发动机冷却风扇容积效率计算方法的研究

发动机

发动机冷却风扇容积效率计算方法的研究

黄 晖1，马翠英1，李国祥

2

（1.济宁职业技术学院，山东 济宁 272037；2.山东大学 能源与动力学院，济南 250061）

摘 要：冷却风扇是发动机冷却系统的重要部件，运转时需要消耗一定的能量，其效率直接影响风扇的能耗。提高冷却风扇效率是降低风扇能耗的途径之一。为此，对冷却风扇容积效率进行了分析和研究，介绍了冷却风扇容积效率的计算方法，并对其简化计算方法进行了修正。 关键词：能源与动力工程；冷却风扇；理论研究；容积效率

中图分类号：TK441+.32 文献标识码：A 文章编号：1003—188X(2006)06—0217—04

0 概述

冷却系统是汽车发动机的重要组成部分，对发动机的动力性、经济性和可靠性有很大的影响，其主要作用是使发动机得到适度的冷却，从而保持在最适宜的温度范围内工作。现代汽车发动机大多采用强制循环式水冷系统，主要由散热器、冷却风扇、冷却水套、水泵和节温器等部件组成。由于空气的导热系数小，散热器的散热能力主要取决于空气的强烈流动，通过散热器芯部的风量起了决定性的作用。冷却风扇是冷却系统中必不可少的重要部件，其主要作用是增大流经散热器芯部空气的流速，提高散热器的散热能力。因此，冷却风扇的性能直接影响到发动机冷却系统的散热效果、噪声以及发动机动力性、燃油经济性等。

目前，国产汽车冷却系统普遍采用传统的冷却风扇或硅油风扇离合器。两种类型的风扇仍由发动机曲轴通过皮带驱动，其冷却调节的灵敏度不高，功率损失较大。据测算，发动机冷却系统造成的燃油浪费占汽车耗油量的10%左右。当前，能源供应紧张，燃油价格不断攀升，对发动机的燃油经济性提出了更高的要求。因此，人们对包括冷却风扇在内的发动机冷却系统的研究愈加重视和深入，高效率、低能耗、与散热器匹配良好的冷却风扇可以减少发动机的功率消耗，改善发动机的动力性、工作可靠性和经济性，是冷却风扇未来的发展方向。

高，大约只有30%左右，造成了能量的极大浪费。据测算，水冷发动机冷却风扇的功率消耗约占发动机功率的5%~12%。因此，减少冷却风扇的功率消耗对于提高发动机性能、降低燃油消耗具有十分重要的意义。

冷却风扇消耗功率的大小Nf取决于风扇的压力P、风量Va以及风扇效率η。其计算公式为

Nf=

PVa

η

冷却风扇的效率是指风扇工作时发生的局部损失，包括液力损失、容积损失和机械损失。各种损失以相应的效率来表示，即为液力效率ηh、容积效率ηv和机械效率ηm。冷却风扇的效率η的计算工公式为

η=ηhηvηm

从冷却风扇消耗功率的计算公式可以看出，冷却风扇的效率直接影响风扇的功率消耗。同样条件下，风扇效率愈高，风扇的功率消耗就愈小，提高冷却风扇效率是降低风扇功率消耗的途径之一。

2 风扇的容积效率

2.1 护风罩及其作用

冷却风扇一般要安装护风罩。护风罩又称为导风罩，主要用来提高风扇的风压和风量，引导气流均匀流过散热器芯部，以充分利用散热器的冷却面积，以避免气流回流或涡流现象的出现，从而提高发动机的冷却强度。特别是在散热器和冷却风扇受到安装空间的制约、总体布置达不到理想状态的状况时，护风罩的作用则更为重要。气流通过没有安装护风罩风扇时的速度分布情况如图1所示。

从图1可以看到，气流通过风扇叶片后的流速分布不均匀。风扇叶片外径处的气流速度最大，而风扇轮毂附近的气流速度最小，这样气体便在风扇

1 冷却风扇消耗的功率及风扇效率

在传统的冷却系统中，冷却风扇的效率普遍不

收稿日期：2005-07-13

作者简介：黄 晖（1968-），男，福建福安人，讲师，在职硕士，

（E-mail）huanghui1968@。

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轮毂附近区域形成一个低速区，而在风扇周边区域形成一个环形高速区，且由于风扇前后存在压差，容易出现回流现象，使风扇的效率降低。

