阅读说明：本技术 一种噪声抑制风扇 (Noise suppression fan ) 是由 李晓东 刘宇超 陈超 于 2020-04-07 设计创作，主要内容包括：本公开提供了一种噪声抑制风扇,包括转子及静子,转子适于扰动空气并使得空气往静子方向流动；静子包含若干静叶片及静子基座,静叶片均匀绕设于静子基座,转子包含若干动叶；噪声抑制风扇还包括设置于转子与静子之间的噪声抑制装置,噪声抑制装置包括与静叶片数量相等的金属丝网,抑制装置设置于动叶的尾迹的完全发展段；在完全发展段,尾迹核心区流体的轴向速度与非尾迹主流平均轴向速度差值在10％以内。通过在动叶的尾迹的完全发展段设置金属丝网,有效地抑制了噪声的产生,其保障风扇的气动性能。(The present disclosure provides a noise suppression fan, including a rotor and a stator, the rotor being adapted to disturb air and cause the air to flow in a direction of the stator; the stator comprises a plurality of static blades and a stator base, the static blades are uniformly wound on the stator base, and the rotor comprises a plurality of movable blades; the noise suppression fan also comprises a noise suppression device arranged between the rotor and the stator, the noise suppression device comprises metal wire nets with the number equal to that of the static blades, and the noise suppression device is arranged on the complete development section of the wake of the movable blade; in the complete development stage, the difference between the axial velocity of the fluid in the wake core area and the average axial velocity of the non-wake main flow is within 10 percent. The wire mesh is arranged at the complete development section of the wake of the movable blade, so that the generation of noise is effectively inhibited, and the aerodynamic performance of the fan is guaranteed.)

一种噪声抑制风扇

技术领域

本公开涉及冷却风扇领域，尤其涉及一种噪声抑制的风扇。

背景技术

冷却风扇是一种常用的散热设备，其通过旋转叶片扰动气流，往电子设备输送冷却气流以达到控制电子产品温度的目的。冷却风扇的旋转会产生较大的噪声，尤其对于高转速、高流量的风扇，产生的气动噪声更为严重。其原因在于高转速、高流量风扇的扇叶尾涡经过风扇静叶片时会产生噪声。气流流经叶片时，在叶片表面产生边界层，同时在叶片下游产生粘性尾迹。转子或静子与上游尾迹间的转静干涉会产生叶片通过频率及其谐频下的离散纯音噪声；叶片前缘或尾缘与来流湍流以及边界层的相互干涉作用产生湍流宽频噪声。因此风扇噪声通常为离散单音和宽频噪声的组合。

现有技术中一般采用增加转子与静子之间的间距、改变静子或转子的叶型或叶片分布方式以抑制噪声。然而，通过增加转子与静子之间的间距，达到减小转静叶片之间势场的相互作用和动叶尾迹冲击静子叶片的效果，从而降低风扇噪声。然而该方法虽然可以有效降低风扇噪声，但是会对风扇的气动性能以及总增压比会造成很大的损失。通过周向、轴向倾斜静子叶片，以及不规则静叶间距等方式，可以改变转静干涉的相位分布，使得声源脉动气动力相互抵消，从而减小远场辐射的叶片通过频率噪声。采用此类方法同样会降低风扇的气动性能以及压力效率。通过采用倾斜转子叶片、掠型动叶、不规则动叶间隔以及轴流风扇叶片前缘安装锯齿等叶片设计的方式，可以使得风扇高频的宽频噪声实现显著下降，但是对于转静干涉噪声的抑制效果较差。以上方法均为未能保障风扇的气动性能同时又有效地抑制风扇的噪声。

发明内容

为了解决冷却风扇离散单音和宽频噪声组合的问题，并且保障冷却风扇的气动性能，本公开提供了

本公开采用以下方案实现：

一种噪声抑制风扇，包括转子及静子，所述转子适于扰动空气并使得所述空气往静子方向流动；所述静子包含若干静叶片及静子基座，所述静叶片均匀绕设于所述静子基座，所述转子包含若干动叶；所述噪声抑制风扇还包括设置于所述转子与所述静子之间的噪声抑制装置，所述噪声抑制装置包括与所述静叶片数量相等的金属丝网，所述抑制装置设置于所述动叶的尾迹的完全发展段；在完全发展段，尾迹核心区流体的轴向速度与非尾迹主流平均轴向速度差值在10％以内。

进一步地，所述金属丝网与所述静叶片的前缘的距离大于15个金属丝网的网孔间距。

进一步地，所述金属丝网的穿孔率为50％-60％。

进一步地，所述金属丝网由直径为0.1mm-0.2mm金属丝构成。

进一步地，所述噪声抑制风扇还包括了动叶机匣及静叶机匣，所述动叶机匣内部形成有容纳所述转子的第一空腔，所述静叶机匣内部形成有容纳所述静子的第二空腔，动叶机匣与静叶机匣同轴且贴合设置。

