風扇.doc

就將風扇設計進行到底吧： 衡量一款風扇的品質，最重要的兩個方面為性能與壽命，其次便是越來越受到關注的工作噪音；此外，關系到能否正常使用，還必須注意風扇的規(guī)格與功率。 與底面尺寸息息相關的數(shù)據(jù)為過風面積（風扇底面積減去外框與電機占據(jù)部分所占面積的結果），進一步則影響到風扇的重要性能指標“風量”。擁有更大的底面尺寸，一般就可以獲得更大的過風面積，在風速相當?shù)那闆r下，將獲得更大的風量；反過來考慮，就可以降低風速卻不減少風量，采用“大口徑”風扇也是目前風冷散熱器發(fā)展的大趨勢之一。 增加風扇的高度有利于增大風扇功率、加大扇葉面積，都可以增強風扇的性能；有些風扇也會利用增加的高度在外框上添加導流片或改變扇葉旋轉面方向（即非軸流風扇）等。風速 風速是風扇重要的性能指標之一，與最重要的兩項性能指標之一風量關系密切。 風速即風扇出風口或進風口的空氣流動速度，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)風扇的性能。風速在不同位置數(shù)值可能有較大差異，且平均值難以計算，一般不用來表示風扇的性能。 風速的高低主要取決于扇葉的形狀、面積、高度以及轉速。扇葉形狀設計、面積、高度的影響較為復雜；風扇轉速越快，風速越快，則是顯而易見的常識。風量： 風量是風扇最重要的兩項性能指標之一。 風量即單位時間內通過風扇出風口（或進風口）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。風量是風扇性能的整體衡量指標，不受到尺寸、結構、方式的限制，也不限于直流無刷風扇，可適用于任何空氣導流設備。 風量平均風速 x 過風面積?？梢姡L扇風量的大小基本取決于風速的高低與過風面積的大小。過風面積相同，風速越高，風量越大；風速相同，過風面積越大，風量越大風壓： 風壓是風扇最重要的兩項性能指標之一。 風壓即風扇能夠令出風口與入風口間產生的壓強差，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，但由于壓強差較小，一般以水柱為單位）。風壓是衡量風扇“強勁”程度的重要指標，如果將風量比作一把武器的揮擊力量，那么風壓就是這把武器的鋒利程度。 風壓主要取決于扇葉的形狀、面積、高度以及轉速，前三者的影響較為復雜，于轉速的關系則簡單直接轉速越快，風壓越大。風扇產品所說明的風量與風壓均為理想狀態(tài)下的最大值，即風扇入風口與出風口之間無壓強差狀態(tài)下的風量（最大風量），以及風扇向密閉氣室內吹風，直至風量為零狀態(tài)下氣室與外界氣壓的差值（最大靜壓）。它們并非兩個孤立的性能指標，而是互相制約著，之間的關系就是流體力學中典型的流速與壓強間的關系風量隨著壓強差的增大而減小，兩者互相制約的程度則取決于扇葉形狀與整體結構設計。轉速： 轉速是風扇各項性能指標的根本決定因素之一。 轉速即風扇扇葉在單位時間內旋轉的周數(shù)，單位一般為rpm，即rounds per minute-轉每分。轉速是風扇最容易測量的參數(shù)，高轉速是各種“暴力”風扇力量的源泉，也是大噪音的根源。 轉速基本上取決于風扇采用的電機性能。 只要確定了風扇的物理規(guī)格、結構，各種性能就全部由轉速決定。轉速可以影響到風速、風量、風壓、噪音、功率，甚至使用壽命。轉速越高，風扇性能越強，即風速越快，風量越大，風壓越大；同時，轉速高，摩擦、振動就多、噪音就大，軸承等損耗設備的壽命就短；轉速提高，電機消耗功率增大也是必然結果。 扇葉： 常見的風扇扇葉截面曲線，一般基于Joukowski（茹科夫斯基，俄國著名的空氣動力學家，當代航空科學的開拓者，提出了茹科夫斯基函數(shù)，奠定了機翼空氣動力計算的理論基礎）機翼截面曲線設計，再按照設計需要，根據(jù)葉片根部及端部與旋轉軸之夾角、根部及端部寬度等數(shù)據(jù)進行旋轉堆疊，形成三維扇葉曲面，并進行曲線擬合，最終完成整個扇葉模型設計。 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，關系復雜。不斷的調整各項參數(shù)，尋找最適合目標工作要求的組合，便是進行扇葉設計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冷散熱器的相關技術，實無此必要，筆者也尚無此能力-_-。