安曉雁, 王東屏, 袁士瑞

(1　北京二七軌道交通裝備有限責(zé)任公司　機(jī)車(chē)研發(fā)中心， 北京 100072；2　大連交通大學(xué)　機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧大連 116028)

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出口蘇丹CKD8S型內(nèi)燃機(jī)車(chē)柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)防風(fēng)沙設(shè)計(jì)

安曉雁1, 王東屏2, 袁士瑞2

(1北京二七軌道交通裝備有限責(zé)任公司機(jī)車(chē)研發(fā)中心， 北京 100072；2大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧大連 116028)

CKD8S型內(nèi)燃機(jī)車(chē)是為蘇丹鐵路公司設(shè)計(jì)的交-直流電傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)，該車(chē)運(yùn)用時(shí)環(huán)境溫度高、風(fēng)沙大且沙子的粒徑較??；針對(duì)惡劣環(huán)境，該車(chē)的柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)既要保證進(jìn)氣的清潔度，又要保證進(jìn)氣阻力滿(mǎn)足柴油機(jī)工作的需求。首先為防風(fēng)沙在有限車(chē)體空間內(nèi)優(yōu)化布置過(guò)濾元件，采用了全新的設(shè)計(jì)方案；其次應(yīng)用CFD方法對(duì)該車(chē)柴油機(jī)進(jìn)氣通道的三維流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值仿真，獲取內(nèi)部流場(chǎng)的信息，得到進(jìn)氣通道各部分壓力損失的量化結(jié)果，對(duì)風(fēng)道的設(shè)計(jì)方案給予評(píng)估；進(jìn)氣阻力數(shù)值評(píng)估結(jié)果與該車(chē)出廠(chǎng)試驗(yàn)獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合，說(shuō)明數(shù)值計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠，也證實(shí)此車(chē)進(jìn)氣系統(tǒng)的防風(fēng)沙設(shè)計(jì)獲得成功。

CKD8S型內(nèi)燃機(jī)車(chē); 防風(fēng)沙; 值仿真; 進(jìn)氣道阻力評(píng)估

隨著我國(guó)內(nèi)燃機(jī)車(chē)發(fā)展，不斷有非洲地區(qū)用戶(hù)多車(chē)型的需求，我國(guó)內(nèi)燃機(jī)車(chē)性?xún)r(jià)比高和較短的交貨期是贏得用戶(hù)青睞的重要因素，除去配件的采購(gòu)期、生產(chǎn)期，縮短設(shè)計(jì)周期是每個(gè)設(shè)計(jì)部門(mén)力爭(zhēng)做到的。傳統(tǒng)做法是進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)較前實(shí)用車(chē)型有較大變化時(shí)應(yīng)進(jìn)行進(jìn)氣系統(tǒng)的試驗(yàn)或類(lèi)比其他車(chē)型手工粗算進(jìn)氣腔道阻力。通過(guò)試驗(yàn)修改進(jìn)氣系統(tǒng)中過(guò)濾元件布置和進(jìn)氣通道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，這樣設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，試驗(yàn)成本高；因?yàn)榍坏懒鲌?chǎng)變化復(fù)雜，完全依靠類(lèi)比其他車(chē)型手工粗算進(jìn)氣系統(tǒng)阻力又缺乏準(zhǔn)確度。

針對(duì)出口蘇丹CKD8S型內(nèi)燃機(jī)車(chē)柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)防風(fēng)沙設(shè)計(jì)，采用新的設(shè)計(jì)程序，首先為防風(fēng)沙在有限車(chē)體空間內(nèi)優(yōu)化布置過(guò)濾元件，設(shè)計(jì)初步的布置方案，采用三維建模，應(yīng)用CFD方法對(duì)該車(chē)柴油機(jī)進(jìn)氣通道進(jìn)行了數(shù)值仿真，獲取內(nèi)部流場(chǎng)的大量微觀(guān)信息，對(duì)進(jìn)氣通道各部分進(jìn)行壓力數(shù)值評(píng)估。同時(shí)將進(jìn)氣風(fēng)道阻力數(shù)值評(píng)估結(jié)果與該車(chē)出廠(chǎng)試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)相比較，驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1　結(jié)合車(chē)體有限空間設(shè)計(jì)進(jìn)氣系統(tǒng)防風(fēng)沙結(jié)構(gòu)

