風(fēng)扇.doc

就將風(fēng)扇設(shè)計(jì)進(jìn)行到底吧： 衡量一款風(fēng)扇的品質(zhì)，最重要的兩個(gè)方面為性能與壽命，其次便是越來越受到關(guān)注的工作噪音；此外，關(guān)系到能否正常使用，還必須注意風(fēng)扇的規(guī)格與功率。 與底面尺寸息息相關(guān)的數(shù)據(jù)為過風(fēng)面積（風(fēng)扇底面積減去外框與電機(jī)占據(jù)部分所占面積的結(jié)果），進(jìn)一步則影響到風(fēng)扇的重要性能指標(biāo)“風(fēng)量”。擁有更大的底面尺寸，一般就可以獲得更大的過風(fēng)面積，在風(fēng)速相當(dāng)?shù)那闆r下，將獲得更大的風(fēng)量；反過來考慮，就可以降低風(fēng)速卻不減少風(fēng)量，采用“大口徑”風(fēng)扇也是目前風(fēng)冷散熱器發(fā)展的大趨勢(shì)之一。 增加風(fēng)扇的高度有利于增大風(fēng)扇功率、加大扇葉面積，都可以增強(qiáng)風(fēng)扇的性能；有些風(fēng)扇也會(huì)利用增加的高度在外框上添加導(dǎo)流片或改變扇葉旋轉(zhuǎn)面方向（即非軸流風(fēng)扇）等。風(fēng)速 風(fēng)速是風(fēng)扇重要的性能指標(biāo)之一，與最重要的兩項(xiàng)性能指標(biāo)之一風(fēng)量關(guān)系密切。 風(fēng)速即風(fēng)扇出風(fēng)口或進(jìn)風(fēng)口的空氣流動(dòng)速度，單位一般為m/s；僅是某一位置的速度數(shù)值，不能完全體現(xiàn)風(fēng)扇的性能。風(fēng)速在不同位置數(shù)值可能有較大差異，且平均值難以計(jì)算，一般不用來表示風(fēng)扇的性能。 風(fēng)速的高低主要取決于扇葉的形狀、面積、高度以及轉(zhuǎn)速。扇葉形狀設(shè)計(jì)、面積、高度的影響較為復(fù)雜；風(fēng)扇轉(zhuǎn)速越快，風(fēng)速越快，則是顯而易見的常識(shí)。風(fēng)量： 風(fēng)量是風(fēng)扇最重要的兩項(xiàng)性能指標(biāo)之一。 風(fēng)量即單位時(shí)間內(nèi)通過風(fēng)扇出風(fēng)口（或進(jìn)風(fēng)口）截面的空氣體積，單位一般為cfm，即立方英尺每分-cubic feet per minute，或cmm，即立方米每分- cubic metres per minute。風(fēng)量是風(fēng)扇性能的整體衡量指標(biāo)，不受到尺寸、結(jié)構(gòu)、方式的限制，也不限于直流無刷風(fēng)扇，可適用于任何空氣導(dǎo)流設(shè)備。 風(fēng)量平均風(fēng)速 x 過風(fēng)面積?？梢?，風(fēng)扇風(fēng)量的大小基本取決于風(fēng)速的高低與過風(fēng)面積的大小。過風(fēng)面積相同，風(fēng)速越高，風(fēng)量越大；風(fēng)速相同，過風(fēng)面積越大，風(fēng)量越大風(fēng)壓： 風(fēng)壓是風(fēng)扇最重要的兩項(xiàng)性能指標(biāo)之一。 風(fēng)壓即風(fēng)扇能夠令出風(fēng)口與入風(fēng)口間產(chǎn)生的壓強(qiáng)差，單位一般為mm（cm） water column，即毫米（厘米）水柱（類似于衡量大氣壓的毫米汞柱，但由于壓強(qiáng)差較小，一般以水柱為單位）。風(fēng)壓是衡量風(fēng)扇“強(qiáng)勁”程度的重要指標(biāo)，如果將風(fēng)量比作一把武器的揮擊力量，那么風(fēng)壓就是這把武器的鋒利程度。 風(fēng)壓主要取決于扇葉的形狀、面積、高度以及轉(zhuǎn)速，前三者的影響較為復(fù)雜，于轉(zhuǎn)速的關(guān)系則簡(jiǎn)單直接轉(zhuǎn)速越快，風(fēng)壓越大。風(fēng)扇產(chǎn)品所說明的風(fēng)量與風(fēng)壓均為理想狀態(tài)下的最大值，即風(fēng)扇入風(fēng)口與出風(fēng)口之間無壓強(qiáng)差狀態(tài)下的風(fēng)量（最大風(fēng)量），以及風(fēng)扇向密閉氣室內(nèi)吹風(fēng)，直至風(fēng)量為零狀態(tài)下氣室與外界氣壓的差值（最大靜壓）。它們并非兩個(gè)孤立的性能指標(biāo)，而是互相制約著，之間的關(guān)系就是流體力學(xué)中典型的流速與壓強(qiáng)間的關(guān)系風(fēng)量隨著壓強(qiáng)差的增大而減小，兩者互相制約的程度則取決于扇葉形狀與整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)速： 轉(zhuǎn)速是風(fēng)扇各項(xiàng)性能指標(biāo)的根本決定因素之一。 