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文檔簡介
1、將風(fēng)扇設(shè)計進(jìn)行到底衡量一款風(fēng)扇的品質(zhì),最重要的兩個方面為性能與壽命,其次便是越來越受到關(guān)注的工作噪音;此外,關(guān)系到能否正常使用,還必須注意風(fēng)扇的規(guī)格與功率。與底面尺寸息息相關(guān)的數(shù)據(jù)為過風(fēng)面積(風(fēng)扇底面積減去外框與電機(jī)占據(jù)部分所占面積的結(jié)果),進(jìn)一步則影響到風(fēng)扇的重要性能指標(biāo)“風(fēng)量”。擁有更大的底面尺寸,一般就可以獲得更大的過風(fēng)面積,在風(fēng)速相當(dāng)?shù)那闆r下,將獲得更大的風(fēng)量;反過來考慮,就可以降低風(fēng)速卻不減少風(fēng)量,采用“大口徑”風(fēng)扇也是目前風(fēng)
2、冷散熱器發(fā)展的大趨勢之一。增加風(fēng)扇的高度有利于增大風(fēng)扇功率、加大扇葉面積,都可以增強(qiáng)風(fēng)扇的性能;有些風(fēng)扇也會利用增加的高度在外框上添加導(dǎo)流片或改變扇葉旋轉(zhuǎn)面方向(即非軸流風(fēng)扇)等風(fēng)速風(fēng)速是風(fēng)扇重要的性能指標(biāo)之一,與最重要的兩項性能指標(biāo)之一風(fēng)量風(fēng)速即風(fēng)扇出風(fēng)口或進(jìn)風(fēng)口的空氣流動速度,單位一般為ms;僅是某一位置的速度數(shù)值,不能完全體現(xiàn)風(fēng)扇的性能。風(fēng)速在不同位置數(shù)值可能有較大差異,且平均值難以計算,一般不用來表示風(fēng)扇的性能。風(fēng)速的高低主要取
3、決于扇葉的形狀、面積、高度以及轉(zhuǎn)速。扇葉形狀設(shè)計、面積、高度的影響較為復(fù)雜;風(fēng)扇轉(zhuǎn)速越快,風(fēng)速越快,則是顯而易見的常識。風(fēng)量:風(fēng)量是風(fēng)扇最重要的兩項性能指標(biāo)之一。風(fēng)量即單位時間內(nèi)通過風(fēng)扇出風(fēng)口(或進(jìn)風(fēng)口)截面的空氣體積,單位一般為cfm,即立方英尺每分cubicfeetperminute,或cmm,即立方米每分cubicmetresperminute。風(fēng)量是風(fēng)扇性能的整體衡量指標(biāo),不受到尺寸、結(jié)構(gòu)、方式的限制,也不限于直流無刷風(fēng)扇,可適
4、用于任何空氣導(dǎo)流設(shè)備。風(fēng)量=平均風(fēng)速x過風(fēng)面積??梢?,風(fēng)扇風(fēng)量的大小基本取決于風(fēng)速的高低與過風(fēng)面積的大小。過風(fēng)面積相同,風(fēng)速越高,風(fēng)量越大;風(fēng)速相同,過風(fēng)面積越大,風(fēng)量越大風(fēng)壓:風(fēng)壓是風(fēng)扇最重要的兩項性能指標(biāo)之一。風(fēng)壓即風(fēng)扇能夠令出風(fēng)口與入風(fēng)口間產(chǎn)生的壓強(qiáng)差,單位一般為mm(cm)watercolumn,即毫米(厘米)水柱(類似于衡量大氣壓的毫米汞柱,但由于壓強(qiáng)差較小,一般以水柱為單位)。風(fēng)壓是衡量風(fēng)扇“強(qiáng)勁”程度的重要指標(biāo),如果將風(fēng)量
5、比作一把武器的揮擊力量,那么風(fēng)壓就是這把武器的鋒利程度。風(fēng)壓主要取決于扇葉的形狀、面積、高度以及轉(zhuǎn)速,前三者的影響較為復(fù)雜,于轉(zhuǎn)速的關(guān)系則簡單直接——轉(zhuǎn)速越快,風(fēng)壓越大。風(fēng)扇產(chǎn)品所說明的風(fēng)量與風(fēng)壓均為理想狀態(tài)下的最大值,即風(fēng)扇入風(fēng)口與出風(fēng)口之間無壓強(qiáng)差狀態(tài)下的風(fēng)量(最大風(fēng)量),以及風(fēng)扇向密閉氣室內(nèi)吹風(fēng),直至風(fēng)量為零狀態(tài)下氣室與外界氣壓的差值(最大靜壓)。它們并非兩個孤立的性能指標(biāo),而是互相制約著,之間的關(guān)系就是流體力學(xué)中典型的流速與壓強(qiáng)