為防風(fēng)沙本車(chē)柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)采用了4級(jí)濾清，第1級(jí)為鋼板網(wǎng)及無(wú)紡布, 第2級(jí)為4組慣性式空氣濾清器, 第3級(jí)為6個(gè)紙筒濾清器,第4級(jí)為卡特比勒柴油機(jī)附件空濾器(單濾芯)；鋼板網(wǎng)能阻隔樹(shù)葉、紙片、塊狀物等體積較大的物體進(jìn)入系統(tǒng)，防止進(jìn)氣系統(tǒng)的堵塞，無(wú)紡布和4組慣性式空氣濾清器能濾掉空氣中較大的顆粒，6個(gè)紙筒濾清器和卡特空濾器對(duì)空氣進(jìn)一步細(xì)濾，能濾掉空氣中較小的顆粒，卡特比勒柴油機(jī)附件空濾器(單濾芯)又進(jìn)一步細(xì)濾小顆粒，這樣的多級(jí)濾清元件疊加使用； 6個(gè)紙筒濾清器增大了細(xì)濾的有效過(guò)濾面積和容塵量，并且進(jìn)氣通道安裝密封，這樣保證了進(jìn)氣過(guò)濾清潔度，起到防風(fēng)沙的作用；在車(chē)體有限空間合理布置濾清元件及通道流暢是設(shè)計(jì)關(guān)鍵，4組慣性式空氣濾清器和6個(gè)紙筒濾清器安裝在進(jìn)氣箱內(nèi)，鋼板網(wǎng)及無(wú)紡布安裝在進(jìn)氣箱門(mén)上，進(jìn)氣箱安裝在柴油機(jī)輸出端主發(fā)電機(jī)兩側(cè)墻上，卡特比勒柴油機(jī)附件空濾器吊裝在車(chē)體內(nèi)進(jìn)氣箱斜上方，車(chē)體兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置，系統(tǒng)布置圖如圖1所示，用CFD方法對(duì)該車(chē)柴油機(jī)進(jìn)氣通道進(jìn)行了數(shù)值仿真和內(nèi)部流場(chǎng)模擬，反復(fù)微調(diào)修改流程通道設(shè)計(jì)，使進(jìn)氣箱內(nèi)部流場(chǎng)流暢并滿(mǎn)足進(jìn)氣箱處內(nèi)走廊通過(guò)能力，獲得本車(chē)最佳防風(fēng)沙進(jìn)氣系統(tǒng)布置圖。

2　選用濾清元件及阻力分析

對(duì)所選用的濾清元件在工作中的阻力進(jìn)行了分析。

根據(jù)柴油機(jī)相關(guān)參數(shù)：最大進(jìn)氣流量167.2 m3/min(標(biāo)準(zhǔn)工況)，柴油機(jī)增壓器前(干凈濾芯)≤3.7 kPa；所以單側(cè)增壓器空氣體積流量按5 040 m3/h。采用4組慣性式空氣濾清器并聯(lián)，則每個(gè)慣性式空氣濾清器流量為1 260 m3/h。

2.1氣流經(jīng)慣性式空氣濾清器阻力

查相關(guān)表[1]:進(jìn)氣口至清潔空氣出口阻力≤0.22 kPa。

2.2氣流經(jīng)紙筒式濾清器阻力

采用6組紙筒式濾清器并聯(lián)，使經(jīng)過(guò)慣性式空氣濾清器濾清后的空氣進(jìn)一步過(guò)濾，根據(jù)廠(chǎng)家提供紙筒式濾清器試驗(yàn)報(bào)告[2]，紙筒式濾清器原始阻力≤0.5 kPa。

