具有翼弦方向和翼展方向弯曲的定子叶片.pdf

一种用于热交换器的冷却风扇的支承系统。悬架系统支承在外支承结构内的内毂。该内毂或环支承风扇和马达。该悬架系统包括一系列螺旋形支承臂，从内毂延伸到外支承件。这些臂具有翼展方向和翼弦方向弯曲。与其中仅径向臂连接内毂和外支承件的悬架系统相比较，该特别的悬架系统增加该支承系统的固有频率。

1、  一种风扇，包括：
a)环，对驱动风扇扇叶的风扇马达进行支承；和
b)定子叶片，支承该环并改变所述风扇扇叶的排气方向，所述定子叶片具有
i)翼弦方向弯曲，和
ii)翼展方向弯曲。

2、  如权利要求1所述的风扇，其中，翼弦方向弯曲沿顺时针方向凹陷。

3、  如权利要求1所述的风扇，其中，平行于风扇旋转平面的正翼弦方向弯曲方向的切向分量与风扇旋转方向相齐。

4、  如权利要求1所述的风扇，其中，翼弦方向弯曲方向的切向分量与风扇旋转方向相反。

5、  如权利要求1所述的风扇，其中，翼展方向弯曲沿逆时针方向凹陷。

6、  如权利要求3所述的风扇，其中，正翼展方向弯曲方向的切向分量与平行于风扇旋转平面的正翼弦方向弯曲方向的分量相反。

7、  如权利要求1所述的风扇，其中，所述风扇以与散热器成操作关系的方式安装在机动车内，其中，所述风扇被安装和用于冷却目的。

8、  一种机动车，包括：
由马达可旋转地驱动的冷却风扇；所述冷却风扇包括：
i)支承件，承载驱动风扇扇叶的马达；和
ii)联接到所述支承件的定子；
所述定子在第一侧上是翼弦方向凹陷，在第二侧上是翼展方向凹陷。

9、  一种装置，包括：
a)基部，有效支承风扇马达；
b)多个支承件，从所述基部延伸；
所述多个支承件每个都改变所述风扇的排气方向，并且与包括多个径向支承件的第二基部-支承件组合相比，至少在一个振动模式中增加所述基部-支承件组合的固有频率。

10、  如权利要求9所述的装置，其中，固有频率的增加是在轴向位移模式中，其中，所述基部沿所述风扇的旋转轴线振荡。

11、  如权利要求9所述的装置，其中，固有频率的增加是在扭转模式中，其中，所述基部在绕所述风扇的旋转轴线的旋转中振荡。

12、  如权利要求9所述的装置，其中，
i)固有频率的增加发生在轴向位移模式中，其中，所述基部沿所述风扇的旋转轴线振荡；和
ii)固有频率的增加发生在扭转模式中，其中，所述基部在绕所述风扇的旋转轴线的旋转中振荡。

13、  一种风扇组件，包括：
a)基部，用于对可旋转地驱动风扇的风扇马达进行支承；和
b)多个定子叶片，从所述基部延伸，所述多个定子叶片的每个都具有至少两侧，两侧都大致为弓形。

14、  如权利要求13所述的风扇组件，其中，所述多个定子叶片的每个的每侧都具有凹性轴线，且这两个轴线不平行。

15、  如权利要求14所述的风扇组件，其中，所述两个轴线是垂直的。

16、  如权利要求13所述的风扇组件，其中，所述多个定子叶片的每个都在其径向外表面上包括凹表面。

17、  如权利要求13所述的风扇组件，其中，所述定子叶片的每个在预定方向都是掠形的，该预定方向与所述风扇的旋转方向相同。

18、  如权利要求13所述的风扇组件，其中，所述多个定子叶片的每个都包括纵向横截面和横向横截面；
所述纵向横截面限定纵向曲率半径，该纵向曲率半径大于所述横向横截面的横向曲率半径，所述纵向曲率半径沿与所述横向曲率半径的方向不同的方向。

