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新聞主題 |
柴油發(fā)電機水箱風(fēng)扇的功用和噪音控制原則 |
康明斯公司在本文中針對柴油發(fā)電機冷卻系統中的冷卻風(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)生的機理，并給出主要的計算方法，同時(shí)就水箱風(fēng)扇噪聲的控制原則提出相應的建議。
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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。在水冷系統中常用的是軸流式水箱風(fēng)扇，這種形式的水箱風(fēng)扇結構簡(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)扇的構造在固定于柴油發(fā)電機帶輪上的水箱風(fēng)扇支架上，鉚著(zhù)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、轉速、葉片形狀、葉片安裝角及葉片數目有關(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，雖然制造工藝較復雜，但效率高，功率消耗小。在有些柴油發(fā)電機上，冷卻水箱風(fēng)扇的沖壓葉片端部彎曲，以增加扇風(fēng)量。葉片應安裝得與水箱風(fēng)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(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲。水箱風(fēng)扇外圍裝設護風(fēng)圈，可適當提高水箱風(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(zhù)柴油發(fā)電機轉動(dòng)產(chǎn)生的，與轉速成正比。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(guò)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(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)扇的護風(fēng)圈等結構由于共振也會(huì )產(chǎn)生機械噪聲。
旋轉噪聲是由水箱風(fēng)扇旋轉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；
n——水箱風(fēng)扇轉速，（pfnin）;
i ——1，2，3…。
水箱風(fēng)扇旋轉時(shí)，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(fēng)扇圓周線(xiàn)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；
D水箱風(fēng)扇直徑；
N——水箱風(fēng)扇轉速。
水箱風(fēng)扇直徑的大小、轉速的高低與水箱風(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)扇轉速。
因此，為了保證柴油發(fā)電機需要的風(fēng)量，適當地增大直徑、減小轉速是適宜的。水箱風(fēng)扇風(fēng)量的大小是根據柴油發(fā)電機的散熱量來(lái)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(fēng)扇風(fēng)量，降低噪聲。
2、水箱風(fēng)扇效率
普遍規律是，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)扇的機械效率；
η3——水箱風(fēng)扇的容積效率；
由式可見(jiàn)，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
水箱風(fēng)扇葉片的形狀對水箱風(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(xiàn)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。
試驗表明，水箱風(fēng)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(shuō)來(lái)，材料的損耗系數越大，其噪聲越小。增加水箱風(fēng)扇的葉片數，在轉速不變的條件下，可以增加水箱風(fēng)扇的風(fēng)量?；蛘咴讷@得同等風(fēng)量的前提下，可以降低水箱風(fēng)扇的轉速，從而降低水箱風(fēng)扇噪聲。但葉片數在6以上時(shí)，增加葉片數，風(fēng)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(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)生的噪聲聲壓級低4dB（A），并且功率消耗要減少27%?？s小水箱風(fēng)扇與護風(fēng)圈的間隙，防止氣流紊亂，可以降低水箱風(fēng)扇噪聲。試驗表明，當間隙為零時(shí)，風(fēng)量增加27%，而噪聲下降3dB（A），降低轉速使風(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)罩的相對位置
降低水箱風(fēng)扇噪聲，也可以從水箱風(fēng)扇冷卻系統的結構參數以及各部件之間的相互位置來(lái)考慮。適當選擇水箱風(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，對降低水箱風(fēng)扇噪聲也是有意義的。隨著(zhù)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)達到最大值，然后又逐漸減小。試驗表明，水箱風(fēng)扇端面離散熱器芯子過(guò)近或過(guò)遠，會(huì )出現無(wú)風(fēng)區或發(fā)生回流現象。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)扇入口處應呈流線(xiàn)型，水箱風(fēng)扇與導風(fēng)罩組成的氣流通道表面應光滑，以改善冷卻風(fēng)的流動(dòng)狀態(tài)，從而降低冷卻系統的噪聲。水箱風(fēng)扇與導風(fēng)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(fēng)扇直徑內，最大不宜超過(guò)3%，否則將大大降低水箱風(fēng)扇效率。通常水箱風(fēng)扇和導風(fēng)罩的前后關(guān)系應是：吸風(fēng)水箱風(fēng)扇有2/3水箱風(fēng)扇投影寬度在導風(fēng)罩內，吹風(fēng)式水箱風(fēng)扇在導風(fēng)罩內的寬度以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(guò)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(zhuān)為減少水箱風(fēng)扇噪音而設計，水箱風(fēng)扇的控制器獲得柴油發(fā)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(fēng)扇轉速。
因此在各個(gè)系統的匹配和設計當中，協(xié)同考慮以上幾個(gè)方面的影響因素，就可以在保證系統冷卻能力的前提下，獲得最小的柴油發(fā)電機冷卻水箱風(fēng)扇噪聲。
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