自由末端型轴流式风扇组件的制作方法
【专利说明】自由末端型轴流式风扇组件
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年3月13日提交的美国临时专利申请N0.61/779，186的优先权，其全部内容通过引用结合到本文中。
【背景技术】
[0003]本发明总体涉及自由末端型轴流式风扇，其可被用作汽车发动机的冷却风扇，以及其它用途。
[0004]发动机冷却风扇被用于机动车辆中以将空气移动通过一组换热器，该组换热器一般包括用于冷却内燃发动机的散热器、空调机的冷凝器和可能的附加换热器。这些风扇通常由护罩围住，所述护罩用来减少环流并且在风扇与换热器之间引导空气。一般地，这些风扇由安装到护罩上的电机驱动。
[0005]风扇一般以塑料一一一种机械性能有限的材料注射成型。塑料风扇在高温下遭受旋转载荷和空气动力载荷时呈现出蠕变挠曲。该挠曲在设计过程中必须被考虑到。
[0006]虽然某些发动机冷却风扇具有连接所有叶片末端的旋转末端带，但是许多却是自由末端型，即，叶片末端相互没有连接。与有带的风扇相比，自由末端型风扇具有若干优点。它们可具有更低的成本、减轻的重量、更好的平衡性，以及由于它们减小的惯性而产生的其他优点，比如更低的力偶不平衡性、更低的进动转矩和当不供给动力时更快的减载。
[0007]通常，自由末端型风扇被设计成具有恒定半径的末端形状并且在护罩筒中运行，该护罩筒在与风扇叶片具有密合间隙的区域中是圆筒形的。在其它情况中，末端的半径是不恒定的。例如，美国专利U.S 6，595，744描述了一种自由末端型发动机冷却风扇，其中，叶片末端被成形为与漏斗形的护罩筒适配。
[0008]自由末端型风扇被设计成在叶片末端与护罩筒之间具有末端间隙或者运行间隙。该末端间隙必须足以考虑到制造公差和在风扇组件的使用寿命上可出现的最大挠曲。实际上，该间隙通常为风扇直径的至少0.5%，但是小于2%，并且更一般地大致为风扇直径的
[0009]末端间隙的存在对性能具有许多不利影响。一个影响是，当间隙增大时风扇必须以更高速度运行以达到给定的运行点。这是由于叶片载荷(风扇叶片的压力侧与负压侧之间的压力差)在间隙附近减小了。其他影响是降低了风扇的效率并且增大了风扇的噪声，特别是系统阻力高的情况下。这些不利影响可将自由末端风扇的适用性限制于系统阻力相对较低的应用场合。因此，需要一种能减小由末端间隙引起的不利性能影响的自由末端风
Ho
[0010]一种途径是对风扇进行设计，以抵消末端间隙对风扇载荷的影响。例如，美国专利申请公开N0.2011/0211949描述了一种在存在末端间隙的情况下改善末端载荷的风扇。该风扇可以提高风扇的性能，但是风扇的效率和噪声可仍然被间隙损害。
[0011]另一途径是对风扇的末端进行设计，以使通过间隙的空气流量最小。过去已经提出了具有不同成果的各种方法。改进叶片形状以便在不增加几何形状细节的情况下使通过末端间隙的流量最小化是一项挑战，所述几何形状细节会带来附加的寄生阻力或增加风扇噪声。
【发明内容】
[0012]在一方面，本发明提供了一种包括风扇和护罩的自由末端型轴流式风扇组件，所述风扇具有多个叶片，每个叶片均具有前缘、后缘和叶片末端。所述护罩包括至少围绕叶片末端的一部分的护罩筒，所述组件在护罩筒与叶片末端之间具有运行间隙。风扇的叶片末端半径R等于在叶片后缘处测得的叶片末端的最大半径范围，且风扇的直径D等于叶片末端半径R的两倍。叶片中的每个均具有在每个半径处具有翼弦线和厚度分布的截面几何形状，所述厚度从叶片前缘至叶片后缘是变化的，所述厚度在最大厚度的位置处具有最大值。无量纲厚度分布在每个半径处被定义为厚度除以最大厚度随弦向位置变化的分布。所述多个叶片中的每个的最大厚度在邻近叶片末端的区域处呈现出明显增加。
[0013]在本发明的一个方面，护罩筒是漏斗形的，并且叶片末端被成形为与漏斗形的护罩筒适配，并且叶片末端前缘与叶片末端后缘相比位于更大半径处。在本发明的该方面，在邻近叶片末端的区域内离叶片末端任何距离处的最大厚度、后缘厚度和厚度分布被作为具有不随半径位置而变化的最大厚度、后缘厚度和厚度分布的叶片的最大厚度、后缘厚度和厚度分布，其中，离叶片末端所扫过的旋转面以该距离偏移的旋转面与叶片的相交面与具有不随半径位置而变化的最大厚度、后缘厚度和厚度分布的叶片的相应的相交面相同。