具有翼弦方向和翼展方向弯曲的定子叶片
技术领域
本发明涉及例如应用在汽车中的支承冷却风扇马达的定子叶片。这些定子叶片具有弯曲的翼横截面且还具有沿它们长度或跨度(span)的弯曲(camber)。
背景技术
图1是冷却风扇的简化横截面示意图。还在图2中示出的环3支承一系列径向定子叶片6，这在两个图中都有示出。环3锚定到外支承件(未示出)。图1中的定子叶片6支承还在图2中示出的内环9。应理解，标识为环9的结构不是必须采取环或整个的圆柱状360°回转体的形式。图1中的内环9支承图示为马达12的马达，其可以是电或液压马达。马达12驱动由轴承18支承的风扇扇叶15。
理想地，内环9用作对马达12的极佳的刚性支承件。但实际上，这种理想是不能达到的，马达12和内环9可以以轴向或切向的方式运动，而这是不希望有的。
而且，给定的风扇系统具有确定的固有或共振频率。如果激励以这些频率发生，则当风扇附连至汽车发动机且发动机以这样的频率振动时，风扇系统将以这些频率共振。通常，这样的共振是不希望有的。风扇系统的共振可以是乘员舱内可被注意到的振动或讨厌的噪音的来源。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的风扇安装系统。
在本发明的一个形式中，马达支承件由一系列螺旋形臂承载，每个臂在其径向外侧上是凹陷的。
在一方面，本发明包括风扇，该风扇包括对驱动风扇扇叶的风扇马达进行支承的环，和支承该环并改变风扇扇叶的排气方向的定子叶片，这些定子叶片具有翼弦方向弯曲和翼展方向弯曲。
在另一方面，本发明包括一机动车，其包括由马达可旋转地驱动的冷却风扇，该冷却风扇包括支承件，该支承件承载驱动风扇扇叶的马达，和联接到该支承件的定子，所述定子在第一侧上为翼弦方向凹陷，在第二侧上为翼展方向凹陷。
在又一方面，本发明包括一装置，其包括有效支承风扇马达的基部、从该基部延伸的多个支承件，该多个支承件每个都改变风扇的排气方向，且与包括多个径向支承件的第二基部-支承件组合相比，至少在一个振动模式中增加基部-支承件组合的固有频率。
在再一方面中，本发明包括风扇组件，其包括用于对可旋转地驱动风扇的风扇马达进行支承的基部，和从该基部延伸的多个定子叶片，该多个定子叶片每个都具有至少两侧，该两侧为大致弓形。
虽然这里描述的装置的形式构成本发明的优选实施例，但是应理解本发明不限于这种精确形式的装置，且可进行变化而不偏离权利要求所限定的本发明的范围。
附图说明
图1是现有技术冷却风扇的简化横截面示意图；
图2是图1的环3和6的透视图；
图3是本发明的一个形式的简化透视图；
图4示出了用于描述现有技术中的翼的惯用术语；
图5示出了在有限元建模期间施加的轴向力；
图6至7示出了在结构的第一共振模式发生的变形的夸张视图；
图8示出了表示径向定子对图10的所施加力矩的响应的模拟结果；
图9示出了表示图3所示类型的双弯曲(dual-cambered)定子对图10的所施加力矩的响应的模拟结果；
图10示出了在有限元建模期间绕风扇的旋转轴线施加的力矩；
图11示出了表示径向定子对图13的所施加常平架(gymbaling)力的响应的模拟结果；
图12示出了表示图3所示类型的双弯曲定子对图13的所施加常平架力的响应的模拟结果；
图13示出了在有限元建模期间垂直于风扇的旋转轴线施加的力矩；
图14和15是有限元分析的结果的总结；
图16示出了本发明的一个形式；
图17和18示出了具体实施例；
图19示出了柱面坐标系中的基准方向；
图20至23示出了翼展方向或翼弦方向弯曲方向的各种基准和定义；以及
图24A至29B显示了双弯曲定子的面外和面内变形以及范米塞斯(VonMises)应力的减少。
具体实施方式
图3是本发明的一个形式的简化显示，示出了马达安装环30，其功能与图1和2中的内安装环9类似。在图3中，定子叶片33附连至内环9，且还附连至显示为元件32的独立支承构件或外环，其功能与图1和2中的外环3类似。
在图3中，定子叶片33构造有两种类型的弯曲。弯曲在图4中大体地示出，图4示出了翼的横截面视图。中弧线(mean camber line)是在下表面和上表面中间的线，其距离垂直于中弧线测量。如所示，翼的最前点是前缘，而最后点是后缘。
连接前缘和后缘的直线是翼弦线(chord line)。如所示，弯曲度(camber)是中弧线和翼弦线之间的最大距离，如所示。这种类型的弯曲被称为翼弦方向(chordwise)弯曲，这是因为其相对于或沿翼的弦测量。