图1 气流通过没有安装护风罩风扇时的速度分布图

与风扇头的安装面

率，应尽量减小风扇与护风罩之间的径向间隙。

3 风扇容积效率的计算

3.1 风扇容积效率的简化计算

根据容积效率的定义，需要通过风扇试验分别测出V1和V2，才能计算出容积效率，多数情况下比较困难。在设计计算冷却风扇时，风扇容积效率的大小一般是在风扇的结构参数和性能参数（风量、风压、转速）已知的前提下，通过计算出相对间隙Sr/D2和节流系数 g，再查图表确定的。其中，节流系数计算公式为

g= 2/ψ

式中 ψ—压力系数；

—流量系数。

气流通过安装护风罩的风扇时的速度分布情况如图2所示。

与风扇头的安装面

在风扇的优化设计中，常需要建立容积效率与

L≥0.6风扇直径 L=|0.1~0.2|风扇直径 L=0.05风扇直径

风扇设计变量之间的联系(如容积效率与风扇内外径之间的联系等)，但在风扇设计初期，由于风扇的结构参数和性能参数没有确定，节流系数难以求出，因而无法通过查图表求出风扇的容积效率。

在有的文献中，采用下列简化公式来计算容积效率，即

ηv=1 Fr/Ff

式中 Ff—风扇有效面积，Ff=

图2 气流通过安装护风罩风扇的速度分布图

π2

(D2 D12)； 4

Fr—与径向间隙Sr相应的环形面积，

Fr=

π2

[(D2+Sr)2 D2]； 4

D1，D2—分别为风扇的内径和外径。

在空气流过风扇的工作叶轮时，气体压力增大，使得气体在风扇前后存在压差，导致部分气体沿径向间隙回流；同时，还有部分气流在离心力的作用下沿径向流动，造成一定的节流损失。该简化公式仅考虑了由于存在径向间隙而出现的回流，没有考虑空气流过风扇工作叶轮时的节流损失。而实际上，节流损失对容积效率有一定的影响，因此计算出来的容积效率可能会与实际情况有比较大的误差。

3.2 两种方法的对比计算

笔者利用495G汽油机冷却风扇原设计参数，分别采用查图表和简化公式的方法来计算风扇的容积效率，再对两种方法计算的结果进行对比。

已知参数：风量Va=1.8278m3/s，风压P=540Pa，内径D1=0.12m，外径D2=0.4m，D1/D2=0.3，

n=2730r/min，径向间隙Sr，空气密度ρ。

从图2可以看出，当气流离开风扇一定距离后，气流速度渐趋均匀。 2.2 风扇的容积效率

传统的冷却风扇由发动机驱动，冷却风扇和装有护风罩的散热器分别用弹性支座固定在汽车车架上。为了避免汽车运行中因震动而引起风扇和护风罩之间的碰撞，风扇叶轮与护风罩之间要留有一定的径向间隙。由于存在径向间隙，气流高速通过风扇叶片时，风扇前后气流存在压差，通过风扇叶片后的空气要经过此间隙产生回流，因而降低了风扇的排风量。另外，由于离心力的作用，部分气流会沿径向流动，也会造成一定的节流损失。降低的程度用容积效率表示，即

ηv=V2/V1

式中 V1—流过风扇工作轮的空气量(m3/s)；

V2—去掉容积损失后的有效空气量

1) 通过查图表求风扇的容积效率。查图表前，需要先计算出相对间隙和节流系数。 (1) 相对间隙=Sr/D2

(m3/s)。

在设计冷却系统时，为了提高风扇的容积效

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(2) 节流系数 g=

2

=ψ

Va2ρ π2 2P (D2 D12) 4

2

2) 利用简化计算公式求风扇的容积效率。

ηv=1

(1+(SrD2))2 1 Fr(D+S)2 D2

=1 22r22=1 FfD2 D11 D1D22

由Sr/D2和 g查图表，得到ηv的大小。

两种计算方法的计算结果见表1所示。

表1 容积效率两种计算方法的结果对比

径向间隙Sr/mm

10 8 6 4 2

节流系数 g

0.239 0.239 0.239 0.239 0.239

相对间隙Sr/D2

0.025 0.020 0.015 0.010 0.005

查图表法 0.55 0.64 0.71 0.79 0.88

简化计算法 0.944 0.955 0.966 0.978 0.989

从简化公式可以看出，当D1和D2确定时，ηv的大小仅与D1/D2和Sr/D2有关。一般水冷发动机的

D1/D2的取值范围为0.28~0.36。对于上例，当Sr/D2=0.02时，D1/D2=0.28，由简化公式算出

正了。

综合以上分析，设修正系数公式为

A=1-B

Sr

D2

ηv=0.956；当Sr/D2=0.02时，D1/D2=0.36，ηv=0.953。

从相对间隙与容积效率的关系图中（如图4所示）可以看出：当Sr/D2一定时，容积效率是随着节流系数的增大而减小的。它与利用简化公式计算出的容积效率之间的误差随着节流系数的增大而增大，修正系数A应相应减小。考虑到这一影响因素，可以认为系数B应随着节流系数的增大而增大，这样一来，修正系数A即相应减小。通过观察曲线和初步验算，令B=90 g，一般0.1＜ g≤0.25，取 g的算术平均值 g=0.175，则B=15.75。因此，可得随着Sr/D2变化的修正系数A，见表2所示。