6、間的關(guān)系——風(fēng)量隨著壓強(qiáng)差的增大而減小,兩者互相制約的程度則取決于扇葉形狀與整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。轉(zhuǎn)速:轉(zhuǎn)速是風(fēng)扇各項性能指標(biāo)的根本決定因素之一。轉(zhuǎn)速即風(fēng)扇扇葉在單位時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)的周數(shù),單位一般為rpm,即roundsperminute轉(zhuǎn)每分。轉(zhuǎn)速是風(fēng)扇最容易測量的參數(shù),高轉(zhuǎn)速是各種“暴力”風(fēng)扇力量的源泉,也是大噪音的根源。轉(zhuǎn)速基本上取決于風(fēng)扇采用的電機(jī)性能。只要確定了風(fēng)扇的物理規(guī)格、結(jié)構(gòu),各種性能就全部由轉(zhuǎn)速決定。轉(zhuǎn)速可以影響到風(fēng)速、風(fēng)量、風(fēng)壓
7、、噪音、功率,甚至使用壽命。轉(zhuǎn)速越高,風(fēng)扇性能越強(qiáng),即風(fēng)速越快,風(fēng)量越大,風(fēng)壓越大;同時,轉(zhuǎn)速高,摩擦、振動就多、噪音就大,軸承等損耗設(shè)備的壽命就短;轉(zhuǎn)速提高,電機(jī)消耗功率增大也是必然結(jié)果噪音:噪音是各種設(shè)備越來越受到關(guān)注的指標(biāo)。噪音即風(fēng)扇工作過程中產(chǎn)生的“非樂音”聲響。目前較為通行的測量標(biāo)準(zhǔn)為計權(quán)聲級測量,通常采用A聲級計權(quán),常用單位:分貝(A)或A聲級計權(quán)模擬人耳的聽聲規(guī)律,能夠較好地反映人耳對噪聲的強(qiáng)度與頻率的主觀感覺,據(jù)此制作電
8、計算曲線計權(quán)網(wǎng)絡(luò),具有以下優(yōu)點(diǎn):1.使用單一的評價參數(shù),方便;常見的風(fēng)扇扇葉截面曲線,一般基于Joukowski(茹科夫斯基,俄國著名的空氣動力學(xué)家,當(dāng)代航空科學(xué)的開拓者,提出了茹科夫斯基函數(shù),奠定了機(jī)翼空氣動力計算的理論基礎(chǔ))機(jī)翼截面曲線設(shè)計,再按照設(shè)計需要,根據(jù)葉片根部及端部與旋轉(zhuǎn)軸之夾角、根部及端部寬度等數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)堆疊,形成三維扇葉曲面,并進(jìn)行曲線擬合,最終完成整個扇葉模型設(shè)計。扇葉的性能受到眾多參數(shù)的影響,如層疊高度、葉片曲率
9、、葉片傾角、葉片間距、葉片厚度、葉片數(shù)目、葉片沖角、葉端間隙、葉片寬度、主軸直徑等等,且各參數(shù)間互相制約,關(guān)系復(fù)雜。不斷的調(diào)整各項參數(shù),尋找最適合目標(biāo)工作要求的組合,便是進(jìn)行扇葉設(shè)計的研究人員所從事的工作。若要將這些參數(shù)全部解釋清楚并加以分析,足以寫出幾篇博士論文了,但本文只是淺要分析風(fēng)冷散熱器的相關(guān)技術(shù),實無此必要,筆者也尚無此能力_。因此,僅將幾個用戶較為關(guān)注的參數(shù)略加介紹:葉片曲率:在一定范圍內(nèi),葉片曲率越大,相同轉(zhuǎn)速下,氣體動能
10、也就越大,即風(fēng)量與風(fēng)壓越大;同時,葉片所受的阻力也越大,要求電機(jī)的扭力更大。當(dāng)弧高弦長的比值超過0.1時,升力系數(shù)便不再呈線性增加,故“一定范圍”即0.05弧高弦長0.1。葉片傾角:傾角越大,葉片上下表面間壓力差越大,相同轉(zhuǎn)速下風(fēng)壓越大;但上表面壓力過大,可能產(chǎn)生回流現(xiàn)象,反而降低風(fēng)扇性能。因此,葉片傾角也應(yīng)在一定限度內(nèi)提升。葉片間距:葉片間的距離過小,會導(dǎo)致氣流擾動,增加葉片表面的摩擦,降低風(fēng)扇效率;葉片間的距離過大,則會導(dǎo)致壓力損失