因此，僅將幾個用戶較為關注的參數(shù)略加介紹： 葉片曲率：在一定范圍內，葉片曲率越大，相同轉速下，氣體動能也就越大，即風量與風壓越大；同時，葉片所受的阻力也越大，要求電機的扭力更大。當弧高/弦長的比值超過0.1時，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<0.1。 葉片傾角：傾角越大，葉片上下表面間壓力差越大，相同轉速下風壓越大；但上表面壓力過大，可能產生回流現(xiàn)象，反而降低風扇性能。因此，葉片傾角也應在一定限度內提升。 葉片間距：葉片間的距離過小，會導致氣流擾動，增加葉片表面的摩擦，降低風扇效率；葉片間的距離過大，則會導致壓力損失增大，風壓不足。 葉片數(shù)目：各種規(guī)格風扇葉片的截面曲線、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，影響風壓，徑高比較?。聪鄬^?。┑娘L扇多采用增加葉片數(shù)目的方法彌補。不論葉片數(shù)目是多是少，軸流風扇的葉片數(shù)目卻往往是3、7、11等奇數(shù)，這是由于若采用偶數(shù)片形狀對稱的扇葉，又沒有調整好平衡，很容易使系統(tǒng)發(fā)生共振，倘葉片材質又無法抵抗振動產生的疲勞，將會使葉片或心軸發(fā)生斷裂，因此多設計為關于軸心不對稱的奇數(shù)片扇葉設計。這一原則普遍應用于包括部分直升機螺旋槳在內的各種扇葉設計中。 葉端間隙：如何調整扇葉與外框之間所存在的間隙是風扇設計中的一大難題。間隙過小會令此間氣流與葉片、外框發(fā)生摩擦，增大噪音；增大間隙則會由于反激氣流等影響耳降低風扇效率間隙增大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，在俯視平面內也并非沿著徑向筆直延伸，而是向著旋轉方向略有彎曲，呈一定弧度。如果葉片沿徑向筆直延伸，風扇旋轉所帶動的氣流在出風口一側將呈散射狀，送風距離短，且“力量”不集中；如現(xiàn)行產品版略帶弧度，則可保證吹出氣流集中在出風口正前方的柱狀空間內，增加送風距離與風壓。 主軸直徑：由于電機與軸承的存在，軸流風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扇電機的功率大功率的電機需要更大的定子繞組線圈，必然占用更多的空間，在無法縱向擴展（增加高度）的情況下，便只好橫向擴展（增大面積）。 葉片光滑度：這是一項非設計因素影響的指標，基本上取決于生產者的模具成形與后期處理工藝。在設計曲線之外，葉片上的不平整會在旋轉中產生紊流，增加摩擦，降低風扇效率，折損風扇性能，增大工作噪音。因此，應對葉片表面的光滑度嚴格控制，如果所購產品處理不佳，則應考率采用手工打磨等后續(xù)手段彌補。 風冷散熱器的工作噪音主要有三個來源：軸承的摩擦與振動、扇葉的振動、風噪。 1.軸承的摩擦與振動：不但產生噪音，而且影響性能，縮短器件壽命，降低能源利用效率，是產品設計中盡量解決的關鍵技術問題。 2.扇葉的振動：一般采用塑料制作的風扇扇葉具有一定的韌性，可以承受一定程度的物理形變，同樣也會在推動空氣過程中因受力發(fā)生振動，但幅度一般較小。另一種較為嚴重的振動則是由于扇葉質量分布不均，質心與旋轉軸心存在偏心距所致。當扇葉面積（質量）或偏心距較大的情況下，可能會帶動風扇甚至散熱器整體發(fā)生振動，進而波及整個機箱。如果發(fā)生此類現(xiàn)象，則應懷疑風扇品質與工作狀態(tài)。 3.風噪：流動的空氣之間互相沖擾，與周圍物體發(fā)生摩擦，葉片對氣流的分離作用，周期性送風的脈動力等，都會產生噪音?？諝饬魉僭娇?，湍流越多，往往風噪也越大，而且會隨著風速的提高呈加速度增大。普通的軸流風扇會在扇葉與外框間的空隙處產生反激氣流，產生較大風噪的同時，更會對風量造成不利影響，也正因此出現(xiàn)了折緣、側進風等改良設計。 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則可能導致芯片磨損、接口松動、盤片劃傷等危及使用的現(xiàn)象。 選擇風扇時，應當關注風扇的工作噪音，要求自然是越小越好。但廠家在產品參數(shù)中所提供的噪音數(shù)據(jù)，往往與實際使用中的效果存在一定差距，不可直接以之為準，這主要是由于工業(yè)標準測