1.000.95

也就是说，当D1/D2分别取上下界限时，计算可见，D1/D2的变化对ηv出的ηv相差只有千分之几。

的影响并不大，因此可以近似认为ηv只随着Sr/D2的改变而变化，而且ηv波动范围很小，图形近似于一条直线，如图3所示。

1.00

ηv

0.95 0.90 0.85 0.80 0.75

0 0.005 0.010 0.0150 0.020 0.025 0.030

Sr/D2

△g=0.239

0.900.85

△g=0.1

0.70

ηv

0.800.75

0.65 0.60

0 0.005 0.010 0.0150 0.020 0.025 0.030

S r/D2

图3 两种方法计算出的风扇容积效率曲线

0.700.650.60

从图3中可以看出，随着Sr/D2的增大，两种方法计算出的ηv误差越来越大。因此，有必要对简化公式计算出的ηv值加以修正。

图4 风扇容积效率与相对间隙的关系

表2 修正系数A

相对间隙Sr/D2

0.010 0.015 0.020 0.025 0.030

修正系数A 0.8425 0.7630 0.6850 0.6060 0.5275

4 风扇容积效率简化计算公式的修正

在风扇的设计初期，节流系数难以确定，只能通过简化公式来计算。通过实例分析，可以近似认为ηv只随着Sr/D2的改变而变化。从图3的曲线可两种方法计算出的ηv差以看出，随着Sr/D2的减小，误差越来越小；随着Sr/D2的增大，误差越来越大。因此，修正系数必须和Sr/D2建立一定的联系。当

Sr/D2发生变化时，修正系数也随之反向变化，这

样就可以采用相应的简化公式计算出ηv并加以修

利用修正系数对前面的计算结果进行修正，结

果见表3所示。

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表3 修正后的容积效率计算结果

径向间隙Sr/mm

10 8 6 4 2

节流系数 g

0.239 0.239 0.239 0.239 0.239

相对间隙Sr/D2

0.025 0.020 0.015 0.0100.005

查图表法 0.55 0.64 0.71 0.790.88

简化公式法 0.944 0.955 0.966 0.978 0.989

修正后 容积效率 0.572 0.654 0.737 0.8240.909

经过验算，利用简化公式计算出的ηv经过修正后，可大大减小误差，效果良好，见图5所示。

0.90

0.85

0.80

0.75

0.70

0.65

0.60

图5 修正后的风扇容积效率曲线 0 0.005 0.010 0.0150 0.020 0.025 0.030

0.95 1.00

本文对冷却风扇的容积效率的计算问题进行

了初步探讨，并对常用的简化计算方法进行了修正，求出了修正系数。但该方法尚存在着一定的局限性，有待于今后做进一步改进。 参考文献：

[1] 杨连生.内燃机设计[M].北京:中国农业机械出版

社,1981.572-573.

[2] 张翠平.495G汽油机冷却水流及风扇的设计[J].

太原理工大学学报,2003,31(2):203-206. [3] 孙 军,桂长林.水冷发动机风扇的优化设计[J].

内燃机工程,2003,24(5):52-54.

[4] 欧阳联格,胡永华.推土机冷却系统的设计[J].工

程机械,2004,35(3):21-24.

5 结束语

Study on Calculation Method for Volume Efficiency of Engine Cooling Fan

HUANG Hui1，MA Cui-ying1，LI Guo-xiang2

(1.Jining Vocational Technology College, Jining 272037, China; 2.Energy and Power Engineering College, Shandong University, Jinan 250061, China)

Abstract: Cooling fan is the important parts of engine cooling system, it will consume some energy when it is operating, and its efficiency directly affects the power consumption of cooling fan. It is one of ways that reduce the power consumption of cooling fan to raise the efficiency of cooling fan. This paper analyses and studies on the volume efficiency of cooling fan, introduces the calculation method for the volume efficiency of cooling fan, and revises for its easier calculation method.

Key words: energy and power engineering; cooling fan; theoretical research; volume efficiency

ηv

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/lmg4.html