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柴油機(jī)冷卻風(fēng)扇的作用、結(jié)構(gòu)及噪音的影響因素
發(fā)布時(shí)間:2025-01-08 00:32:37  ▏閱讀:567次


新聞主題

柴油發(fā)電機(jī)水箱風(fēng)扇的功用和噪音控制原則

 

摘要:‌柴油發(fā)電機(jī)散熱器風(fēng)扇的主要作用是通過增強(qiáng)散熱器芯部的空氣流動(dòng),幫助柴油發(fā)電機(jī)散熱,確保其正常運(yùn)轉(zhuǎn)??得魉构驹诒疚闹嗅槍?duì)柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)中的散熱器風(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(jī)理,并給出主要的計(jì)算方法,同時(shí)就水箱風(fēng)扇噪聲的控制原則提出相應(yīng)的建議。通過這些機(jī)制和原理,可有效地幫助柴油發(fā)電機(jī)維持適宜的工作溫度,確保其穩(wěn)定運(yùn)行和延長(zhǎng)使用壽命。


一、冷卻風(fēng)扇的作用

 

      水箱風(fēng)扇位置主要處于水箱與發(fā)動(dòng)機(jī)之間,也就是裝在散熱器芯部后面,利用吸風(fēng)來冷卻芯部,如圖1所示。其功用是增大流經(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(tǒng)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(tǒng)中常用的是軸流式水箱風(fēng)扇,這種形式的水箱風(fēng)扇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,布置方便,低壓頭時(shí)風(fēng)量大,效率高。柴油機(jī)冷卻風(fēng)扇原理如圖2所示。

1、‌散熱功能‌

      柴油機(jī)在工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量,如果不能及時(shí)散熱,會(huì)導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)溫度過高,進(jìn)而引發(fā)一系列問題,如燒機(jī)油、性能下降等。冷卻風(fēng)扇通過引入外部空氣,增強(qiáng)散熱器芯部的空氣流動(dòng),幫助散發(fā)柴油發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的熱量,確保柴油發(fā)電機(jī)在適宜的溫度下運(yùn)行‌。

2、‌提高冷卻效率‌

      風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)速度直接影響其引進(jìn)的進(jìn)風(fēng)量,轉(zhuǎn)速越快,進(jìn)風(fēng)量越大,冷卻效果越好。電子式風(fēng)扇通過傳感器控制啟動(dòng)和關(guān)閉,相比機(jī)械式風(fēng)扇更加智能化和省油‌。

3、‌適應(yīng)不同工況‌

      在特殊情況下,如擁堵的公路行駛時(shí),柴油發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)可能面臨不足的空氣流量。此時(shí),可以通過手動(dòng)控制風(fēng)扇速度來維持散熱器的正常溫度‌。

 

柴油機(jī)冷卻風(fēng)扇位置圖.png

圖1  柴油機(jī)冷卻風(fēng)扇位置圖

柴油機(jī)冷卻風(fēng)扇原理圖.png

圖2  柴油機(jī)冷卻風(fēng)扇原理圖

 

二、冷卻風(fēng)扇的類型與結(jié)構(gòu)

 

1、冷卻風(fēng)扇的分類

      柴油機(jī)風(fēng)扇通常分為兩種,機(jī)械式和電子式。機(jī)械式風(fēng)扇是靠發(fā)動(dòng)機(jī)的帶動(dòng),當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速增加,風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速也會(huì)增加;而電子式風(fēng)扇則會(huì)通過傳感器控制,自動(dòng)地進(jìn)行啟動(dòng)和關(guān)閉。相比于機(jī)械式風(fēng)扇,電子式風(fēng)扇更加智能化和省油。

2、冷卻風(fēng)扇的構(gòu)成

      冷卻風(fēng)扇大部分外形如圖3所示,其結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。

      水箱風(fēng)扇的構(gòu)造在固定于柴油發(fā)電機(jī)帶輪上的水箱風(fēng)扇支架上,鉚著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(zhuǎn)速、葉片形狀、葉片安裝角及葉片數(shù)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(fù)雜,但效率高,功率消耗小。在有些柴油發(fā)電機(jī)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(yīng)安裝得與水箱風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)平面成30°~60°傾斜角。葉片數(shù)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(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲。水箱風(fēng)扇外圍裝設(shè)護(hù)風(fēng)圈,可適當(dāng)提高水箱風(fēng)扇的工作效率。

3、風(fēng)扇的維護(hù)和保養(yǎng)

      為了確保柴油機(jī)風(fēng)扇的正常工作,需要進(jìn)行定期的檢修和保養(yǎng)。下面是一些重要的保養(yǎng)維護(hù)技巧:

(1)清洗散熱器:定期清洗散熱器可以去除塵土、污垢以及其他雜質(zhì),確保空氣流通暢順。

(2)檢查風(fēng)扇和風(fēng)道:確保風(fēng)扇和風(fēng)道的旋轉(zhuǎn)自如,沒有卡滯,不影響風(fēng)扇的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

(3)更換風(fēng)扇皮帶:使用壽命達(dá)到或者超過規(guī)定時(shí)間的風(fēng)扇皮帶需要及時(shí)更換,以避免因皮帶斷裂或磨損導(dǎo)致的散熱系統(tǒng)故障。

 

散熱風(fēng)扇前視圖-柴油發(fā)電機(jī)組.png

圖3  散熱風(fēng)扇外形前視圖

柴油機(jī)冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)圖.png

圖4  柴油機(jī)冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)圖

 

三、水箱風(fēng)扇噪音來源

 

