一种大流量低噪声燃料电池汽车高压冷却风扇

摘要

本发明涉及一种大流量低噪声燃料电池汽车高压冷却风扇，包括轮毂、扇叶、外环和护风圈，轮毂和外环同轴设置，扇叶固定在轮毂和外环之间并以旋转轴线为中心在周向上呈等间距分布，所述的护风圈设置在外环外侧，所述的扇叶包括多个二维叶型，二维叶型以一定叶片安装角倾斜，二维叶型投影至对应周向圆柱截面上成为三维叶型，扇叶从叶根到叶尖的三维叶型沿设定的前缘积叠线叠加至所述外环内侧，各二维叶型的安装角与该二维叶型圆柱截面的归一化半径呈多项式函数关系，所述的归一化半径为三维叶型圆柱截面半径与扇叶叶尖处圆柱截面半径的比值。与现有技术相比，本发明风扇改善气体流动并有效抑制了湍流噪声，在高转速下有低噪声高流量特性。

权利要求

1.一种大流量低噪声燃料电池汽车高压冷却风扇，包括轮毂(1)、扇叶(2)、外环(3)和护风圈(4)，所述的轮毂(1)和外环(3)同轴设置，所述的扇叶(2)固定在轮毂(1)和外环(3)之间并以旋转轴线为中心在周向上呈等间距分布，所述的护风圈(4)设置在外环(3)外侧，其特征在于，所述的扇叶(2)包括多个二维叶型，二维叶型以一定叶片安装角倾斜，二维叶型投影至对应周向圆柱截面上成为三维叶型，扇叶(2)从叶根到叶尖的三维叶型沿设定的前缘积叠线(22)叠加至所述外环(3)内侧，各二维叶型的安装角与该二维叶型圆柱截面的归一化半径呈多项式函数关系，所述的归一化半径为三维叶型圆柱截面半径与扇叶(2)叶尖处圆柱截面半径的比值，所述的二维叶型的安装角与该二维叶型圆柱截面的归一化半径

4 3 2

呈多项式函数关系为：θ＝‑15.894x+47.575x‑51.656x+23.53x‑3.2213，其中θ为二维叶型的安装角，x为二维叶型圆柱截面的归一化半径。

2.根据权利要求1所述的一种大流量低噪声燃料电池汽车高压冷却风扇，其特征在于，所述的前缘积叠线(22)通过4次非均匀有理B样条曲线拟合得到，具体地：设定前缘积叠线(22)在圆周方向的前倾角为18～22°，在前缘积叠线(22)的轴向投影曲线上取3个控制点，前缘积叠线(22)与轮毂(1)的交点至各控制点在前缘积叠线(22)首末连线上的投影点距离为L1、L2和L3，各控制点与前缘积叠线(22)首末连线的投影高度为H1、H2、H3，前缘积叠线(22)首末连线长度为L，其中，控制L1/L为0.046～0.066，H1/L为0.056～0.076，L2/L为

0.135～0.175，H2/L为0.191～0.231，L3/L为0.494～0.534，H3/L为0.176～0.216，通过4次非均匀有理B样条曲线拟合得到前缘积叠线(22)的多项式函数。

3.根据权利要求1所述的一种大流量低噪声燃料电池汽车高压冷却风扇，其特征在于，所述的外环(3)为在气流出口处翘曲的均匀过渡扩张结构。

4.根据权利要求3所述的一种大流量低噪声燃料电池汽车高压冷却风扇，其特征在于，所述的外环(3)包括气流入口和气流出口，所述的气流入口的壁面为平直或轻微扩张环形结构，气流出口的壁面为大圆角径向翘曲结构，所述的扇叶(2)的叶尖连接所述的翘曲结构的顶端。