在图3中，叶片33由表示叶片33的中弧线的线框示出，叶片33被示出为不具有厚度，且叶片的横截面为了方便示出而没有显示。然而，应理解，叶片33是三维翼。因此，定子叶片33的一个特征是它们具有翼弦方向弯曲。
第二特征是定子叶片33具有翼展方向(spanwise)弯曲。即，跨度线(spanline)58被定义为从定子叶片33的根部52延伸到端部55的直线。如线框所示，翼展方向弯曲度是垂直于跨度线58、从跨度线58到中弧线CL测量的距离。替换地，跨度方向弯曲度可被定义为从跨度线58到定子叶片33的表面(未示出)的距离。
第三特征是两个弯曲的凹性沿相反方向。即，一方面，翼弦方向弯曲的凹性为面向顺时针。例如，如图3所示，3点钟位置附近的叶片33向下凹陷。该方向是从叶片33的顺时针方向。
另一方面，翼展方向弯曲的凹性为面向逆时针方向。例如，3点钟位置的同一叶片的翼展方向凹性是向上凹陷。该方向是从叶片33的逆时针方向。
从另一观点看，图3中的叶片33是翼弦方向凹陷，因为它们沿翼弦凹陷。叶片33还是翼展方向凹陷，因为它们是沿跨度线58凹陷。
从另一观点看，在把叶片33当做翼时，压力侧(即图4中的底侧)具有从前缘延伸到后缘的表面。图3中的该表面是凹陷的，且凹性(concavity)由前缘和后缘界定。
从另一观点看，图3中的叶片33共同形成一系列在内环30和外环3之间延伸的螺旋形臂。如图所示，这些臂在它们的径向外RO侧上是凹陷的。
为了便于理解，申请人在图20至23中示出了多个图解。图20示出了从后部方向(即，好像气流直接从页面出来朝向读者)观察的翼弦方向弯曲。当从下游或压力侧观察翼弦方向弯曲时，翼弦方向正弯曲基准方向是与沿在后缘开始、在前缘结束的凹性路径的圆周行程相同的方向。需注意，通过如此定义，正弯曲方向是顺时针方向。替换地，可从下游或压力侧观察翼弦方向弯曲的方向，正弯曲基准方向与从翼弦线开始朝向中线(mean line)的垂直矢量V(图21)的方向相同。在所述的图解中，该定义导致如图21所示的逆时针方向的正弯曲方向。
另一描述翼弦方向弯曲方向的方式是通过参考风扇的旋转方向，而非参考逆时针方向或顺时针方向。因此，替换地，如果翼弦方向弯曲基准方向如图20中所观察的那样，则弯曲方向可被称为与风扇旋转方向相反的翼弦方向正弯曲方向，或者如果翼弦方向的基准或定义是图21中提到的那样，则翼弦方向正弯曲方向与风扇旋转方向相同。为了易于图示和简化，图21中所指的用于翼弦方向弯曲的定义和基准将被用于描述本发明的各种特征。
为了便于图示，当从风扇的下游或压力侧观察术语掠(sweep)或翼展方向弯曲时，翼展方向正弯曲基准方向是与沿在内部部分(小半径部分)开始、在端部部分(大半径部分)结束的凹性路径的径向行程相同的方向，该路径连接下面提到的内和外翼横截面上的相同结构部分(即，两个前缘，或两个后缘，或两个中间翼弦位置)。注意，这是否与以下所述的垂直矢量方向相同，该垂直矢量从连接内和外翼横截面上的相同结构部分(即，两个前缘，或两个后缘，或两个中间翼弦位置)的线开始、指向在内部部分(最小半径部分)开始且在端部部分(最大半径部分)结束的凹性路径。如果这是基准，则注意正弯曲方向是如图23所示的顺时针方向。
关于正翼弦方向弯曲，代替把翼展方向方向基准描述为顺时针方向或逆时针方向，翼展方向弯曲方向基准可与风扇旋转方向关联。这导致替换的定义，即，如果该基准是上面图22中提到的从风扇的下游侧观察的基准或定义，正翼展方向弯曲方向与风扇旋转方向相同。替换地，如果该基准或定义是图23所示那样，则正翼展方向弯曲方向与风扇旋转方向相反。
为了易于图示，为了图示的简化和一致性，将使用图23中提到的定义。
图3中的叶片33的具体结构提供多个期望的结构部分。这些结构部分将通过有限元分析论证，该有限元分析采取(1)径向的、翼弦方向弯曲的叶片，其缺乏翼展方向弯曲，例如图2中的叶片6(弯曲未示出)，和(2)图3所示类型的双弯曲叶片。
在一个分析中，向内环9施加周期轴向力，同时外环3保持固定。图5示出了力50。图6和图7是在叶片33的第一共振模式发生的变形的夸张视图。等高线量级不是“真实”的，但是给出了结构的不同部分相对于彼此的相对变形。还应注意，图24至26显示了双弯曲定子的面外(out-of-plane)和(in-plane)面内变形以及范米塞斯应力的减小。用于进行分析的软件产生刻度55，其显示在计算机监视器上作为彩色谱。由于附图是单色图，将不使用有色谱，但是箭头将刻度55内的有色单元连接到叶片的相对应区域。例如，箭头A1表示区域58的21.5到24.1单位(unit)的范围内的相对挠度(deflection)。