轉(zhuǎn)速即風(fēng)扇扇葉在單位時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)的周數(shù)，單位一般為rpm，即rounds per minute-轉(zhuǎn)每分。轉(zhuǎn)速是風(fēng)扇最容易測(cè)量的參數(shù)，高轉(zhuǎn)速是各種“暴力”風(fēng)扇力量的源泉，也是大噪音的根源。 轉(zhuǎn)速基本上取決于風(fēng)扇采用的電機(jī)性能。 只要確定了風(fēng)扇的物理規(guī)格、結(jié)構(gòu)，各種性能就全部由轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。轉(zhuǎn)速可以影響到風(fēng)速、風(fēng)量、風(fēng)壓、噪音、功率，甚至使用壽命。轉(zhuǎn)速越高，風(fēng)扇性能越強(qiáng)，即風(fēng)速越快，風(fēng)量越大，風(fēng)壓越大；同時(shí)，轉(zhuǎn)速高，摩擦、振動(dòng)就多、噪音就大，軸承等損耗設(shè)備的壽命就短；轉(zhuǎn)速提高，電機(jī)消耗功率增大也是必然結(jié)果。 扇葉： 常見的風(fēng)扇扇葉截面曲線，一般基于Joukowski（茹科夫斯基，俄國(guó)著名的空氣動(dòng)力學(xué)家，當(dāng)代航空科學(xué)的開拓者，提出了茹科夫斯基函數(shù)，奠定了機(jī)翼空氣動(dòng)力計(jì)算的理論基礎(chǔ)）機(jī)翼截面曲線設(shè)計(jì)，再按照設(shè)計(jì)需要，根據(jù)葉片根部及端部與旋轉(zhuǎn)軸之夾角、根部及端部寬度等數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)堆疊，形成三維扇葉曲面，并進(jìn)行曲線擬合，最終完成整個(gè)扇葉模型設(shè)計(jì)。 扇葉的性能受到眾多參數(shù)的影響，如層疊高度、葉片曲率、葉片傾角、葉片間距、葉片厚度、葉片數(shù)目、葉片沖角、葉端間隙、葉片寬度、主軸直徑等等，且各參數(shù)間互相制約，關(guān)系復(fù)雜。不斷的調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)，尋找最適合目標(biāo)工作要求的組合，便是進(jìn)行扇葉設(shè)計(jì)的研究人員所從事的工作。若要將這些參數(shù)全部解釋清楚并加以分析，足以寫出幾篇博士論文了，但本文只是淺要分析風(fēng)冷散熱器的相關(guān)技術(shù)，實(shí)無此必要，筆者也尚無此能力-_-。因此，僅將幾個(gè)用戶較為關(guān)注的參數(shù)略加介紹： 葉片曲率：在一定范圍內(nèi)，葉片曲率越大，相同轉(zhuǎn)速下，氣體動(dòng)能也就越大，即風(fēng)量與風(fēng)壓越大；同時(shí)，葉片所受的阻力也越大，要求電機(jī)的扭力更大。當(dāng)弧高/弦長(zhǎng)的比值超過0.1時(shí)，升力系數(shù)便不再呈線性增加，故“一定范圍”即0.05<弧高/弦長(zhǎng)<0.1。 葉片傾角：傾角越大，葉片上下表面間壓力差越大，相同轉(zhuǎn)速下風(fēng)壓越大；但上表面壓力過大，可能產(chǎn)生回流現(xiàn)象，反而降低風(fēng)扇性能。因此，葉片傾角也應(yīng)在一定限度內(nèi)提升。 葉片間距：葉片間的距離過小，會(huì)導(dǎo)致氣流擾動(dòng)，增加葉片表面的摩擦，降低風(fēng)扇效率；葉片間的距離過大，則會(huì)導(dǎo)致壓力損失增大，風(fēng)壓不足。 葉片數(shù)目：各種規(guī)格風(fēng)扇葉片的截面曲線、傾角等基本相若，每片葉片寬度往往取決于扇葉的高度。為了保證葉片間距不致過大，影響風(fēng)壓，徑高比較?。聪鄬?duì)較?。┑娘L(fēng)扇多采用增加葉片數(shù)目的方法彌補(bǔ)。不論葉片數(shù)目是多是少，軸流風(fēng)扇的葉片數(shù)目卻往往是3、7、11等奇數(shù)，這是由于若采用偶數(shù)片形狀對(duì)稱的扇葉，又沒有調(diào)整好平衡，很容易使系統(tǒng)發(fā)生共振，倘葉片材質(zhì)又無法抵抗振動(dòng)產(chǎn)生的疲勞，將會(huì)使葉片或心軸發(fā)生斷裂，因此多設(shè)計(jì)為關(guān)于軸心不對(duì)稱的奇數(shù)片扇葉設(shè)計(jì)。