5.根据权利要求3所述的一种大流量低噪声燃料电池汽车高压冷却风扇，其特征在于，轮毂(1)直径与外环(3)的气流入口内径的比值为0.38～0.42。

6.根据权利要求3所述的一种大流量低噪声燃料电池汽车高压冷却风扇，其特征在于，所述的外环(3)的气流入口与气流出口内径的比值为0.95～0.98。

7.根据权利要求3所述的一种大流量低噪声燃料电池汽车高压冷却风扇，其特征在于，所述的外环(3)的壁面厚度为1.8～2.2mm。

8.根据权利要求1所述的一种大流量低噪声燃料电池汽车高压冷却风扇，其特征在于，所述的护风圈(4)为气流入口小、气流出口大的阶梯式环状结构。

9.根据权利要求8所述的一种大流量低噪声燃料电池汽车高压冷却风扇，其特征在于，所述的护风圈(4)与外环(3)的径向间隙为4mm～8mm。

说明书

一种大流量低噪声燃料电池汽车高压冷却风扇

技术领域

[0001] 本发明涉及一种汽车冷却风扇，尤其是涉及一种大流量低噪声燃料电池汽车高压冷却风扇。

背景技术

[0002] 近年来，汽车行业对热管理方面的研究越来越多。其中冷却风扇是汽车冷却系统中非常重要的部件，其效率和性能是整个汽车散热系统的性能评价的重要指标之一，选择
合适的冷却风扇，对冷却系统和空调系统意义十分重要。在燃料电池汽车上，燃料电池电
堆、空压机、驱动电机及控制器等在运行过程中会产生大量热量。由于要求燃料电池电堆的
最高工作温度较传统发动机低20℃左右，冷却水处的气液温差要远低于传统发动机的水
温，且较难通过排气散热，因此散热问题成为了燃料电池汽车面临的重要难题。

[0003] 为了满足燃料电池汽车较高的散热需求，开发并采用了高风量的350V高压风扇来替代传统汽车12V冷却风扇。这种高压风扇通常工作在高压大风量工况下，声品质较差，与
传统汽车冷却风扇相比噪声明显增加。这种冷却风扇普遍采用单级轴流风机，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力舱。
风扇气动噪声主要包括窄带旋转噪声、宽频涡流噪声和风扇本身运转不平衡产生的振动低
频噪声，鉴于噪声的危害和严格限制，在燃料电池汽车研发过程中，高压风扇噪声识别和控
制研究已成为学术研究及工程实际中的难点问题。

[0004] 在高压冷却风扇设计与优化阶段，需要同时保证风扇的气动性能与噪声性能满足要求。而噪声值随着风扇的流量和压力增大而增大，高流量通常也意味着高噪声，这两个指
标相互影响，较难达到平衡，盲目增大风扇转速来增加风机风量必然会造成噪声的极具提
升，因此需针对燃料电池汽车中的高转速工况开发大流量低噪声冷却风扇结构。

发明内容

[0005] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种大流量低噪声燃料电池汽车高压冷却风扇。

[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

[0007] 一种大流量低噪声燃料电池汽车高压冷却风扇，包括轮毂、扇叶、外环和护风圈，所述的轮毂和外环同轴设置，所述的扇叶固定在轮毂和外环之间并以旋转轴线为中心在周
向上呈等间距分布，所述的护风圈设置在外环外侧，所述的扇叶包括多个二维叶型，二维叶
型以一定叶片安装角倾斜，二维叶型投影至对应周向圆柱截面上成为三维叶型，扇叶从叶
根到叶尖的三维叶型沿设定的前缘积叠线叠加至所述外环内侧，各二维叶型的安装角与该
二维叶型圆柱截面的归一化半径呈多项式函数关系，所述的归一化半径为三维叶型圆柱截
面半径与扇叶叶尖处圆柱截面半径的比值。

[0008] 所述的二维叶型的安装角与该二维叶型圆柱截面的归一化半径呈多项式函数关4 3 2
系为：θ＝‑15.894x +47.575x‑51.656x+23.53x‑3.2213，其中θ为二维叶型的安装角，x为
二维叶型圆柱截面的归一化半径。

[0009] 所述的前缘积叠线通过4次非均匀有理B样条曲线拟合得到，具体地：设定前缘积叠线在圆周方向的前倾角为18～22°，在前缘积叠线的轴向投影曲线上取3个控制点，前缘
积叠线与轮毂的交点至各控制点在积叠线首末连线上的投影点距离为L1、L2和L3，各控制
点与前缘积叠线首末连线的投影高度为H1、H2、H3，前缘积叠线首末连线长度为L，其中，控
制L1/L为0.046～0.066，H1/L为0.056～0.076，L2/L为0.135～0.175，H2/L为0.191～
0.231，L3/L为0.494～0.534，H3/L为0.176～0.216，通过4次非均匀有理B样条曲线拟合得
到前缘积叠线函数。