应注意，图5中的力50是周期的，且因此挠曲也将是循环的，即内-外-内-外。图6和类似的附图示出了在最大挠度时发生的挠曲(deflection)。
与图6中的箭头A1相比较，图7中的箭头A2表示相对应区域的挠曲对于图3的双弯曲定子而言更小。
在图8和9的模拟中，向内环9施加力矩，而外环3保持固定。图10示出了向内环9施加的力矩60。图8和9是在结构的更高共振模式(用于径向定子的模式2-图8，和用于双弯曲定子的模式4-图9)发生的变形的夸张视图。还要注意，图27A-27B、28A-28B和29A-29B显示了双弯曲定子33的面外和面内变形以及范米塞斯应力的减小。图9中的箭头A5与图8中的箭头A6的比较再次表示出对于图3的双弯曲定子而言挠曲更小。图11和12是在结构的更高共振模式(用于径向定子的模式3-图11，和用于双弯曲定子的模式2-图12)发生的变形的夸张视图。
图13示出了常平架力70。施加绕一轴线的力矩，该轴线垂直于图5中的风扇的轴线AX。双弯曲定子的与＂常平架＂(面外弯曲)模式相关联的固有频率的降低意味着这些定子对于这些模式具有相对较小的刚度。尽管刚度有所丧失，与径向定子的轴向和扭转模式相比较，面外弯曲模式典型地发生在更高的频率，因此从车辆应用的观点来看，这些频率不是所关注的。
图11示出了径向定子的情况的模拟。图12示出了图3所示类型的双弯曲定子的情况。图11中的箭头A7和图12中的箭头A9的比较再次表示出，对于图3的双弯曲定子而言挠曲较小。
图14是模拟结果的总结。行L1是关于图6和7的状况。图14中的行L2是关于图8和9中的状况。
列C1是关于图6、8和10的径向定子。列C2是关于图3所示类型的双弯曲定子在图7、9和12中的模拟。列C3是关于径向定子和双弯曲定子之间发现的固有频率的变化。列C4是关于这两种情况中的整体刚度(globalstiffness)的变化。
在图14中，术语“同相(in-phase)”是指在某些挠曲中，所有叶片变形成大致相同的形状，例如在图6中那样。“异相(out-of-phase)”是指不是所有叶片都变形成相同的形状。例如，图11中的叶片80和83变形成不同的形状。
还对静载荷进行模拟。图15是结果的总结。行L10是关于图5所示类型的轴向载荷。行L11是关于图10所示类型的所施加力矩。
块B1是关于环9的轴向运动。但是，该环9不形成“定子的根部”。典型地，定子的“根部”是挠曲较小的部位，其是定子33在外环(3)处的端部。“径向”是指径向定子。“掠形的(swept)”是指图3的双弯曲定子。块B2是关于环6或定子的根部沿图10中的箭头方向的圆周运动。块B3是关于范米塞斯应力的改变。
图16示出了本发明的一个形式。诸如冷却散热器这样的热交换器95存在于机动车100内。风扇110具有在此所讨论类型的双弯曲定子115。
图17以横截面示出了定子的具体实施例。在系统的一个运行点，前缘LE处的中弧线(camber line)135的切线145平行于平均输入气流(incomingairstream)140。随着运行点(即，发动机速度)改变，平均输入气流140的方向也改变。平行性得以保证的被选运行点可以是(1)时间上经常发生的运行点，(2)冷却系统需要最大量的冷却气流的运行点，或者(3)另一期望的点。
后缘TE处的中弧线135的切线150平行于旋转轴线AX。
图18是从图16中的箭头E的方向观察的视图。中弧线135表示的叶片接受输入气流140，该输入气流表示图16中的风扇125的排气，且具有沿切向的运动分量。
每个相邻对叶片协作以限定具有中心轴线CAX的进气道。这些叶片被构造为使得进气道的中心轴线CAX平行于输入气流140。这些叶片改变输入气流的方向以与轴线AX平行。
可以定义术语凹性轴线(axis of concavity)。在图4中，这样的轴线位于前缘和后缘的中间且垂直地延伸到页面内。例如，如果所示的翼的底表面是抛物线形状的、向下凹陷，则凹性轴线是与抛物线表面的焦点重合的线。
可采取各种置换和修改而不偏离本发明的真实范围和精神。本专利申请要求保护的是由权利要求限定的本发明。