一种用于大中型柴油发动机散热器的碳纤维风扇叶片

摘要

本发明公开一种用于大中型柴油发动机散热器的碳纤维风扇叶片，所述风扇叶片材料为碳纤维；所述风扇叶片的后缘最小厚度为0.1-2mm。所述风扇叶片的叶面设置碳纤维的副叶片，所述副叶片设置在所述风扇叶片的迎风面；副叶片与所述风扇叶片的夹角为15-25度；所述副叶片的宽度为风扇叶片的0.2-0.15倍；副叶片的长度为风扇叶片0.25-0.3倍；副叶片设置在距离风扇叶片根部0.12-0.2倍风扇叶片长度处。本发明的优点是：由于采用全碳纤维制造的风扇叶片，重量减轻很多，而强度又得到提高，因此，保证了叶片后缘的厚度达到0.1-2mm，仍具有较好的强度，叶片后缘两侧的风能平缓汇合，有效地减小噪音；此外，采用副叶片的结构，改变了风的流动方向，提高了散热效果。

说明书

技术领域

本发明涉及工程技术领域，具体说是一种大中型柴油发动机散热器的碳纤维风扇叶片。

背景技术

碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。

碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为230～430Gpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。

碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得；按状态分为长丝、短纤维和短切纤维；按力学性能分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为1000兆帕(MPa)、模量为100GPa左右。高性能型碳纤维又分为高强型(强度2000MPa、模量250GPa)和高模型(模量300GPa以上)。强度大于4000MPa的又称为超高强型；模量大于450GPa的称为超高模型。随着航天和航空工业的发展，还出现了高强高伸型碳纤维，其延伸率大于2％。用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纤维。

目前应用较普遍的碳纤维主要是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。碳纤维的制造包括纤维纺丝、热稳定化(预氧化)、碳化、石墨化等4个过程。其间伴随的化学变化包括，脱氢、环化、预氧化、氧化及脱氧等。

众所周知，大中型柴油发动机散热问题是机动车在运输过程中会经常遇到的问题，由于散热不好而被迫停车，极端情况下，甚至损坏发动机。传统的散热器采用铝制叶片，为增强散热效果，往往采用加大叶片的方法，但该方法一方面受到发动机仓的体积限制，另一方面由于尺寸加大，往往造成强度不好，容易发生叶片断裂事故，尤其是用于高速列车时，危害性更大。采用其他金属材料，如钢材等，不仅制造成本高，而且重量大，无形之中增加了能源消耗。此外，叶片工作时产生较大的噪音，其原因是现有的叶片一般为金属材料制成，为保证强度，后缘处厚度较大，在叶片工作时，叶片的两侧的高速风在此汇合，形成较大的噪音，为解决该技术问题，现有技术一般采用对后缘的形状进行适当的改变，如在叶片表面或后缘设置凹凸、槽纹等非平滑形状，即所谓的“涡流发生器”，还有的在叶片的后缘设置锯齿形的部分，但这些方法都仅仅能改善，并未从根本上解决气体汇流所产生的巨大噪音。再次，由于叶片采用金属制成，重量较大，因此，叶片高速旋转产生的离心力较大，易造成叶片断裂，为防止该种情况发生，必须加大叶片的厚度；而叶片重量大的另外一个直接后果就是叶片转速受到限制，因此，风力较小。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种用于大中型柴油发动机散热器的碳纤维风扇叶片，所述风扇叶片材料为碳纤维；所述风扇叶片的后缘最小厚度为0.1-2mm。

由于采用碳纤维，而碳纤维重量较轻，强度较好，可保证即使叶片后缘的厚度达到0.1-2mm，仍具有较好的强度，因此，叶片后缘两侧的风能平缓汇合，有效地减小噪音；此外，由于碳纤维强度好，重量轻，叶片的离心力较小，能提高叶片轴承的使用寿命；叶片也可以更高的速度旋转，风力较大；当本发明的产品用于铁路机车上时，可减小发动机仓的体积，从而减小机车重量。

为提高风扇工作时的风的流量，所述风扇叶片的叶面设置碳纤维的副叶片，所述副叶片设置在所述风扇叶片的迎风面；副叶片与所述风扇叶片的夹角为15-25度；所述副叶片的宽度为风扇叶片的0.2-0.15倍；副叶片的长度为风扇叶片0.25-0.3倍；副叶片设置在距离风扇叶片根部0.12-0.2倍风扇叶片长度处。

本发明可用于汽车、列车及坦克等大中型柴油发动机散热器。

本发明的优点是：由于采用全碳纤维制造的风扇叶片，重量减轻很多，而强度又得到提高，保证了叶片工作时不会损坏，叶片后缘的最小厚度达到0.1-2mm时仍具有较好的强度，因此，叶片后缘两侧的风能平缓汇合，有效地减小噪音；此外，采用副叶片的结构，改变了风的流动方向，提高了散热效果。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为碳纤维叶片与高强度铝叶片的噪音与后缘最小厚度关系示意图；

图1中，1为风扇轴，2为风扇叶片，3为副叶片，4为风扇叶片主工作面，5副风扇工作面，6风扇叶片副工作面，7叶片后缘。

具体实施方式

下面结合附图具体说明本发明，如图1所示，本发明的风扇叶片2采用碳纤维材料制成，碳纤维采用高性能型碳纤维，强度2000MPa、模量250GPa，可保证风扇叶片的强度。叶片后缘7的最小厚度达到0.1-2mm，由于叶片后缘7的最小厚度较小，因此，叶片两侧的风高速汇合产生的噪音较小；经实验，同样结构的叶片，分别由高强度铝和碳纤维制成，铝制叶片的后缘最小厚度为5mm,碳纤维叶片的厚度为1.2mm，在3000转/分钟的转速下，噪音可减小3分贝；而同样都是由碳纤维制成的形状相同的叶片，用于发动机上，当后缘最小厚度大于2mm时噪音明显增大，如图2所示；图2中，实线为碳纤维叶片，虚线为铝合金叶片。

所述的叶片后缘最小厚度是指距离叶片后缘最外侧1mm处的叶片厚度。

此外，为提高风扇的效率，采用了副叶片3的形式，所述副叶片3设置在所述风扇叶片2的迎风面；副叶片3与所述风扇叶片2的夹角a为15-25度，副叶片3的宽度为风扇叶片2的0.2-0.15倍；副叶片3的长度为风扇叶片2的0.25-0.3倍；副叶片3设置在距离风扇叶片2根部的距离L为0.12-0.2倍风扇叶片2长度。

采用副叶片的好处是：由于风扇工作时，风扇叶片的副工作面6及副风扇的工作面5将风推向前方，在副风扇工作面5的背部产生了一定的涡流，该处风压较小，进而带动更多的风流向风扇叶片的主工作面4，从而保证了风扇主工作面的效率更高。关于副叶片的大小及位置，经申请人大量实验得出，该位置及大小可得到最高的效率，与没有副叶片的同样形状的风扇叶片相比，可提高效率1.3倍。这是因为，如果副叶片太高，影响叶片主工作面的面积，太低，则达不到产生一定涡流的效果。

关于叶片的制造方法，可参考中国专利申请号201210261878.1，在此不再赘述。本发明的碳纤维可采用日本东丽的T700产品。