轴流离心复合结构扇叶三维结构设计

　　做通风散热类结构设计快十二年，经手的扇叶类结构少说也有七八十套，这次的复合结构扇叶，是之前给机柜散热、小型通风设备做配套时迭代出来的构型，和常规直板轴流扇叶的设计逻辑差异不小。先从实际应用场景说，这类带外圈轮箍的扇叶，最开始是给户外通讯机柜的顶部排风单元做的适配，后来发现小型新风设备、工业电子设备的内置散热风道、甚至小型工位除尘设备的引风端都能用，适用场景比普通无箍扇叶宽不少。常规无外圈的轴流扇叶，高速转动时叶尖容易产生紊流漏风，不仅风压上不去，叶尖和风道壁的间隙如果控制不好，还会产生尖锐的气动噪音，之前给某品牌工控机柜做散热方案时，就遇到过普通扇叶在2800转工况下，叶尖紊流导致的噪音超标3分贝的问题，后来加了一体式外圈轮箍的结构，直接把叶尖漏风的通道封死，同转速下风压能提升17%左右，噪音反而降了4分贝，这也是这次结构保留整圈外圈的核心原因。

　　再讲功能特性，这套扇叶的叶片采用了变截面扭曲设计，从叶根到叶尖的安装角是逐步递减的，叶根处的安装角偏大，是为了在轮毂附近线速度较低的区域，尽可能多的切割气流，避免轮毂中心区域出现气流死区；叶尖处的安装角收小，配合外圈轮箍的约束，能让甩出的气流更平顺的沿轴向导出，不会出现径向扩散的问题。叶片数量选了五叶，不是随便定的，之前做过三叶、五叶、七叶的同直径对比测试，三叶的动平衡好做，但同转速下风量波动大，气流脉动带来的低频共振明显；七叶的气流更平顺，但叶片间距太小，加工时模具的脱模难度高，积灰后动平衡衰减快；五叶的构型刚好在风量平顺性、加工难度、动平衡稳定性之间取了平衡，适合批量注塑或者钣金冲压加工。轮毂部分做了中心通孔加定位沉台的结构，中心孔适配常用的5mm、6mm、8mm电机输出轴，沉台的深度刚好和电机轴端的卡簧位匹配，安装时不需要额外加轴套定位，直接套入轴端锁紧顶丝就能完成固定，能减少装配时的调整时间。

　　设计思路上，最开始画草绘的时候，先定的是外圈的直径边界，因为这类扇叶大多是嵌入到设备的风道内部安装，外圈的外圆尺寸公差要控制在±0.1mm以内，和风道内壁的间隙留0.3-0.5mm，间隙太小的话，扇叶转动时如果有轻微的动平衡跳动，容易蹭到风道壁产生异响；间隙太大的话，叶尖和风道之间的漏风损失会变大，影响风压效率。叶片的型线是参考NACA低速翼型做的修正，没有用完全对称的翼型，而是把叶片的压力面做了轻微的内凹，吸力面做了平滑的弧面过渡，这样在低转速工况下，也能获得比较稳定的气流输出，不会出现小转速下气流倒灌的问题。之前有新手工程师做扇叶设计时，直接把叶片做成等厚度的直板，结果做出来的样件不仅风压低，转动时还会因为叶片两侧压差太大，产生明显的叶片颤振，连续运行72小时就出现了叶片根部开裂的问题，这次的叶片从叶根到叶尖是逐步减薄的，叶根厚度是叶尖的2.5倍，根部做了R2的圆角过渡，能分散转动时的离心力载荷，避免应力集中。

　　安装边界这块，除了之前说的中心孔和沉台，轮毂的背面做了三个均匀分布的平衡块卡槽，批量生产做动平衡校正时，不需要在叶片上夹卡扣式平衡块，直接把金属平衡块压入卡槽里就行，不会影响叶片表面的气流流场，也避免平衡块在长期转动后脱落的风险。外圈轮箍的轴向宽度是叶片弦长的1/4，宽度太窄的话，对叶尖气流的约束效果不够，宽度太宽的话，会增加额外的转动惯量，电机启动时的负载会变大，适配小功率电机时容易出现启动堵转的问题。另外叶片和外圈轮箍的连接位置，也做了小圆弧过渡，没有直角相接，一方面是注塑加工时能减少熔接痕的产生，提升连接位置的结构强度，另一方面也能减少气流在连接位置产生的涡流损耗。实际测试下来，这套结构的扇叶在适配15W直流无刷电机时，额定转速下的风量能达到120CFM，静压能达到35Pa，完全满足1.2米以下高度的通讯机柜、小型电子设备的散热通风需求，而且因为有外圈的约束，即使扇叶在运输过程中受到轻微挤压，叶片也不容易出现变形，比无箍的扇叶抗磕碰能力强不少。之前给客户做样件测试时，把扇叶从1米高度自由落体到水泥地面，外圈只有轻微的擦痕，叶片没有出现断裂或者变形，装到电机上转动时动平衡量依然能控制在0.2g·cm以内，符合常规通风设备的使用要求。