發動機軸流冷卻風扇設計與流場測量

李春蓄，沙 毅，胡雅文，傅 陽，盧樂鵬

（浙江科技學院 機械與能源工程學院，杭州 310023）

0 引言

按JB/T 6723.4—2008《內燃機 冷卻風扇》，發動機、空調用風扇一般需單獨安裝在空氣動力性能試驗裝置上進行標準試驗，可以獲得風量、靜壓效率等總體特性參數及性能曲線，但缺失了散熱器作為進口導葉具有反預旋功效的體現，也未能獲得流場特性的具體細節。普通軸流風機為閉式流道，一個定轉速下可調節多組風壓和流量，而發動機軸流風扇一個定轉速下只有一組風壓和流量。為此，本文研制了465Q型發動機冷卻風扇試驗臺，以測量風扇變轉速運行性能及流場參數。

1 發動機軸流冷卻風扇流動主要特征

圖1示出風扇葉片梢基元級翼型變轉速速度三角形［1］，風扇轉速由 n增加到 n'，理論上進、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，風壓p增大，氣流量qv增大。圖1（a）示出單一葉輪，因受預旋影響進氣速度偏向旋轉方向，相同工況下軸向速度va或流量qv最小；圖1（b）示出帶進口導葉的葉輪，普通軸流風機大多用可調安裝角導葉調節流量，因導葉具有反預旋功能使進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于無數垂直平板導葉的軸流葉輪，使進氣軸向流入，相同工況下其va或qv居于上述兩種葉輪之間。

圖1 軸流式風扇變轉速基元級進、出氣邊速度三角形Fig.1 Side inlet and outlet velocity triangles of axial-flow fan element unit

2 465Q型發動機軸流風扇研制

表1為國產5種典型發動機風扇主要結構參數，通過分析簡要總結出發動機軸流冷卻風扇主要風力幾何參數外徑Dt、風扇輪轂比K、風扇葉片安裝角βy、葉片數Z、葉柵平面葉片弦寬b和葉片拱高f、葉柵平面機翼葉型等設計原則［2-3］。表2列出了465Q型發動機及風扇設計主要參數，本文采用考夫曼計算法，設計幾何參數見表3，風扇葉型如圖2所示。

圖2 風扇葉型Fig.2 Fan blade airfoil model

表1 國產5種發動機風扇主要結構參數Tab.1 Main structural parameters of 5 types of domestic engine fans

表2 4650Q型發動機性能和風扇設計主要參數Table.2 Main design parameters of 456Q engine and fan

表3 465Q型發動機軸流風扇設計幾何參數Tab.3 Design geometric parameters of axial-flow fan for 465Q engine

3 風扇變轉速性能試驗及流場測量

發動機冷卻風扇變轉速性能試驗臺［4-5］如圖3所示，測點布置如圖 4所示，其中 C1，C2，C3和C4為固定式皮托管測點，壓強值由數字式微壓計讀取，其余為移動式探針測口，壓強值由傾斜式微壓計測量。

圖3 發動機冷卻系統性能試驗裝置Fig.3 The measuring apparatus for performance of engine cooling system

圖4 氣流場測點分布Fig.4 Measurement point distribution of air flow field

為校定皮托管和探針測速精度，在半徑R=71 mm的C2測點同時布置了一熱線風速儀。主要測量儀器名稱及精度見表4。

表4 主要測量儀器及精度Tab.4 Main measuring instruments and accuracy

風扇性能及流場測量主要試驗步驟及數據處理如下：（1）由變頻器調8檔風扇轉速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）通過調節探針位置坐標測量散熱器正面A1～A15測點靜壓強p1和散熱器背面（距離風扇進風邊 10 mm）B1～B15測點靜壓強 p2；（3）測量護風圈出口C1～C8靜壓強p3和總壓強p3'；（4）扭矩儀測量輸入軸功率Pa和轉速n；（5）由伯努利方程可計算出散熱器正面A1～A15測點速度值，由連續性方程可知正面速度值等于背面B1～B15測點速度值，背面即為風扇進氣邊速度vi分布；（6）由總壓強和靜壓強計算出皮托管和探針測點C1～C8軸向速度vo值；（7）以半徑為自變量，由4個皮托管測點風速值擬合方程式vy=f（r），由護風圈探針4測點風速值擬合方程式vw=f（r），分別在風扇葉片和護風圈范圍內積分即可得各種轉速下氣流流量［6］。

