柴油发电机水箱风扇的作用和噪声控制原则

康明斯公司在本文中针对柴油发电机冷却系统中的冷却风扇详细使用情形，介绍了水箱风扇的功用，同时阐述了水箱风扇噪声产生的机理，并给出详细的计算策略，同时就水箱风扇噪音的控制原则提出相应的建议。

水箱风扇的功用是增大流经散热器芯部空气的流速，提升散热器的散热能力。水冷系统的水箱风扇要求足够的风量，适度的风压，功率消耗少，效率高，噪声低以及工艺简易。在水冷装置中主用的是轴流式水箱风扇，这种形式的水箱风扇组成简单，布置方便，低压头时风量大，效率高。它通常装在散热器芯部后面，利用吸风来冷却芯部。

水箱风扇的构成在固定于柴油发电机带轮上的水箱风扇支架上，铆着用薄钢板冲制成的水箱风扇叶片。水箱风扇的扇风量主要与水箱风扇直径、转速、叶片形状、叶片安装角及叶片数目有关。

叶片大多用薄钢板冲压制成，断面形状多为弧形。但也可用塑料或铝合金铸成翼形断面的整体式水箱风扇，虽然制造工艺较复杂，但效率高，功率消耗小。在有些柴油发电机上，冷却液箱风扇的冲压叶片端部弯曲，以增加扇风量。叶片应装配得与水箱风扇旋转平面成30°~60°倾斜角。叶片数目通常为4片或6片。有的将叶片间夹角做成不等，以减轻旋转时产生的振动和噪音。水箱风扇外围装设护风圈，可适当提升水箱风扇的工作效率。

水箱风扇噪声是由冷却水箱风扇随着柴油发电机转动产生的，与速度成正比。水箱风扇噪声详细是由水箱风扇叶片切割空气或由水箱风扇后面的部件所发生的空气紊流发生的，通过改变叶片的直径、数量、形状或角度以及采用可变叶片水箱风扇或改善水箱风扇罩形状都可以减轻水箱风扇噪声。水箱风扇噪声在柴油发电机噪音源中占有较大比重。水箱风扇噪声详细是由叶片旋转噪声和涡流噪声引起的，前者是窄带噪音，后者是宽带噪音。此外，水箱风扇的护风圈等构造由于共振也会发生机械噪音。

旋转噪声是由水箱风扇旋转的叶片周期性打击空气质点，导致的压力脉动面激发的噪声，这种周期性的压力脉动是由一个稳态的基频和一系列谐波分量的叠加而成。这些脉动分量可用下式表示:

水箱风扇旋转时，涡流噪声的频率取决于叶片与气体的相对转速，而叶片的圆周速度随与圆心的距离而变化，因此，涡流噪音的频率是连续的，噪音的频谱也是连续的。涡流噪声一般是宽频带噪声，其具体峰值频率为：

探求表明，水箱风扇的风量越大，其噪声也就越高，水箱风扇直径的大小、转速的高低直接影响水箱风扇噪声。三者由以下关系式表示：

因此，为了保证柴油发电机需要的风量，适当地增大直径、减小转速是适宜的。水箱风扇风量的大小是根据柴油发电机的散热量来确定，从降噪的角度考虑，增强内燃机及其冷却装置的散热能力，可以减小水箱风扇风量，减小噪音。

由式可见，如果水箱风扇的总效率提升，则同样风量时水箱风扇消耗功率越小，噪声亦随之降低。通常变化不大，只要提升水箱风扇的液力效率和容积效率，实际上都有利于减少噪声。

水箱风扇叶片的形状对水箱风扇效率影响也很大。水箱风扇叶片的形状直接影响叶片附近的涡流强度，从而危害水箱风扇的效率。因此，改进叶片的形状，使之有较好的流线型和合适的弯曲角度，不仅有利于降低涡流噪声，而且可以大大提高水箱风扇效率。

试验表明，水箱风扇的叶片材料，对其噪声也有一定程度的危害。例如：铸铝的叶片比冲压钢板的叶片噪声小;尼龙叶片比金雇罚叶片噪音小。一般说来，材料的损耗系数越大，其噪声越小。增加水箱风扇的叶片数，在转速不变的要素下，可以增加水箱风扇的风量。或者在获得同等风量的前提下，可以减少水箱风扇的速度，从而减轻水箱风扇噪声。但叶片数在6以上时，增加叶片数，风量增加有限，且在降噪特征上往往有负面的作用。低速宽叶水箱风扇与高速窄叶水箱风扇在相同的风量情况下，前者比后者发生的噪声声压级低4dB（A），并且功率消耗要减轻27%。缩小水箱风扇与护风圈的间隙，防范气流紊乱，可以降低水箱风扇噪音。试验表明，当间隙为零时，风量增加27%，而噪声下降3dB（A），减少转速使风量回到原有水平，噪声又可以下降2dB（A）。

减轻水箱风扇噪声，也可以从水箱风扇冷却系统的构成数据以及各部件之间的相互位置来考虑。适当选择水箱风扇与散热器之间的距离以及水箱风扇与风罩之间的间隙，对减小水箱风扇噪声也是有意义的。随着水箱风扇与散热器之间的距离的增加，水箱风扇的冷却能力、流量和噪音都要增加。而且各自在某一点达到较大值，然后又逐渐降低。试验表明，水箱风扇端面离散热器芯子过近或过远，会产生无风区或发生回流状况。推荐水箱风扇端面距离散热器芯子的距离为水箱风扇直径的10%—15%，这样既能充分发挥水箱风扇的冷却能力，又可以使噪声较小。

水箱风扇前后的导风罩是发生涡流噪声的重要来源之一，水箱风扇入口处应呈流线型，水箱风扇与导风罩构成的气流通道表面应光滑，以改进冷却风的流动状态，从而减小冷却装置的噪声。水箱风扇与导风罩之间要有适当的间隙，径向间隙通常应控制在2.5%水箱风扇直径内，较大不宜超过3%，否则将大大减少水箱风扇效率。一般水箱风扇和导风罩的前后关系应是：吸风水箱风扇有2/3水箱风扇投影宽度在导风罩内，吹风式水箱风扇在导风罩内的宽度以1/3水箱风扇叶片宽度为宜。

另外采用温控离合器水箱风扇或电喷水箱风扇都可减少水箱风扇噪音。目前，通过电子控制的液压控制水箱风扇也可很好地减小水箱风扇噪音，这种变速水箱风扇专为降低水箱风扇噪音而布置，水箱风扇的操作界面获得柴油发电机速度和冷却温度数据以及其它信号。用以控制液压泵高压端的电磁阀，调整供给液压马达的液流量，从而改变水箱风扇转速。

因此在各个系统的匹配和规划当中，协同考虑以上几个方面的危害要素，就可以在保证系统冷却能力的前提下，获得较小的柴油发电机防冻液箱风扇噪音。