圖1　進(jìn)氣系統(tǒng)布置圖

2.3氣流經(jīng)卡特空濾器(單濾芯)的阻力

查相關(guān)阻力曲線(xiàn)[3]得1.67 kPa。

2.4鋼板網(wǎng)組成的阻力

增加無(wú)紡布安裝結(jié)構(gòu)如圖2示，這種結(jié)構(gòu)可把大部分沙塵阻擋在車(chē)外。

圖2　粗濾裝置安裝

氣體流經(jīng)無(wú)紡布及鋼板網(wǎng)的阻力≤0.3 kPa。

其中無(wú)紡布的阻力由專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)廠(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得≤0.18 kPa[4]。

2.5濾清元件總阻力

CKD8S型內(nèi)燃機(jī)車(chē)方案行程中濾清元件原始總阻力≤0.22+0.5+1.67+0.3=2.69 kPa。

根據(jù)柴油機(jī)要求進(jìn)氣阻力≤3.7 kPa，則進(jìn)氣通道整行程總阻力≤1.01 kPa。

3　進(jìn)氣通風(fēng)道三維建模和CFD數(shù)值仿真檢驗(yàn)進(jìn)氣通道布置的合理性

3.1進(jìn)氣通風(fēng)道三維建模

進(jìn)氣通風(fēng)道三維建模如圖3所示，箭頭指向?yàn)榭諝饬鲃?dòng)方向，虛線(xiàn)箭頭為內(nèi)部空氣流動(dòng)方向。

3.2進(jìn)氣通風(fēng)道三維流場(chǎng)的數(shù)值仿真

計(jì)算流體力學(xué)(CFD)是近代流體力學(xué)、數(shù)值數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，是一門(mén)具有強(qiáng)大生命力的邊緣科學(xué)。近年來(lái)，CFD已經(jīng)被越來(lái)越多地應(yīng)用到各個(gè)工程領(lǐng)域中。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬獲得某種流體在特定條件下的有關(guān)信息，是工程技術(shù)人員用于分析和解決問(wèn)題的強(qiáng)有力工具[5]。應(yīng)用CFD方法對(duì)CKD8S型內(nèi)燃機(jī)車(chē)柴油機(jī)進(jìn)氣通道流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真，對(duì)進(jìn)氣道內(nèi)慣性式空氣濾清器到紙筒濾清器之間的腔體、紙筒濾清器到卡特單濾芯空濾器之間的腔體、卡特單濾芯空濾器和柴油機(jī)之間的鋼管三維流場(chǎng)，分別做了數(shù)值計(jì)算。

進(jìn)氣通道進(jìn)氣箱的構(gòu)成為：外界空氣經(jīng)過(guò)門(mén)組成、直通旋流管式濾清器粗濾后由進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入風(fēng)道，經(jīng)過(guò)直通旋流管式濾清器到紙筒濾清器之間的腔體后，從紙筒側(cè)面進(jìn)入紙筒空濾器過(guò)濾,再由6個(gè)出風(fēng)口排出，通過(guò)6個(gè)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入由1個(gè)出風(fēng)口排出，通過(guò)紙筒濾清器到卡特單濾芯空濾器之間的腔體，進(jìn)入卡特單濾芯空濾器過(guò)濾后，通過(guò)鋼管進(jìn)入柴油機(jī)。圖4和圖5分別為進(jìn)氣通道進(jìn)氣箱上部和下部的計(jì)算模型。

