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摘要：通过声学引导风洞高效低噪声的风扇设计，实质上是通过任意涡风扇的设计方法，对风扇进行再设计的过程。通过各项试验，均能够证明，经过这种设计方式进行再设计的风扇，在气动效率上要远远高于未经过再设计的引导风洞风扇;而在噪声分贝上，这种经过在设计的风扇也同样具有更加优越的低噪声性能。本文中，将就升学引导风洞高效低噪声的风扇设计要点进行讨论。
关键词：风扇设计;任意涡;引导风洞
引导风洞风扇是用来进行升学风洞试验的关键性部件，但是在一些试验中逐渐发现，原有的引导风洞低噪声风扇在效率上和噪声分贝上都不能够达到让人十分满意的程度，因此，迫切的需要一种方法，能够使现有引导风洞风扇的效率大幅度提高，同时大幅度降低其产生的噪音分贝。为了满足这些的要求，一种新型的任意涡风扇设计方法应运而生，并且成功的被应用于声学引导风洞高效低噪声的风扇设计上。
1风扇气动性能设计
原有的声学引导风洞风扇往往存在着效率过低的问题，为了进一步提升声学引导风洞风扇的气动效率，必须对其原有气动结构进行再设计。本文中，将就再设计的设计方法以及各部分设计过程进行讨论。
1.1气动性能新型设计方法
为了尽可能的提高声学引导风洞风扇的气动性能，在新的设计方法之中，采用了以叶素理论为依据的任意涡风扇设计方法。这种方法虽然和传统的自由涡风扇设计方法一样，都是以叶素理论作为依据的，在设计过程中忽略掉流动造成的三维效应的设计方法，但是这种新的设计方法不再像以往那样需要假设风扇入口气流均匀稳定。新的设计方法可以根据实际的流道情况，用不均匀的风扇入口速度作为初始设计参数，然后通过调整叶片的旋转系数得到均匀的出口分布速度，从而达到提升风扇效率的目的。或者说，这种设计方法，实际上是通过调整叶片上的载荷分布，来完成对于声学引导风洞风扇的气动效率的提升的。
1.2新型设计方法下的叶片设计
在设计过程之中，根据确定的引导风洞回路的性能要求，可以确定风扇的两个核心工况，也就是气动设计点和声学设计点。在实际设计过程中，通常将气动设计点当作风扇的设计点工况，而将声学设计点当作风扇的性能校核点的工况。通过各种实测数据，我们不难发现，经过这种新兴的任意涡风扇设计方法调整过叶片载荷分布之后的声学引导风洞风扇的桨叶出口速度剖面要明显较之风扇入口的速度更为平缓。而在关于设计点工况升力系数的分布对比之中也能清晰的发现，叶片的升力系数远远低于风扇翼型的失速升力系数，这样就有效的避免了叶片出现尖部失速的状况。只要确定了风扇在各个位置的不同旋转系数，再结合风扇入口处的速度分布，就能够清楚的计算出风扇桨叶下游的轴向上的速度分布。这个时候，可以运用和传统的自由涡设计法相同的办法，确定叶片的实际弦长，然后就能够得出风扇桨叶径向上的升力系数。
1.3新型设计方法下的整流罩设计
作为风扇的重要组成部分，整流罩能够有效的优化风扇入口处的流动特性，并且提高风扇出口处的压力恢复。传统模式的风扇整流罩的尾罩，通常采用旋转圆锥的制式，能够取得比较高的压力恢复效率。但是因为这种整流罩对于扩散角有着比较高的限制，因为整流罩整体过长，就会导致整个风扇段过长，同时气流在通过之后，衰减的速度也往往较慢。为此，我们在新型的设计之中，将原有的整流罩进行了优化，将尾椎出口位置的尖部截断，这样就在尾椎尖部形成了一段圆截面。这样做的主要目的，是能够尽可能的缩短整流罩的长度，这样也在一定程度上，使得整流罩的摩擦损失降到了最低。与此同时，因为阶段后的整流罩增大了尾流的发展速度，对于第二扩散段的内部流动十分有利，对于整个回路的气动损失减小也很有帮助。
