發(fā)動(dòng)機(jī)軸流冷卻風(fēng)扇設(shè)計(jì)與流場(chǎng)測(cè)量

李春蓄，沙 毅，胡雅文，傅 陽，盧樂鵬

（浙江科技學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院，杭州 310023）

0 引言

按JB/T 6723.4—2008《內(nèi)燃機(jī) 冷卻風(fēng)扇》，發(fā)動(dòng)機(jī)、空調(diào)用風(fēng)扇一般需單獨(dú)安裝在空氣動(dòng)力性能試驗(yàn)裝置上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，可以獲得風(fēng)量、靜壓效率等總體特性參數(shù)及性能曲線，但缺失了散熱器作為進(jìn)口導(dǎo)葉具有反預(yù)旋功效的體現(xiàn)，也未能獲得流場(chǎng)特性的具體細(xì)節(jié)。普通軸流風(fēng)機(jī)為閉式流道，一個(gè)定轉(zhuǎn)速下可調(diào)節(jié)多組風(fēng)壓和流量，而發(fā)動(dòng)機(jī)軸流風(fēng)扇一個(gè)定轉(zhuǎn)速下只有一組風(fēng)壓和流量。為此，本文研制了465Q型發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇試驗(yàn)臺(tái)，以測(cè)量風(fēng)扇變轉(zhuǎn)速運(yùn)行性能及流場(chǎng)參數(shù)。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)軸流冷卻風(fēng)扇流動(dòng)主要特征

圖1示出風(fēng)扇葉片梢基元級(jí)翼型變轉(zhuǎn)速速度三角形［1］，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速由 n增加到 n'，理論上進(jìn)、出氣邊氣流角β1，β2隨葉片安裝角βy的不變而不變，軸向速度va和圓周速度u增大，風(fēng)壓p增大，氣流量qv增大。圖1（a）示出單一葉輪，因受預(yù)旋影響進(jìn)氣速度偏向旋轉(zhuǎn)方向，相同工況下軸向速度va或流量qv最??；圖1（b）示出帶進(jìn)口導(dǎo)葉的葉輪，普通軸流風(fēng)機(jī)大多用可調(diào)安裝角導(dǎo)葉調(diào)節(jié)流量，因?qū)~具有反預(yù)旋功能使進(jìn)氣速度偏向葉輪翼型翼弦方向，其va或qv最大；圖1（c）示出車輛散熱器相當(dāng)于無數(shù)垂直平板導(dǎo)葉的軸流葉輪，使進(jìn)氣軸向流入，相同工況下其va或qv居于上述兩種葉輪之間。

圖1 軸流式風(fēng)扇變轉(zhuǎn)速基元級(jí)進(jìn)、出氣邊速度三角形Fig.1 Side inlet and outlet velocity triangles of axial-flow fan element unit

2 465Q型發(fā)動(dòng)機(jī)軸流風(fēng)扇研制

表1為國產(chǎn)5種典型發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過分析簡(jiǎn)要總結(jié)出發(fā)動(dòng)機(jī)軸流冷卻風(fēng)扇主要風(fēng)力幾何參數(shù)外徑Dt、風(fēng)扇輪轂比K、風(fēng)扇葉片安裝角βy、葉片數(shù)Z、葉柵平面葉片弦寬b和葉片拱高f、葉柵平面機(jī)翼葉型等設(shè)計(jì)原則［2-3］。表2列出了465Q型發(fā)動(dòng)機(jī)及風(fēng)扇設(shè)計(jì)主要參數(shù)，本文采用考夫曼計(jì)算法，設(shè)計(jì)幾何參數(shù)見表3，風(fēng)扇葉型如圖2所示。

圖2 風(fēng)扇葉型Fig.2 Fan blade airfoil model

表1 國產(chǎn)5種發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Main structural parameters of 5 types of domestic engine fans

表2 4650Q型發(fā)動(dòng)機(jī)性能和風(fēng)扇設(shè)計(jì)主要參數(shù)Table.2 Main design parameters of 456Q engine and fan

表3 465Q型發(fā)動(dòng)機(jī)軸流風(fēng)扇設(shè)計(jì)幾何參數(shù)Tab.3 Design geometric parameters of axial-flow fan for 465Q engine

