s）;
d——葉片在氣流入射方向上的厚度（m）。
三、影響水箱風扇噪聲的因素
1、 水箱風扇轉速、直徑、靜壓
研究表明，水箱風扇的風量越大，其噪聲也就越高，水箱風扇直徑的大小、轉速的高低直接影響水箱風扇噪聲。三者由以下關系式表示：
L∞DN
式中：L—噪聲聲壓級；
D水箱風扇直徑；
N——水箱風扇轉速。
水箱風扇直徑的大小、轉速的高低與水箱風扇風量的關系：
V∞DN
式中：V水箱風扇風量；
D水箱風扇直徑；
N——水箱風扇轉速。
因此，為了保證柴油發電機需要的風量，適當地增大直徑、減小轉速是適宜的。水箱風扇風量的大小是根據柴油發電機的散熱量來確定，從降噪的角度考慮，增強內燃機及其冷卻系統的散熱能力，可以減小水箱風扇風量，降低噪聲。
2、水箱風扇效率
普遍規律是，水箱風扇效率越低，消耗功率越大，水箱風扇噪聲越大。
水箱風扇消耗之功率為：N=pV/η1η2η3
式中：p——水箱風扇風壓；
V——水箱風扇風量；
η1——水箱風扇的液力效率；
η2——水箱風扇的機械效率；
η3——水箱風扇的容積效率；
由式可見，如果水箱風扇的總效率提高，則同樣風量時水箱風扇消耗功率越小，噪聲亦隨之減小。通常變化不大，只要提高水箱風扇的液力效率和容積效率，實際上都有利于降低噪聲。
3、水箱風扇的葉片形狀、材料、葉片數
水箱風扇葉片的形狀對水箱風扇效率影響也很大。水箱風扇葉片的形狀直接影響葉片附近的渦流強度，從而影響水箱風扇的效率。因此，改進葉片的形狀，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扇效率。
試驗表明，水箱風扇的葉片材料，對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。一般說來，材料的損耗系數越大，其噪聲越小。增加水箱風扇的葉片數，在轉速不變的條件下，可以增加水箱風扇的風量?；蛘咴讷@得同等風量的前提下，可以降低水箱風扇的轉速，從而降低水箱風扇噪聲。但葉片數在6以上時，增加葉片數，風量增加有限，且在降噪特性上往往有負面的作用。低速寬葉水箱風扇與高速窄葉水箱風扇在相同的風量情況下，前者比后者產生的噪聲聲壓級低4dB（A），并且功率消耗要減少27%?？s小水箱風扇與護風圈的間隙，防止氣流紊亂，可以降低水箱風扇噪聲。試驗表明，當間隙為零時，風量增加27%，而噪聲下降3dB（A），降低轉速使風量回到原有水平，噪聲又可以下降2dB（A）。
4、水箱風扇、散熱器、風罩的相對位置
降低水箱風扇噪聲，也可以從水箱風扇冷卻系統的結構參數以及各部件之間的相互位置來考慮。適當選擇水箱風扇與散熱器之間的距離以及水箱風扇與風罩之間的間隙，對降低水箱風扇噪聲也是有意義的。隨著水箱風扇與散熱器之間的距離的增加，水箱風扇的冷卻能力、流量和噪聲都要增加。而且各自在某一點達到最大值，然后又逐漸減小。試驗表明，水箱風扇端面離散熱器芯子過近或過遠，會出現無風區或發生回流現象。推薦水箱風扇端面距離散熱器芯子的距離為水箱風扇直徑的10%—15%，這樣既能充分發揮水箱風扇的冷卻能力，又可以使噪聲最小。
水箱風扇前后的導風罩是產生渦流噪聲的重要來源之一，水箱風扇入口處應呈流線型，水箱風扇與導風罩組成的氣流通道表面應光滑，以改善冷卻風的流動狀態，從而降低冷卻系統的噪聲。水箱風扇與導風罩之間要有適當的間隙，徑向間隙一般應控制在2.5%水箱風扇直徑內，最大不宜超過3%，否則將大大降低水箱風扇效率。通常水箱風扇和導風罩的前后關系應是：吸風水箱風扇有2/3水箱風扇投影寬度在導風罩內，吹風式水箱風扇在導風罩內的寬度以1/3水箱風扇葉片寬度為宜。
另外采用溫控離合器水箱風扇或電控水箱風扇都可減少水箱風扇噪音。目前，通過電子控制的液壓控制水箱風扇也可很好地減輕水箱風扇噪音，這種變速水箱風扇專為減少水箱風扇噪音而設計，水箱風扇的控制器獲得柴油發電機轉速和冷卻溫度數據以及其它信號。用以控制液壓泵高壓端的電磁閥，調節供給液壓馬達的液流量，從而改變水箱風扇轉速。
因此在各個系統的匹配和設計當中，協同考慮以上幾個方面的影響因素，就可以在保證系統冷卻能力的前提下，獲得最小的柴油發電機冷卻水箱風扇噪聲。
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