进一步地，若干所述金属丝网的面积之和为流道面积的15％-30％。

进一步地，所述静叶片包括压力面及吸力面，所述金属丝网位于所述吸力面一侧。

进一步地，金属丝网距离所述静叶片的前缘为70-150个金属丝网的网孔间距。

进一步地，所述静子与转子同轴设置，所述静叶片的前缘与静子基座的前端面具有空隙，动叶片的后缘与转子基座的后端面具有空隙。

本公开通过在动叶的尾迹设置金属丝网，将气流流经动叶后的尾迹中的大尺度涡系打碎成小尺度涡，降低由于叶片粘性尾迹与下游叶片干涉产生的转静干涉噪声，从而降低风扇噪声。同时，气流经过金属丝网会造成一定的压降，过高的压降对于风扇是不可接受的，因此本公开的金属丝网的布置位置需尽量在动叶尾迹的完全发展段，此时尾迹中的速度亏损量很小，叶型剖面的速度型较均匀，避免了由于网前流体速度不均而使金属丝网与气流作用后形成较大的速度差，而使剪切作用加强导致的湍流强度增大。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1为本公开的不含机匣的噪声抑制风扇整体方案视图；

图2为图1的侧视图；

图3为噪声抑制风扇的尾迹速度模型图；

图4为噪声抑制风扇的湍流强度随距离变化图；

图5为图1中金属丝网参数示意图；

图6为f(Re)随Re变化规律示意图；

图7为本公开噪声抑制风扇含机匣的整体方案视图；

图8为图7噪声抑制风扇的静叶机匣示意图；

图9为图1转静子间金属丝网安装位置示意图；

图10为噪声抑制风扇的麦克风布置测试示意图。

1、转子；2、噪声抑制装置；21、金属丝网；22、丝网基座；3、静子；31、静叶片；311、压力面；312、吸力面；32、静子基座；4、动叶机匣；5、静叶机匣；51、静叶机匣外壳；52、固定部。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

参见说明书附图1，本公开提供了一种噪声抑制风扇，包括转子1及静子3。风扇的转子1包含有若干动叶，风扇的静子3包含若干静叶，本公开中优选动叶的数量少于静叶的数量，在充分考虑了风扇所需要带来的冷却流量及整流效果，本公开优选具有5片动叶的转子1及具有9片静叶的静子3。所述转子1适于扰动空气并使得所述空气往静子3方向流动。所述静子3还包括静子基座32，静叶片31均匀绕设于所述静子基座32。所述静子3与转子1同轴设置，静叶片31的前缘与静子基座32的前端面具有一定的距离(附图2)，动叶片的后缘与转子基座的后端面具有一定的距离。此时，转子1与静子3贴近安装时，也能避让出噪声抑制装置2的安装空间。所述噪声抑制装置2设置于所述转子1与所述静子3之间，所述噪声抑制装置2包括与所述静叶片31数量相等的金属丝网21，在本公开中优选金属丝网21为9片。金属丝网21可以通过丝网基座22连接成为统一的整体，如附图1所示。所述丝网基座22设置为圆环状，从圆环的内侧或从圆环的外侧连接若干所述金属丝网21。当然也能够将所述金属丝网21分隔设置，每一个金属丝网21配置一个丝网基座22，由丝网基座22与静子3或静叶机匣5连接。

当转子1旋转，动叶片扰动气流向静叶片31流动。由风扇转静干涉造成的离散单音噪声在总噪声能量中占有很大比例。气流流经风扇叶片后，在动叶片下游会形成粘性尾迹。动叶片尾迹中大尺度涡携带的能量更多，与下游静叶片31相互作用时产生的噪声更大。在动叶片后布置金属丝网21，粘性尾迹与金属丝相互作用，大尺度涡破碎为小尺度涡。旋涡尺度足够小、局部变形率足够大时，粘性可以耗散掉湍流动能。然而气流经过金属丝网21会造成一定的压降，过高的压降对于风扇是不可接受的，因此需要在尽可能低的压降条件下最大程度的降低湍流强度从而降低转静干涉噪声。

尾迹是一种自由剪切运动，且旋转叶片尾迹具有强三维性。由于流体流经叶片后，会在叶片后部形成分离区而产生尾迹亏损。参见附图3可知，尾迹的特点是中心流速比四周流速小，且尾迹宽度随流向渐大。图中，t为叶间距，Uc为主流区速度，Um为速度亏损区最小速度，U1m为速度最大亏损量，δ为尾迹半宽度。根据附图3虚线所示的尾迹，尾迹距离动叶片越远，单位长度的变化尾迹的速度亏损越小。由此可见，金属丝网21的布置位置需尽量在动叶片尾迹的完全发展段，此时尾迹中的速度亏损量很小，叶型剖面的速度型较均匀，避免了由于网前流体速度不均而使金属丝网21与气流作用后形成较大的速度差，而使剪切作用加强导致的湍流强度增大。在完全发展段，尾迹核心区流体的轴向速度与非尾迹主流平均轴向速度差值在10％以内。