3 風(fēng)扇變轉(zhuǎn)速性能試驗(yàn)及流場(chǎng)測(cè)量

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇變轉(zhuǎn)速性能試驗(yàn)臺(tái)［4-5］如圖3所示，測(cè)點(diǎn)布置如圖 4所示，其中 C1，C2，C3和C4為固定式皮托管測(cè)點(diǎn)，壓強(qiáng)值由數(shù)字式微壓計(jì)讀取，其余為移動(dòng)式探針測(cè)口，壓強(qiáng)值由傾斜式微壓計(jì)測(cè)量。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)性能試驗(yàn)裝置Fig.3 The measuring apparatus for performance of engine cooling system

圖4 氣流場(chǎng)測(cè)點(diǎn)分布Fig.4 Measurement point distribution of air flow field

為校定皮托管和探針測(cè)速精度，在半徑R=71 mm的C2測(cè)點(diǎn)同時(shí)布置了一熱線風(fēng)速儀。主要測(cè)量?jī)x器名稱及精度見表4。

表4 主要測(cè)量?jī)x器及精度Tab.4 Main measuring instruments and accuracy

風(fēng)扇性能及流場(chǎng)測(cè)量主要試驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)處理如下：（1）由變頻器調(diào)8檔風(fēng)扇轉(zhuǎn)速n=753.2，1 096.3，1 500.8，1 901.4，2 301.7，2 699.7，3 100.4，3 501.1 r/min；（2）通過調(diào)節(jié)探針位置坐標(biāo)測(cè)量散熱器正面A1～A15測(cè)點(diǎn)靜壓強(qiáng)p1和散熱器背面（距離風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)邊 10 mm）B1～B15測(cè)點(diǎn)靜壓強(qiáng) p2；（3）測(cè)量護(hù)風(fēng)圈出口C1～C8靜壓強(qiáng)p3和總壓強(qiáng)p3'；（4）扭矩儀測(cè)量輸入軸功率Pa和轉(zhuǎn)速n；（5）由伯努利方程可計(jì)算出散熱器正面A1～A15測(cè)點(diǎn)速度值，由連續(xù)性方程可知正面速度值等于背面B1～B15測(cè)點(diǎn)速度值，背面即為風(fēng)扇進(jìn)氣邊速度vi分布；（6）由總壓強(qiáng)和靜壓強(qiáng)計(jì)算出皮托管和探針測(cè)點(diǎn)C1～C8軸向速度vo值；（7）以半徑為自變量，由4個(gè)皮托管測(cè)點(diǎn)風(fēng)速值擬合方程式vy=f（r），由護(hù)風(fēng)圈探針4測(cè)點(diǎn)風(fēng)速值擬合方程式vw=f（r），分別在風(fēng)扇葉片和護(hù)風(fēng)圈范圍內(nèi)積分即可得各種轉(zhuǎn)速下氣流流量［6］。

流量除以護(hù)風(fēng)圈以內(nèi)過流面積，則得到氣流平均速度va。

散熱器正面A1～A15測(cè)點(diǎn)靜壓強(qiáng)p1分布曲線如圖 5（a）所示，背面 B1～B15靜壓強(qiáng) p2與速度vi分布曲線如圖 5（b），6（a）所示；護(hù)風(fēng)圈出口C1～C8靜壓強(qiáng) p3分布曲線如圖 5（c）所示，軸向速度vo分布曲線如圖6（b）所示。根據(jù)8檔風(fēng)速下輸入力矩T、軸功率Pa和轉(zhuǎn)速n測(cè)量值及風(fēng)扇流量qv和護(hù)風(fēng)圈出口平均速度va計(jì)算值可得到風(fēng)扇變轉(zhuǎn)速性能曲線如圖7所示。