這一原則普遍應(yīng)用于包括部分直升機(jī)螺旋槳在內(nèi)的各種扇葉設(shè)計(jì)中。 葉端間隙：如何調(diào)整扇葉與外框之間所存在的間隙是風(fēng)扇設(shè)計(jì)中的一大難題。間隙過小會(huì)令此間氣流與葉片、外框發(fā)生摩擦，增大噪音；增大間隙則會(huì)由于反激氣流等影響耳降低風(fēng)扇效率間隙增大1，則全壓功率下降約2。 葉片弧度：扇葉除了在截面上具有一定曲率外，在俯視平面內(nèi)也并非沿著徑向筆直延伸，而是向著旋轉(zhuǎn)方向略有彎曲，呈一定弧度。如果葉片沿徑向筆直延伸，風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)所帶動(dòng)的氣流在出風(fēng)口一側(cè)將呈散射狀，送風(fēng)距離短，且“力量”不集中；如現(xiàn)行產(chǎn)品版略帶弧度，則可保證吹出氣流集中在出風(fēng)口正前方的柱狀空間內(nèi)，增加送風(fēng)距離與風(fēng)壓。 主軸直徑：由于電機(jī)與軸承的存在，軸流風(fēng)扇主軸所在的中心部分難免一定無氣流通過的盲區(qū)，主軸直徑便決定著此盲區(qū)的大小。主軸直徑的大小則主要取決于風(fēng)扇電機(jī)的功率大功率的電機(jī)需要更大的定子繞組線圈，必然占用更多的空間，在無法縱向擴(kuò)展（增加高度）的情況下，便只好橫向擴(kuò)展（增大面積）。 葉片光滑度：這是一項(xiàng)非設(shè)計(jì)因素影響的指標(biāo)，基本上取決于生產(chǎn)者的模具成形與后期處理工藝。在設(shè)計(jì)曲線之外，葉片上的不平整會(huì)在旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生紊流，增加摩擦，降低風(fēng)扇效率，折損風(fēng)扇性能，增大工作噪音。因此，應(yīng)對(duì)葉片表面的光滑度嚴(yán)格控制，如果所購(gòu)產(chǎn)品處理不佳，則應(yīng)考率采用手工打磨等后續(xù)手段彌補(bǔ)。 風(fēng)冷散熱器的工作噪音主要有三個(gè)來源：軸承的摩擦與振動(dòng)、扇葉的振動(dòng)、風(fēng)噪。 1.軸承的摩擦與振動(dòng)：不但產(chǎn)生噪音，而且影響性能，縮短器件壽命，降低能源利用效率，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中盡量解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。 2.扇葉的振動(dòng)：一般采用塑料制作的風(fēng)扇扇葉具有一定的韌性，可以承受一定程度的物理形變，同樣也會(huì)在推動(dòng)空氣過程中因受力發(fā)生振動(dòng)，但幅度一般較小。另一種較為嚴(yán)重的振動(dòng)則是由于扇葉質(zhì)量分布不均，質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)軸心存在偏心距所致。當(dāng)扇葉面積（質(zhì)量）或偏心距較大的情況下，可能會(huì)帶動(dòng)風(fēng)扇甚至散熱器整體發(fā)生振動(dòng)，進(jìn)而波及整個(gè)機(jī)箱。如果發(fā)生此類現(xiàn)象，則應(yīng)懷疑風(fēng)扇品質(zhì)與工作狀態(tài)。 3.風(fēng)噪：流動(dòng)的空氣之間互相沖擾，與周圍物體發(fā)生摩擦，葉片對(duì)氣流的分離作用，周期性送風(fēng)的脈動(dòng)力等，都會(huì)產(chǎn)生噪音。空氣流速越快，湍流越多，往往風(fēng)噪也越大，而且會(huì)隨著風(fēng)速的提高呈加速度增大。普通的軸流風(fēng)扇會(huì)在扇葉與外框間的空隙處產(chǎn)生反激氣流，產(chǎn)生較大風(fēng)噪的同時(shí)，更會(huì)對(duì)風(fēng)量造成不利影響，也正因此出現(xiàn)了折緣、側(cè)進(jìn)風(fēng)等改良設(shè)計(jì)。 噪音的主要影響就體現(xiàn)在使用者的身心健康與安全之上，而與噪音相伴的振動(dòng)則可能導(dǎo)致芯片磨損、接口松動(dòng)、盤片劃傷等危及使用的現(xiàn)象。 選擇風(fēng)扇時(shí)，應(yīng)當(dāng)關(guān)注風(fēng)扇的工作噪音，要求自然是越小越好。但廠家在產(chǎn)品參數(shù)中所提供的噪音數(shù)據(jù)，往往與實(shí)際使用中的效果存在一定差距，不可直接以之為準(zhǔn)，這主要是由于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)