[0010] 所述的外环为在气流出口处翘曲的均匀过渡扩张结构。

[0011] 所述的外环包括气流入口和气流出口，所述的气流入口的壁面为平直或轻微扩张环形结构，气流出口的壁面为大圆角径向翘曲结构，所述的扇叶的叶尖连接所述的翘曲结
构的顶端。

[0012] 轮毂直径与外环的气流入口内径的比值为0.38～0.42。

[0013] 所述的外环的气流入口与气流出口内径的比值为0.95～0.98。

[0014] 所述的外环壁面厚度为1.8～2.2mm。

[0015] 所述的护风圈为气流入口小、气流出口大的阶梯式环状结构。

[0016] 所述的护风圈与外环的径向间隙为4mm～8mm。

[0017] 与现有技术相比，本发明具有如下优点：

[0018] (1)本发明冷却风扇结构简单，有效降低扇叶吸力面的边界层分离现象以及风扇叶尖处的涡流湍动，改善气体流动并有效抑制了湍流噪声，在高转速下有低噪声高流量特
性；

[0019] (2)本发明在二维叶型已定的基础上，通过对安装角和前缘积叠线形状进行设计，能在原有的风扇基础上提升风扇性能；

[0020] (3)本发明外环结构将扇叶连接在一起，使得扇叶的刚度得到了提高，消除了叶顶间隙，降低了叶尖湍流噪声，气流流入平直或轻微扩张的外环气流入口，减少与叶尖碰撞产
生噪声，在流过翘曲的外环气流出口时流速增大，增加平顺性，有效避免出口处的回流，提
高气动性能。

附图说明

[0021] 图1为本发明大流量低噪声燃料电池汽车高压冷却风扇的结构示意图；

[0022] 图2为本发明二维叶型的结构示意图；

[0023] 图3为本发明扇叶前缘积叠线与各三维叶型的安装示意图；

[0024] 图4为本发明二维叶型的安装角与二维叶型圆柱截面的归一化半径的多项式函数关系曲线；

[0025] 图5为本发明前缘积叠线参数化示意图。

[0026] 图6为本发明大流量低噪声燃料电池汽车高压冷却风扇的轴向剖视图。

[0027] 图中，1为轮毂；2为扇叶；3为外环；4为护风圈；5为驱动电机；21为二维叶型圆柱截面；22为前缘积叠线；31为外环截面；41、护风圈截面。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定
于以下的实施方式。

[0029] 实施例

[0030] 如图1所示，一种大流量低噪声燃料电池汽车高压冷却风扇，包括轮毂1、扇叶2、外环3和护风圈4，轮毂1和外环3同轴设置，扇叶2固定在轮毂1和外环3之间并以旋转轴线为中
心在周向上呈等间距分布，扇叶2数量为7‑10片，护风圈4设置在外环3外侧，风扇通过轮毂1
内安装的驱动电机5控制旋转。扇叶2包括多个二维叶型，二维叶型以一定叶片安装角倾斜，
二维叶型投影至对应周向圆柱截面上成为三维叶型，扇叶2从叶根到叶尖的三维叶型沿设
定的前缘积叠线22叠加至所述外环3内侧，各二维叶型的安装角与该二维叶型圆柱截面的
归一化半径呈多项式函数关系，归一化半径为三维叶型圆柱截面半径与扇叶2叶尖处圆柱
截面半径的比值。本实施例二维叶型设置8个，二维叶型为给定叶型，本发明目的是：在二维
叶型已定的基础上，通过对安装角和前缘积叠线22形状进行设计，能在原有的风扇基础上
提升风扇性能。