2风扇声学性能设计
风扇发出的噪声，实际上主要是由电机噪声，气动噪声和机器震动产生的噪声三部分组成的，而这其中的主要噪声源则是气动噪声。为了降低风扇的噪声，只需要优化风扇的气动结构，尽可能降低风扇的气动噪声，就能够事半功倍。
2，1如何抑制风扇气动噪声
风扇的气动设计点工况所在的最大升力系数一般要远远小于叶片的失速升力系数，这就降低了因为失速导致的叶尖我留噪音。与此同时，在新的设计思路之中，对于叶片的载荷进行了调整，这使得叶片在径向上的各个界面都能够获得较为均衡的载荷分布，使得因风扇表面的边界层流动气流紊乱而引起的湍流噪音尽可能的减小了。同时，气流再通过旋转的叶片的时候，会在尾部边缘产生脱落涡，同样也会产生噪声，而且还会因为与止旋片的相互撞击，导致噪声更大。而止旋片作为提高风扇压升的重要部件，显然是不能够去除的，为此只能通过优化风扇叶片和止旋片之间的空隙，同时通过改变止旋片的叶片数目以抑制这种干扰噪声。另外，鉴于风扇的止旋片和支撑片的尾流特征对于风扇气动噪音的影响，因此适当的将支撑片前掠，并将止旋片后掠的方式也能够降低一部分的风扇噪声。
2.2电机以及振动噪声的抑制
风扇在高速运动中会产生大量的热，为了尽量减小为风扇散热的风冷鼓风机的噪声，所以在新型的设计中，尝试着将风扇的电机和整流罩融合为一个整体，这样就有效的利用了风动的内部气流完成了对于风扇的降温，免去了鼓风机带来的噪声。同时，因为将电机与整流罩有机设计成一个整体，减去了必要的电机支撑机构，这也使得电机因旋转而发生的结构振动被大大避免了。同时，为了防止风扇因旋转而带来多余的震动，完全可以将风扇做成分段设计。将风扇的转子，电机和整流罩设计为一个整体，而止旋片和整流罩尾罩设计为一个整体，在连接上采用软连接的方式，这样就能够有效的笔描震动了。同时，为了防止因风扇本身的震动导致的噪音，可以将风扇与地面固定，这样就有效的降低了风扇的固有频率，而且可以最大限度的减少系统的振动噪声的产生和辐射。
3风扇的实验分析
为了验证经过重新再设计的风扇能否达到预期之中的效果，因此分别就新设计完成的声学引导风洞高效低噪声风扇进行了气动性能测试和声学测试。
3.1气动性能测试
对于风扇的气动性能测试一般包含两个方面，其一是验证风扇的气动设计是否成功，其二则是观察实验数据，是否较之原有型号的声学引导风洞风扇有了较大的提升。通过试验，我们不难发现，经过重新再设计的声学引导风洞风扇在气动效率的估算上还是比较准确的，同时也的的确确能够大幅度的提升风扇的气动效率。这是因为，采用任意涡设计方法对叶片的旋转系数进行调整之后，使得出口速度的剖面被均匀化了，这就大大的改善了风扇因内部压力的梯度变化而造成的气动损失，因而提升了风扇的气动效率。
3.2声学性能测试
声学引導风洞风扇的声学测试主要针对噪声指标的工况，经过测试发现，噪声情况的确较之原有型号有了很大的缓解，这是因为再重新设计的过程中，对于风扇的气动噪声，振动噪声等都做了有效的抑制，甚至充分考虑到了每一组叶片对于噪声的影响。
4结束语
经过重新设计的声学引导风洞高效低噪声风扇，无论在噪音指标上，还是在气动效率上都较之从前有了非常明显的提升，这说明，采用任意涡风扇设计方法代替原有的自由涡风扇设计方法能够有效的使风扇气动效率得到提升。同时，合理的分布叶片载荷，优化风扇的叶片和止旋片等，也能够有效的抑制风扇的噪声。但是因为低噪声风扇的转速较高，这也导致了在追求气动效率提升的同时，对于风扇噪声的影响并不是特别显著。
参考文献：
[1]屈晓力，余永生，廖达熊，吕金磊.声学引导风洞高效低噪声风扇设计[J].实验流体力学.2013，（3）.