11、增大,風(fēng)壓不足。葉片數(shù)目:各種規(guī)格風(fēng)扇葉片的截面曲線、傾角等基本相若,每片葉片寬度往往取決于扇葉的高度。為了保證葉片間距不致過大,影響風(fēng)壓,徑高比較?。聪鄬^薄)的風(fēng)扇多采用增加葉片數(shù)目的方法彌補(bǔ)。不論葉片數(shù)目是多是少,軸流風(fēng)扇的葉片數(shù)目卻往往是3、7、11等奇數(shù),這是由于若采用偶數(shù)片形狀對稱的扇葉,又沒有調(diào)整好平衡,很容易使系統(tǒng)發(fā)生共振,倘葉片材質(zhì)又無法抵抗振動產(chǎn)生的疲勞,將會使葉片或心軸發(fā)生斷裂,因此多設(shè)計為關(guān)于軸心不對稱的奇數(shù)片
12、扇葉設(shè)計。這一原則普遍應(yīng)用于包括部分直升機(jī)螺旋槳在內(nèi)的各種扇葉設(shè)計中。葉端間隙:如何調(diào)整扇葉與外框之間所存在的間隙是風(fēng)扇設(shè)計中的一大難題。間隙過小會令此間氣流與葉片、外框發(fā)生摩擦,增大噪音;增大間隙則會由于反激氣流等影響耳降低風(fēng)扇效率——間隙增大1%,則全壓功率下降約2%。葉片弧度:扇葉除了在截面上具有一定曲率外,在俯視平面內(nèi)也并非沿著徑向筆直延伸,而是向著旋轉(zhuǎn)方向略有彎曲,呈一定弧度。如果葉片沿徑向筆直延伸,風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)所帶動的氣流在出風(fēng)
13、口一側(cè)將呈散射狀,送風(fēng)距離短,且“力量”不集中;如現(xiàn)行產(chǎn)品版略帶弧度,則可保證吹出氣流集中在出風(fēng)口正前方的柱狀空間內(nèi),增加送風(fēng)距離與風(fēng)壓。主軸直徑:由于電機(jī)與軸承的存在,軸流風(fēng)扇主軸所在的中心部分難免一定無氣流通過的盲區(qū),主軸直徑便決定著此盲區(qū)的大小。主軸直徑的大小則主要取決于風(fēng)扇電機(jī)的功率——大功率的電機(jī)需要更大的定子繞組線圈,必然占用更多的空間,在無法縱向擴(kuò)展(增加高度)的情況下,便只好橫向擴(kuò)展(增大面積)。葉片光滑度:這是一項非設(shè)
14、計因素影響的指標(biāo),基本上取決于生產(chǎn)者的模具成形與后期處理工藝。在設(shè)計曲線之外,葉片上的不平整會在旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生紊流,增加摩擦,降低風(fēng)扇效率,折損風(fēng)扇性能,增大工作噪音。因此,應(yīng)對葉片表面的光滑度嚴(yán)格控制,如果所購產(chǎn)品處理不佳,則應(yīng)考率采用手工打磨等后續(xù)手段彌補(bǔ)。渦輪風(fēng)扇是與軸流風(fēng)扇并駕齊驅(qū)的另一大類空氣導(dǎo)流設(shè)備:Blower,譯為中文即吹風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)。顯然,最開始上邊講到的風(fēng)扇葉,是這種類型。其工作方式與軸流風(fēng)扇有較大的不同,反而與水泵較為
15、相似。它的扇葉與旋轉(zhuǎn)面垂直,呈環(huán)形排列,空氣由軸向進(jìn)入環(huán)形扇葉包圍的空間,被扇葉旋轉(zhuǎn)帶動的離心效應(yīng)橫向甩出,通過直板狀截面同樣基于Joukowski機(jī)翼截面曲線設(shè)計的扇葉時受到推壓,沿扇葉旋轉(zhuǎn)方向的切線吹出,在扇葉外圍形成一道旋渦狀的散射氣流,再受到蝸牛殼狀外框的導(dǎo)流,從一側(cè)的開口切向吹出。1.可根據(jù)使用需要,大范圍的對葉片長度、葉片寬度、葉片數(shù)量、出風(fēng)口形狀等進(jìn)行調(diào)整;2.離心式導(dǎo)流,送出氣流平順、集中,湍流少,無盲區(qū);3.葉片數(shù)量多
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