[0031] 如图2所示为给定的二维叶型，图中，θ为二维叶型的安装角(单位：rad)，如图3所示扇叶2从叶根到叶尖的三维叶型沿设定的前缘积叠线22叠加至所述外环3内侧，图3中，
R1、R2、……、R5分别为示出的5个二维叶型圆柱截面21的半径。各二维叶型的安装角与该二
4
维叶型圆柱截面的归一化半径呈多项式函数关系如图4所示，具体为：θ＝‑15.894x +
3 2
47.575x ‑51.656x+23.53x‑3.2213，其中θ为二维叶型的安装角，x为二维叶型圆柱截面的
归一化半径，在图4中y即为θ。其中多项式函数关系的系数可不与上述公式完全相同，但趋
2
势线拟合程度相对上述曲线的R 值大于0.99。在每片扇叶2由内径向外径取8个设计截面，
其每个截面上的安装角与所在圆柱截面的归一化半径如下表1所示，以此8个设计截面拟合
2
的叶片安装角与归一化半径多项式相对上述函数的R值为0.9989：

[0032] 表1二维叶型截面设计参数

[0033] 截面编号n 截面半径Rn(mm) 截面归一化半径Rn/R 叶片安装角θ(rad)1 71.3 0.413357 0.574036
2 82.5 0.478289 0.590326
3 88.25 0.511624 0.582422
4 92.5 0.536263 0.562114
5 110 0.637718 0.481986
6 130 0.753667 0.415286
7 150 0.869616 0.372097
8 172.5 1 0.335039

[0034] 如图5所示，前缘积叠线22通过4次非均匀有理B样条曲线拟合得到，具体地：设定前缘积叠线22在圆周方向的前倾角为18～22°，在前缘积叠线22的轴向投影曲线上取3个控
制点，前缘积叠线22与轮毂1的交点至各控制点在积叠线首末连线上的投影点距离为L1、L2
和L3，各控制点与前缘积叠线22首末连线的投影高度为H1、H2、H3，前缘积叠线22首末连线
长度为L，其中，控制L1/L为0.046～0.066，H1/L为0.056～0.076，L2/L为0.135～0.175，H2/
L为0.191～0.231，L3/L为0.494～0.534，H3/L为0.176～0.216，通过4次非均匀有理B样条
曲线拟合得到前缘积叠线22函数。图5中，δ为前缘积叠线22在圆周方向的前倾角，前缘积叠
线22与轮毂1的交点为A，前缘积叠线22与轮毂1的交点A也是前缘积叠线22起始点，B为前缘
积叠线22的末尾点，AB线段为前缘积叠线22首末连线。

[0035] 本发明在二维叶型已定的基础上，通过对安装角和前缘积叠线22形状进行设计，能在原有的风扇基础上提升风扇性能：有效降低扇叶2吸力面的边界层分离现象以及风扇
叶2尖处的涡流湍动，改善气体流动并有效抑制了湍流噪声，在高转速下有低噪声高流量特
性。

[0036] 如图6所示，通过外环截面31可见，外环3为在气流出口处翘曲的均匀过渡扩张结构。具日地，外环3包括气流入口和气流出口，气流入口的壁面为平直或轻微扩张环形结构，
气流出口的壁面为大圆角径向翘曲结构，扇叶2的叶尖连接翘曲结构的顶端。轮毂1直径与
外环3的气流入口内径的比值为0.38～0.42，本实施例取为0.4。外环3的气流入口与气流出
口内径的比值为0.95～0.98，本实施例取为0.96。外环3壁面厚度为1.8～2.2mm，本实施例
取为2mm。通过护风圈截面41可见，护风圈4为气流入口小、气流出口大的阶梯式环状结构。
护风圈4与外环3的径向间隙为4mm～8mm，本实施例取为6mm。本发明外环3结构将扇叶2连接
在一起，使得扇叶2的刚度得到了提高，消除了叶顶间隙，降低了叶尖湍流噪声，气流流入平
直或轻微扩张的外环3气流入口，减少与叶尖碰撞产生噪声，在流过翘曲的外环3气流出口
时流速增大，增加平顺性，有效避免出口处的回流，提高气动性能。

[0037] 上述叙述中，所述的轴向为风扇旋转轴所指方向，所述的径向为风扇直径所指方向。

[0038] 上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。