      水箱風(fēng)扇噪音是由冷卻水箱風(fēng)扇隨著柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的,與轉(zhuǎn)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,通過改變?nèi)~片的直徑、數(shù)量、形狀或角度以及采用可變?nèi)~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(jī)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(zhuǎn)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(hù)風(fēng)圈等結(jié)構(gòu)由于共振也會(huì)產(chǎn)生機(jī)械噪聲。

      旋轉(zhuǎn)噪聲是由水箱風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)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(wěn)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)...........................(公式1)

式中:z——水箱風(fēng)扇葉片數(shù);

n——水箱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速,(pfnin);

i ——1,2,3…。

      水箱風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí),渦流噪聲的頻率取決于葉片與氣體的相對(duì)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(xù)的,噪聲的頻譜也是連續(xù)的。渦流噪聲一般是寬頻帶噪聲,其主要峰值頻率為:

f=KV41(Hz)...........................(公式2)

式中:K——常數(shù);0.15~0.22

V——水箱風(fēng)扇圓周線速度,(m/s);

d——葉片在氣流入射方向上的厚度(m)。

 

四、影響水箱風(fēng)扇噪聲的因素

 

1、 水箱風(fēng)扇轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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...........................(公式3)

式中:L——噪聲聲壓級(jí);

D——水箱風(fēng)扇直徑;

N——水箱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。

      水箱風(fēng)扇直徑的大小、轉(zhuǎn)速的高低與水箱風(fēng)扇風(fēng)量的關(guān)系:

VDN...........................(公式4)

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(zhuǎn)速。

      因此,為了保證柴油發(fā)電機(jī)需要的風(fēng)量,適當(dāng)?shù)卦龃笾睆?、減小轉(zhuǎn)速是適宜的。水箱風(fēng)扇風(fēng)量的大小是根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)的散熱量來確定,從降噪的角度考慮,增強(qiáng)內(nèi)燃機(jī)及其冷卻系統(tǒng)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(guī)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...........................(公式5)

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(jī)械效率;

η3——水箱風(fēng)扇的容積效率;

      由式5可見,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(shù)

      水箱風(fēng)扇葉片的形狀對(duì)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(qiáng)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(yàn)表明,水箱風(fēng)扇的葉片材料,對(duì)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(shù)越大,其噪聲越小。增加水箱風(fēng)扇的葉片數(shù),在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速,從而降低水箱風(fēng)扇噪聲。但葉片數(shù)在6以上時(shí),增加葉片數(shù),風(fēng)量增加有限,且在降噪特性上往往有負(fù)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(jí)低4dB(A),并且功率消耗要減少27%??s小水箱風(fēng)扇與護(hù)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(yàn)表明,當(dāng)間隙為零時(shí),風(fēng)量增加27%,而噪聲下降3dB(A),降低轉(zhuǎn)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(duì)位置

      降低水箱風(fēng)扇噪聲,也可以從水箱風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及各部件之間的相互位置來考慮。適當(dāng)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(duì)降低水箱風(fēng)扇噪聲也是有意義的。隨著水箱風(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(dá)到最大值,然后又逐漸減小。試驗(yàn)表明,水箱風(fēng)扇端面離散熱器芯子過近或過遠(yuǎn),會(huì)出現(xiàn)無(wú)風(fēng)區(qū)或發(fā)生回流現(xiàn)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(dǎo)風(fēng)罩是產(chǎn)生渦流噪聲的重要來源之一,水箱風(fēng)扇入口處應(yīng)呈流線型,水箱風(fēng)扇與導(dǎo)風(fēng)罩組成的氣流通道表面應(yīng)光滑,以改善冷卻風(fēng)的流動(dòng)狀態(tài),從而降低冷卻系統(tǒng)的噪聲。水箱風(fēng)扇與導(dǎo)風(fēng)罩之間要有適當(dāng)?shù)拈g隙,徑向間隙一般應(yīng)控制在2.5%水箱風(fēng)扇直徑內(nèi),最大不宜超過3%,否則將大大降低水箱風(fēng)扇效率。通常水箱風(fēng)扇和導(dǎo)風(fēng)罩的前后關(guān)系應(yīng)是:吸風(fēng)水箱風(fēng)扇有2/3水箱風(fēng)扇投影寬度在導(dǎo)風(fēng)罩內(nèi),吹風(fēng)式水箱風(fēng)扇在導(dǎo)風(fēng)罩內(nèi)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)扇專為減少水箱風(fēng)扇噪音而設(shè)計(jì),水箱風(fēng)扇的控制器獲得柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和冷卻溫度數(shù)據(jù)以及其它信號(hào)。用以控制液壓泵高壓端的電磁閥,調(diào)節(jié)供給液壓馬達(dá)的液流量,從而改變水箱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。

      因此在各個(gè)系統(tǒng)的匹配和設(shè)計(jì)當(dāng)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(tǒng)冷卻能力的前提下,獲得最小的柴油發(fā)電機(jī)冷卻水箱風(fēng)扇噪聲。

 

總結(jié):

      在柴油發(fā)電機(jī)組的眾多組件中,風(fēng)扇扮演著舉足輕重的角色。它不僅是設(shè)備冷卻系統(tǒng)的核心,更對(duì)整體工作效率和噪音控制起著至關(guān)重要的作用。風(fēng)扇通過增強(qiáng)散熱器芯部的空氣流動(dòng),實(shí)現(xiàn)高效散熱,幫助柴油發(fā)電機(jī)降溫,避免產(chǎn)生過熱等問題,從而保障發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。電子式風(fēng)扇已成為主流,顯著提高了風(fēng)扇的智能化和省油性能。


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