流量除以護風圈以內過流面積，則得到氣流平均速度va。

散熱器正面A1～A15測點靜壓強p1分布曲線如圖 5（a）所示，背面 B1～B15靜壓強 p2與速度vi分布曲線如圖 5（b），6（a）所示；護風圈出口C1～C8靜壓強 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8檔風速下輸入力矩T、軸功率Pa和轉速n測量值及風扇流量qv和護風圈出口平均速度va計算值可得到風扇變轉速性能曲線如圖7所示。

圖5 壓強分布曲線Fig.5 Pressure distribution curve

圖6 速度曲線Fig.6 Velocity curve

圖7 風扇變轉速性能曲線Fig.7 Variable speed performance curve of fan

4 風扇性能與流場綜合分析

通過綜合分析可以得到下列研究結論［7-9］。

（1）從圖7可以看出，轉速n增大，風扇輸入軸功率Pa以下凹拋物線上升，流量qv和護風圈出口氣流平均軸向速度va以近似上凸拋物線上升。在額定轉速n=3 000 r/min下，實測風量qv=0.532 m3/s，軸功率Pa=46.6 W，達到設計要求。

（2）從圖4，5可以看出，散熱器正面和背面氣流場均為負壓（真空度），呈上升上凸拋物線分布，各種轉速下正面在葉片外緣R0=120 mm處達最大值，背面在R=80 mm處達最大值，在葉片覆蓋范圍外真空度呈下降下凹拋物線分布。背面真空度遠大于正面，壓差即為散熱器流動阻力。氣流速度指向風扇。理論上正面和背面氣流軸向速度相等，即為風扇入口邊風速，也呈上升上凸拋物線分布，各種轉速下葉片外緣處達最大值，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氣流在散熱器中會加速。

（3）從圖 5（c）和圖 6（b）可以看出，護風圈出口氣流場同樣為真空度，真空度及氣流軸向速度均隨轉速增加呈近似直線遞增，葉片外緣處達最大值，且最大值均大于風扇進氣邊同等部位。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）風扇轉速變化與流量呈一次方變化規律，與軸功率和護風圈出口平均速度均呈三次方關系，分別擬合出計算公式如下：

（5）在額定轉速n=3 000 r/min下，風量計算值qv=0.524 m3/s，軸功率計算值Pa=45.1 W，與實測值絕對誤差分別為Δqv=-0.008 m3/s，ΔPa=-1.5 W，說明提出的計算公式達到較高精確度。

（6）通過對式（2）和式（3）驗算分析，可以得到發動機風扇流量qv1/qv2≈n1/n2，軸功率Pa1/Pa2≈（n1/n2）3。

本文采用高精度科學實驗儀器實施測量，試驗過程和方法及數據計算按標準規范進行。重復性測量相對誤差范圍：壓強εp=0.2%～0.9%；功率εP=0.3%～0.8%，系統誤差較低。試驗數據無奇點出現，即無粗大誤差。由此可以說明試驗結果具有較高的準確性和可信度。

5 結論

（1）由于散熱器具有相當于無數垂直安裝前置導葉導流的功效，發動機軸流風扇的設計和性能測試須和散熱器聯立成整體進行，否則會產生一定的失真誤差。發動機風扇額定消耗功率只占發動機額定功率的0.12%。

（2）風扇進氣邊的真空度和軸向速度隨轉速的增加以上凸拋物線的形式近似均勻遞增，當轉速n＞2 000 r/min后遞增幅度才明顯增大，故風扇設計轉速不能過小。發動機軸流風扇轉速變化，風扇風量和軸功率變化近似滿足流體機械相似理論第一和第三相似比例定律。葉輪內部壓強和速度的變化規律還需做進一步的研究，故目前難以獲得精準的發動機軸流風扇變轉速通用特性曲線。

（3）轉速n≤2 300 r/min范圍內葉輪流場隨半徑的增加，壓強、軸向速度等流動參數變化不大，基本符合軸流機械圓柱層流面無關性假設。轉速超出此范圍流動參數徑向變化較大，這是由于發動機軸流風扇葉片狹長，采用變環量設計所造成。