关键词：风扇设计;任意涡;引导风洞
引导风洞风扇是用来进行升学风洞试验的关键性部件，但是在一些试验中逐渐发现，原有的引导风洞低噪声风扇在效率上和噪声分贝上都不能够达到让人十分满意的程度，因此，迫切的需要一种方法，能够使现有引导风洞风扇的效率大幅度提高，同时大幅度降低其产生的噪音分贝。为了满足这些的要求，一种新型的任意涡风扇设计方法应运而生，并且成功的被应用于声学引导风洞高效低噪声的风扇设计上。
1风扇气动性能设计
原有的声学引导风洞风扇往往存在着效率过低的问题，为了进一步提升声学引导风洞风扇的气动效率，必须对其原有气动结构进行再设计。本文中，将就再设计的设计方法以及各部分设计过程进行讨论。
1.1气动性能新型设计方法
为了尽可能的提高声学引导风洞风扇的气动性能，在新的设计方法之中，采用了以叶素理论为依据的任意涡风扇设计方法。这种方法虽然和传统的自由涡风扇设计方法一样，都是以叶素理论作为依据的，在设计过程中忽略掉流动造成的三维效应的设计方法，但是这种新的设计方法不再像以往那样需要假设风扇入口气流均匀稳定。新的设计方法可以根据实际的流道情况，用不均匀的风扇入口速度作为初始设计参数，然后通过调整叶片的旋转系数得到均匀的出口分布速度，从而达到提升风扇效率的目的。或者说，这种设计方法，实际上是通过调整叶片上的载荷分布，来完成对于声学引导风洞风扇的气动效率的提升的。
1.2新型设计方法下的叶片设计
在设计过程之中，根据确定的引导风洞回路的性能要求，可以确定风扇的两个核心工况，也就是气动设计点和声学设计点。在实际设计过程中，通常将气动设计点当作风扇的设计点工况，而将声学设计点当作风扇的性能校核点的工况。通过各种实测数据，我们不难发现，经过这种新兴的任意涡风扇设计方法调整过叶片载荷分布之后的声学引导风洞风扇的桨叶出口速度剖面要明显较之风扇入口的速度更为平缓。而在关于设计点工况升力系数的分布对比之中也能清晰的发现，叶片的升力系数远远低于风扇翼型的失速升力系数，这样就有效的避免了叶片出现尖部失速的状况。只要确定了风扇在各个位置的不同旋转系数，再结合风扇入口处的速度分布，就能够清楚的计算出风扇桨叶下游的轴向上的速度分布。这个时候，可以运用和传统的自由涡设计法相同的办法，确定叶片的实际弦长，然后就能够得出风扇桨叶径向上的升力系数。
1.3新型设计方法下的整流罩设计
作为风扇的重要组成部分，整流罩能够有效的优化风扇入口处的流动特性，并且提高风扇出口处的压力恢复。传统模式的风扇整流罩的尾罩，通常采用旋转圆锥的制式，能够取得比较高的压力恢复效率。但是因为这种整流罩对于扩散角有着比较高的限制，因为整流罩整体过长，就会导致整个风扇段过长，同时气流在通过之后，衰减的速度也往往较慢。为此，我们在新型的设计之中，将原有的整流罩进行了优化，将尾椎出口位置的尖部截断，这样就在尾椎尖部形成了一段圆截面。这样做的主要目的，是能够尽可能的缩短整流罩的长度，这样也在一定程度上，使得整流罩的摩擦损失降到了最低。与此同时，因为阶段后的整流罩增大了尾流的发展速度，对于第二扩散段的内部流动十分有利，对于整个回路的气动损失减小也很有帮助。
2风扇声学性能设计
风扇发出的噪声，实际上主要是由电机噪声，气动噪声和机器震动产生的噪声三部分组成的，而这其中的主要噪声源则是气动噪声。为了降低风扇的噪声，只需要优化风扇的气动结构，尽可能降低风扇的气动噪声，就能够事半功倍。