圖5 壓強(qiáng)分布曲線Fig.5 Pressure distribution curve

圖6 速度曲線Fig.6 Velocity curve

圖7 風(fēng)扇變轉(zhuǎn)速性能曲線Fig.7 Variable speed performance curve of fan

4 風(fēng)扇性能與流場(chǎng)綜合分析

通過綜合分析可以得到下列研究結(jié)論［7-9］。

（1）從圖7可以看出，轉(zhuǎn)速n增大，風(fēng)扇輸入軸功率Pa以下凹拋物線上升，流量qv和護(hù)風(fēng)圈出口氣流平均軸向速度va以近似上凸拋物線上升。在額定轉(zhuǎn)速n=3 000 r/min下，實(shí)測(cè)風(fēng)量qv=0.532 m3/s，軸功率Pa=46.6 W，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（2）從圖4，5可以看出，散熱器正面和背面氣流場(chǎng)均為負(fù)壓（真空度），呈上升上凸拋物線分布，各種轉(zhuǎn)速下正面在葉片外緣R0=120 mm處達(dá)最大值，背面在R=80 mm處達(dá)最大值，在葉片覆蓋范圍外真空度呈下降下凹拋物線分布。背面真空度遠(yuǎn)大于正面，壓差即為散熱器流動(dòng)阻力。氣流速度指向風(fēng)扇。理論上正面和背面氣流軸向速度相等，即為風(fēng)扇入口邊風(fēng)速，也呈上升上凸拋物線分布，各種轉(zhuǎn)速下葉片外緣處達(dá)最大值，在葉片覆蓋范圍外軸向速度呈直線型下降分布。由于翅片的排擠效應(yīng)氣流在散熱器中會(huì)加速。

（3）從圖 5（c）和圖 6（b）可以看出，護(hù)風(fēng)圈出口氣流場(chǎng)同樣為真空度，真空度及氣流軸向速度均隨轉(zhuǎn)速增加呈近似直線遞增，葉片外緣處達(dá)最大值，且最大值均大于風(fēng)扇進(jìn)氣邊同等部位。在葉片覆蓋范圍外真空度和軸向速度均呈斷崖式近似直線型突降。

（4）風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變化與流量呈一次方變化規(guī)律，與軸功率和護(hù)風(fēng)圈出口平均速度均呈三次方關(guān)系，分別擬合出計(jì)算公式如下：

（5）在額定轉(zhuǎn)速n=3 000 r/min下，風(fēng)量計(jì)算值qv=0.524 m3/s，軸功率計(jì)算值Pa=45.1 W，與實(shí)測(cè)值絕對(duì)誤差分別為Δqv=-0.008 m3/s，ΔPa=-1.5 W，說明提出的計(jì)算公式達(dá)到較高精確度。

（6）通過對(duì)式（2）和式（3）驗(yàn)算分析，可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇流量qv1/qv2≈n1/n2，軸功率Pa1/Pa2≈（n1/n2）3。

本文采用高精度科學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)施測(cè)量，試驗(yàn)過程和方法及數(shù)據(jù)計(jì)算按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行。重復(fù)性測(cè)量相對(duì)誤差范圍：壓強(qiáng)εp=0.2%～0.9%；功率εP=0.3%～0.8%，系統(tǒng)誤差較低。試驗(yàn)數(shù)據(jù)無奇點(diǎn)出現(xiàn)，即無粗大誤差。由此可以說明試驗(yàn)結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性和可信度。

5 結(jié)論

（1）由于散熱器具有相當(dāng)于無數(shù)垂直安裝前置導(dǎo)葉導(dǎo)流的功效，發(fā)動(dòng)機(jī)軸流風(fēng)扇的設(shè)計(jì)和性能測(cè)試須和散熱器聯(lián)立成整體進(jìn)行，否則會(huì)產(chǎn)生一定的失真誤差。發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇額定消耗功率只占發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率的0.12%。

（2）風(fēng)扇進(jìn)氣邊的真空度和軸向速度隨轉(zhuǎn)速的增加以上凸拋物線的形式近似均勻遞增，當(dāng)轉(zhuǎn)速n＞2 000 r/min后遞增幅度才明顯增大，故風(fēng)扇設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速不能過小。發(fā)動(dòng)機(jī)軸流風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變化，風(fēng)扇風(fēng)量和軸功率變化近似滿足流體機(jī)械相似理論第一和第三相似比例定律。葉輪內(nèi)部壓強(qiáng)和速度的變化規(guī)律還需做進(jìn)一步的研究，故目前難以獲得精準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)軸流風(fēng)扇變轉(zhuǎn)速通用特性曲線。

（3）轉(zhuǎn)速n≤2 300 r/min范圍內(nèi)葉輪流場(chǎng)隨半徑的增加，壓強(qiáng)、軸向速度等流動(dòng)參數(shù)變化不大，基本符合軸流機(jī)械圓柱層流面無關(guān)性假設(shè)。轉(zhuǎn)速超出此范圍流動(dòng)參數(shù)徑向變化較大，這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)軸流風(fēng)扇葉片狹長(zhǎng)，采用變環(huán)量設(shè)計(jì)所造成。