[0014]在本发明的另一方面，风扇具有恒定半径的叶片末端。
[0015]在本发明的另一方面，每个叶片末端处的最大厚度与以等于0.1OR的距离偏离叶片末端的叶片截面的最大厚度相比大至少100%。
[0016]在本发明的另一方面，每个叶片末端处的最大厚度与以等于0.1OR的距离偏离叶片末端的叶片截面的最大厚度相比大至少200%。
[0017]在本发明的另一方面，每个叶片末端处的最大厚度与以等于0.05R的距离偏离叶片末端的叶片截面的最大厚度相比大至少100%。
[0018]在本发明的另一方面，每个叶片末端处的最大厚度与以等于0.05R的距离偏离叶片末端的叶片截面的最大厚度相比大至少200%。
[0019]在本发明的另一方面，每个叶片末端处的最大厚度与以等于0.025R的距离偏离叶片末端的叶片截面的最大厚度相比大至少100%。
[0020]在本发明的另一方面，每个叶片末端处的最大厚度与以等于0.025R的距离偏离叶片末端的叶片截面的最大厚度相比大至少200%。
[0021]在本发明的另一方面，在叶片的内部部分与邻近叶片末端的明显最大厚度增加的区域之间存在厚度上的平滑过渡。
[0022]在本发明的另一方面，厚度在邻近叶片末端的明显最大厚度增加的区域内至叶片末端单调地增加。
[0023]在本发明的另一方面，最大厚度的增加大致随离厚度增加开始位置的距离的平方而定。
[0024]在本发明的另一方面，叶片末端处的无量纲厚度分布类似于厚度增加开始处的无量纲厚度分布，但是后缘区域除外，在所述后缘区域处，叶片末端具有相对较小的无量纲后缘厚度。
[0025]在本发明的另一方面，与在厚度增加开始处的无量纲厚度分布相比，叶片末端处的无量纲厚度分布的最大厚度位置更靠近后缘。
[0026]在本发明的另一方面，叶片末端的后缘厚度大致等于厚度增加开始位置处的叶片截面的后缘厚度。
[0027]在本发明的另一方面，末端间隙大于风扇直径D的0.005倍并且小于风扇直径D的0.02倍。
[0028]在本发明的另一方面，风扇是注射成型的塑料件。
[0029]在本发明的另一方面，邻近叶片末端的加厚区域是空心的。
[0030]在本发明的另一方面，护罩筒是漏斗形的，叶片末端被成形为与漏斗形的护罩筒适配，风扇是注射成型的，并且邻近叶片末端的加厚区域是空心的，且不需要成型模具中的动作。
[0031]在一方面，本发明提供了一种包括风扇和护罩的自由末端型轴流式风扇组件，所述风扇具有多个叶片，每个叶片均具有前缘、后缘和叶片末端。所述护罩包括至少围绕叶片末端的一部分的护罩筒，所述组件具有护罩筒与叶片末端之间的运行间隙。风扇的叶片末端半径R等于在叶片后缘处测得的叶片末端的最大半径范围，且风扇的直径D等于叶片末端半径R的两倍。每个叶片均具有在每个半径处具有翼弦线和厚度分布的截面几何形状，所述厚度从叶片前缘至叶片后缘是变化的，所述厚度在最大厚度的位置处具有最大值。无量纲厚度分布在每个半径处被定义为厚度除以最大厚度随弦向位置变化的分布。所述多个叶片中的每个的最大厚度在邻近叶片末端的区域中呈现出明显增加，且最大厚度从所述区域离叶片末端最远的端部至尖锐的叶片末端边缘或者叶片末端的边缘倒圆开始的点而连续地增加。本发明的其他方面通过考虑到详细说明和附图而显而易见。
【附图说明】
[0032]图1a是自由末端型轴流式风扇组件的示意视图，示出了恒定半径的叶片末端和圆筒形的护罩筒。该自由末端型轴流式风扇组件被配置成发动机的冷却风扇组件。
[0033]图1b是自由末端型轴流式风扇组件的示意视图，示出了与漏斗形护罩筒的形状适配的叶片末端。该自由末端型轴流式风扇组件被配置成发动机的冷却风扇组件。
[0034]图1c是自由末端型轴流式风扇组件的示意视图，示出了与漏斗形护罩筒的形状适配的叶片末端，其中叶片后缘在叶片末端处被倒圆。
[0035]图2a示出了具有恒定半径的叶片末端的风扇的轴向投影，以及各种几何参数的限定。
[0036]图2b示出了具有与漏斗形护罩适配的叶片末端的风扇的轴向投影，以及各种几何参数的限定。
[0037]图2c示出了具有与漏斗形护罩适配的叶片末端的风扇的轴向投影，其中叶片后缘在叶片末端处被倒圆。
[0038]图3a是沿图2a的线A_A截取的风扇叶片的圆柱截面，以及各种几何参数的限定。
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