2，1如何抑制风扇气动噪声
风扇的气动设计点工况所在的最大升力系数一般要远远小于叶片的失速升力系数，这就降低了因为失速导致的叶尖我留噪音。与此同时，在新的设计思路之中，对于叶片的载荷进行了调整，这使得叶片在径向上的各个界面都能够获得较为均衡的载荷分布，使得因风扇表面的边界层流动气流紊乱而引起的湍流噪音尽可能的减小了。同时，气流再通过旋转的叶片的时候，会在尾部边缘产生脱落涡，同样也会产生噪声，而且还会因为与止旋片的相互撞击，导致噪声更大。而止旋片作为提高风扇压升的重要部件，显然是不能够去除的，为此只能通过优化风扇叶片和止旋片之间的空隙，同时通过改变止旋片的叶片数目以抑制这种干扰噪声。另外，鉴于风扇的止旋片和支撑片的尾流特征对于风扇气动噪音的影响，因此适当的将支撑片前掠，并将止旋片后掠的方式也能够降低一部分的风扇噪声。
2.2电机以及振动噪声的抑制
风扇在高速运动中会产生大量的热，为了尽量减小为风扇散热的风冷鼓风机的噪声，所以在新型的设计中，尝试着将风扇的电机和整流罩融合为一个整体，这样就有效的利用了风动的内部气流完成了对于风扇的降温，免去了鼓风机带来的噪声。同时，因为将电机与整流罩有机设计成一个整体，减去了必要的电机支撑机构，这也使得电机因旋转而发生的结构振动被大大避免了。同时，为了防止风扇因旋转而带来多余的震动，完全可以将风扇做成分段设计。将风扇的转子，电机和整流罩设计为一个整体，而止旋片和整流罩尾罩设计为一个整体，在连接上采用软连接的方式，这样就能够有效的笔描震动了。同时，为了防止因风扇本身的震动导致的噪音，可以将风扇与地面固定，这样就有效的降低了风扇的固有频率，而且可以最大限度的减少系统的振动噪声的产生和辐射。
3风扇的实验分析
为了验证经过重新再设计的风扇能否达到预期之中的效果，因此分别就新设计完成的声学引导风洞高效低噪声风扇进行了气动性能测试和声学测试。
3.1气动性能测试
对于风扇的气动性能测试一般包含两个方面，其一是验证风扇的气动设计是否成功，其二则是观察实验数据，是否较之原有型号的声学引导风洞风扇有了较大的提升。通过试验，我们不难发现，经过重新再设计的声学引导风洞风扇在气动效率的估算上还是比较准确的，同时也的的确确能够大幅度的提升风扇的气动效率。这是因为，采用任意涡设计方法对叶片的旋转系数进行调整之后，使得出口速度的剖面被均匀化了，这就大大的改善了风扇因内部压力的梯度变化而造成的气动损失，因而提升了风扇的气动效率。
3.2声学性能测试
声学引導风洞风扇的声学测试主要针对噪声指标的工况，经过测试发现，噪声情况的确较之原有型号有了很大的缓解，这是因为再重新设计的过程中，对于风扇的气动噪声，振动噪声等都做了有效的抑制，甚至充分考虑到了每一组叶片对于噪声的影响。
4结束语
经过重新设计的声学引导风洞高效低噪声风扇，无论在噪音指标上，还是在气动效率上都较之从前有了非常明显的提升，这说明，采用任意涡风扇设计方法代替原有的自由涡风扇设计方法能够有效的使风扇气动效率得到提升。同时，合理的分布叶片载荷，优化风扇的叶片和止旋片等，也能够有效的抑制风扇的噪声。但是因为低噪声风扇的转速较高，这也导致了在追求气动效率提升的同时，对于风扇噪声的影响并不是特别显著。
参考文献：
[1]屈晓力，余永生，廖达熊，吕金磊.声学引导风洞高效低噪声风扇设计[J].实验流体力学.2013，（3）.