参见附图4，湍流强度在气流经过金属丝网21前后随相对轴向距离的变化如图所示，Ures/U表示湍流强度，M为金属丝网21网格间距，横坐标中x/M＝0所处位置为金属丝网21在流道中所在截面的轴向位置，A处表示初始湍流强度。由图所见，气流靠近金属丝网21区域时，由于收缩效应和网前压力的重新分布湍流强度会有所降低；随后随着流动继续靠近金属丝网21，湍流强度急剧增大，这主要是由于气流流经金属丝时产生的湍流强度大但是涡尺寸小的脱落涡所致；随后强度迅速衰减，并在15～25个金属丝网21网孔间距后，由于耗散作用而使湍流强度低于初始强度；此后湍流强度随距离降低率趋于平缓。因此，所述金属丝网21与所述静叶片的前缘的距离大于15个金属丝网21的网孔间距。

参见附图5，金属丝网21的金属丝直径、穿孔率以及布置位置的选择，对于降低由于转静干涉造成的窄带噪声及风扇性能的影响具有重要作用。金属丝网21主要参数包括金属丝直径d、网孔间距L、穿孔率σ。其中，穿孔率计算公式如式(1)所示。

通过大量不同尺度的筛网与来流气流相互作用的实验，得到来流湍流流经金属丝网21后静压降系数K与雷诺数以及金属丝网21穿孔率σ相关联的表达式，如式(2)所示。

Re_d表达式为式(3)，式中U为金属丝网前来流速度，d为金属丝网丝径直径，ν为空气运动粘度。

f(Re_d)为经验公式，如附图6所示，f(Re_d)随Re的增大而递减。由公式(2)及附图6可以看出，Re越大，穿孔率σ越大，压降系数则越小，对风扇的气动性能影响也就越小。可见，Re中的参数之一丝径直径d增大，Re也会增大。但是过高的金属丝直径会造成气流经过金属丝网后涡脱落噪声增大。另外，过高的穿孔率对也会降低金属丝网的降噪效果。本公开优选金属丝网直径约为0.1mm～0.2mm，穿孔率约为50％～60％，风扇在工况条件下相应的雷诺数大于40，静压损失较小。

由于金属丝网21在高速来流的冲击作用下，存在一定的变形率，为了避免在工作条件下金属丝网21与静叶前缘间距变窄而影响湍流强度的降低，需要保证一定的预留间距。优选的距离为70-150个金属丝网的网孔间距。具体至本公开0.1mm～0.2mm的金属丝网直径，所述金属丝网21距离静叶片31前缘50mm～100mm，在保证网前动叶尾迹速度亏损量足够低的条件下，又确保了网后湍流强度及尺度足够低。

参见附图7，所述噪声抑制风扇还包括了动叶机匣4及静叶机匣5。所述动叶机匣4内部形成有容纳所述转子1的第一空腔，所述静叶机匣5内部形成有容纳所述静子3的第二空腔，动叶机匣4与静叶机匣5同轴且贴合设置，第一空腔和第二空腔优选为形状、大小相等。第一机匣及第二机匣垂直于机匣轴线的截断面上，空腔的投影面积即为流道面积。为了尽量降低噪声，且保障风扇的气动性能，若干金属丝网21的面积之和为所述流道面积的15％-30％。

参见附图8，在所述的静叶机匣5包括静叶机匣外壳51及设置于静叶机匣5内部固定部52，所述固定部用于固定所述噪声抑制装置2，具体而言，所述固定部与丝网基座22连接，所述固定部52可以是圆环，也可以是小于所述静叶机匣外壳51的套筒。

参见附图9，所述金属丝网21的设置是为了限制高流量风扇的扇叶尾涡经过风扇静叶片31时会产生噪声，因而需要使得金属丝网21尽量覆盖静叶片31的前缘，然而为了保障有效的过流断面，金属丝网21的面积需适当减小。所述静叶片31包括压力面311及吸力面312。基于风扇的旋转方向，动叶尾迹与吸力面干涉作用更明显，且吸力面靠近前缘附近压力波动更大。因此，所述金属丝网21位于所述吸力面311一侧，可以保障噪声的降低，同时具有较大的有效过流断面。

为了对本公开的降噪效果及流量损失进行评估，对基准风扇以及采用转静间金属丝网21的风扇进行了实验对比。风扇在背压-流量管路中通过皮托管进行流量测量，通过管路后部的节流阀控制风扇工况。风扇声场在全消声室内测量。风扇出口距离麦克风2m，共有5个测点，相邻测点间距30°，测点布置示意附图如附图10所示。

金属丝网21占转静子间流道空间较小，仅为流道总面积的20％，所采用的金属丝网21优选为超临界筛网，静压损失低。通过皮托管对风扇在管道内的流量进行测量，采用转静子间金属丝网21后的风扇流量相比于原风扇，流量损失约为2～3％。而总声功率级降低量为1.5～2dBA。对于1号测点，即正对风扇出口麦克风，基准风扇与采用转静子间金属丝网21后的风扇频谱在3、4、5阶频处都有较大幅值降低。可知本公开的技术方案能够控制流量损失较小且达到阶频降噪明显的技术效果。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。