工程机械冷却风扇流场特性与气动噪声研究

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1、工程机械冷却风扇流场特性与气动噪声研究第1章绪论1.1研究背景随着科技的进步，工业的发展，各种各样的机械设备参与到现代文明进程中，在人类改造自然的工作中扮演着重要角色，但同时也给环境带来了巨大负担，光学污染、化学污染、噪声污染、能源污染和电磁波等严重危害着人类身心健康。其中，噪声是人类环境重要污染，长期处于高分贝噪声环境中，不仅会降低工作效率，影响情绪，还会严重影响身体机能，减弱抵抗力。伴随着物质生活的日愈富足，人们开始认识到噪声带来的严重危害，国家、地区和行业因此制定并实行了严格的噪声限值标准来限制噪声污染。工程机械产品在整个国家建设中具有重要作用，由于工作环境和工作载荷的多

2、样性、复杂性，使得工程机械在工作过程中产生较大噪声，不仅对驾驶室内的操作人员造成较大伤害，整机辐射出的噪声对大范围内的其他人和物都造成严重损害。工程机械整机的噪声源除了因工作装置不同之外，基本噪声源产生于动力系统、传动系统和液压系统，其中动力系统产生的噪声在整机中占有较大比重，分析计算其中各个噪声源的分布情况有助于降噪措施的实施，提高整机的竞争力。国内工程机械虽然在功能上基本满足了建设需求，但在整体性能上却落后于国外知名品牌。工程机械产品在工作过程中动力舱内容易产生较多热量，这些热量如果不能传出舱外，将会对动力舱中各个零部件的寿命和工作性能造成严重影响，从而降低整个机械设备的工

3、作性能和寿命。工程机械动力舱内产生的热量一部分直接传到周围空气中，但大部分热量需要通过冷却系统散热。冷却风扇是冷却系统中一个比较重要的部件，冷却系统依靠冷却风扇改变动力舱中空气流动特性，对动力系统、传动系统和液压系统等产生的热量进行强制散热，提高散热系统的散热能力。冷却风扇作为散热系统重要的冷空气驱动设备，虽然在散热过程中起着关键作用，但同时也给整机带来了较大的噪声，鉴于噪声的危害和严格限制，在设计过程中不仅要保证冷却风扇能够克服动力舱中的阻力达到散热量要求，还需要尽量减小其工作过程中产生的噪声，正是因为冷却风扇的重要作用及对风扇降噪的要求，所以有必要对工程机械冷却风扇流场与噪

4、声特性进行研究。1.2工程机械冷却风扇噪声产生机理1.2.1工程机械冷却风扇简介工程机械冷却风扇属于轴流式叶片风机。风机是一种将原动机机械能转换为气体热能和动能的气体输送机械，按照工作原理可以分为容积式风机、喷射式风机和叶片式风机三大类。容积式风机依靠容积变化改变压力来输送气体；喷射式风机主要靠高压工作介质流过喷嘴时速度增大压力下降而输送气体，该种风机结构简单，但效率很低，常用于高温高压等特殊场合；叶片式风机主要包括轴流式、离心式、混流式三类风机。工程机械冷却风扇普遍采用单级轴流风机，其工作原理是依靠旋转的叶片将机械能转变成气体能量，气体克服动力舱阻力后驱动空气流动将热量传出动

5、力舱。与离心式风机相比轴流式风机具有低压力、低噪声、高流量和占用空间小的特点，早期的轴流风机全压和效率都较低，20世纪航空事业的发展促进了机翼理论和叶栅理论的研究，这些理论成果和实验数据极大地改善了轴流风机的性能。工程机械设备为了保证动力舱内有较好的换热效果，需要在满足换热量的要求下根据机翼理论和叶栅理论进行冷却风扇的设计，另外还需要通过多种降噪方法对冷却风扇进行降噪设计。轴流式风机是指通过叶轮流道的气流以近似平行于旋转轴方向流动的叶片式风机。轴流风机一个完整的级包括前后导流器和叶轮，单级轴流风机主要有四种级的形式：单独叶轮级（R级）、前导流器+叶轮级（P+R级）、叶轮+后导流

6、器级（R+S级）、前导流器+叶轮+后导流器级（O+R+S级）；多级轴流风机则是由不同的单级轴流风机组合而成。R级风机具有制造方便、结构简单，压力和效率较低的特点，工程机械所用的冷却风扇采用的是单独叶轮级轴流风机。工程机械冷却风扇按照气流方向不同分为正向型风扇和反向型风扇，如图1.1所示。第2章冷却风扇性能数值模拟圆弧板翼型冷却风扇通常是薄金属板冲压后与托板铆接而成或直接冲压成型，由于制造简单，在工程机械中运用较为广泛。在空气密度较低的场合，圆弧板翼型冷却风扇具有比飞机翼型风扇更好的气动性能，但随着噪声危害问题的日愈被重视，不仅仅要求有较好的流量、压力等气动性能，还要求具有较低的

7、噪声，所以有必要进一步研究圆弧板翼型冷却风扇的降噪方法。2.1冷却风扇性能参数冷却风扇经设计制造出来之后本身的属性就基本确定，这些性能参数主要包括流量、压力、效率、功率和转速，所以对风扇性能的研究主要从设计具有高性能风扇结构参数的角度出发，另外随着人们的噪声危害意识增强和环境对噪声的要求越来越高，风扇的运行特征参数噪声，成为评价风扇性能的一个重要参数。2.1.1冷却风扇转速转速虽然不是冷却风扇的本身属性，但是冷却风扇的性能曲线都是在不同转速下测得，不同转速的风扇具有不同的流量、压力和功率等，