圖3　進(jìn)氣通風(fēng)道方案模型

圖4　進(jìn)氣通道進(jìn)氣箱下部模型

圖5　進(jìn)氣通道進(jìn)氣箱上部模型

進(jìn)氣通道進(jìn)氣箱下部和上部流動(dòng)腔體均采用四面體非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格以適應(yīng)復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，進(jìn)氣箱下部網(wǎng)格單元數(shù)為22.88萬(wàn)個(gè)，進(jìn)氣箱上部腔體網(wǎng)格單元數(shù)為16.81萬(wàn)個(gè)，網(wǎng)格質(zhì)量良好。

過(guò)濾器內(nèi)部流場(chǎng)的空氣流動(dòng)是三維、定常、不可壓縮流動(dòng)。根據(jù)流場(chǎng)特點(diǎn)，描述空氣流動(dòng)的控制方程包括連續(xù)性方程、Reynolds 時(shí)均Navier-Stokes 方程(Reynolds-Averaged Navier-Stokes，簡(jiǎn)稱(chēng)RANS)以及湍流模型方程[6-7]。

隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展及CFD軟件的成熟，采用CFD商業(yè)軟件進(jìn)行工程計(jì)算及科研輔助日趨流行。本文采用了計(jì)算精度高且適用性好的Fluent流體分析軟件。

應(yīng)用有限體積法中常用的SIMPLE算法對(duì)離散方程進(jìn)行求解，離散方程時(shí)，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，粘性項(xiàng)采用二階中心差分格式。

3.3計(jì)算結(jié)果分析

在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速1 800 r/min，流量84 m3/min，進(jìn)風(fēng)口壓力為-1.2 kPa工況下，通過(guò)數(shù)值分析，獲得柴油機(jī)進(jìn)氣通道進(jìn)氣箱內(nèi)部流場(chǎng)的量化結(jié)果。

圖6是進(jìn)氣箱下部壁面壓力分布云圖。由于空氣行程較短，壓力沿程損失并不大。6個(gè)出風(fēng)口壓力分布較均勻。進(jìn)氣箱下部最大壓強(qiáng)差為進(jìn)風(fēng)口3與出風(fēng)口6的壓力之差，即為

ΔP1=-1 215.30-(-1 350.66)=135.36Pa

故進(jìn)氣箱下部的壓力損失，即氣體流經(jīng)直通旋流管式濾清器到紙筒濾清器之間的腔體壓力損失為135.36 Pa。

從圖7中看出，入口氣流經(jīng)過(guò)扁平的入口后,由于迎風(fēng)面的阻擋作用,有回流現(xiàn)象，出口的流速分布均勻。

從圖8中看出，進(jìn)氣箱上部拐角處由于風(fēng)向的改變，氣流受到阻力，拐角大圓弧處壓力較大。出風(fēng)口由于面積較小，氣體通過(guò)速度快，壓力較小。

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果及相關(guān)元件的數(shù)據(jù)得到CKD8S型內(nèi)燃機(jī)車(chē)柴油機(jī)進(jìn)氣通道的整個(gè)壓力損失。各部分/元件所產(chǎn)生的壓力損失如表1所示。

圖6　進(jìn)氣箱下部壁面壓力分布

圖7　進(jìn)氣箱下部截面速度分布

圖8　進(jìn)氣箱上部壁面的壓力分布

經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到了柴油機(jī)進(jìn)氣通道兩個(gè)腔體和鋼管的壓力沿程損失總和ΔP，即為進(jìn)氣箱下部、進(jìn)氣箱上部、鋼管壓力損失之和。

135.36+125.31+487.94=748.61Pa

則進(jìn)氣通道整行程總阻力≤1.01 kPa, 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，整個(gè)行程阻力P(柴油機(jī)進(jìn)氣前)≤3.7 kPa。

經(jīng)計(jì)算可得P=3 392.11 Pa≤3.7 kPa。計(jì)算表明該設(shè)計(jì)符合要求。

4　試驗(yàn)運(yùn)用情況

該車(chē)出廠(chǎng)前進(jìn)行了試驗(yàn)，柴油機(jī)加載時(shí)進(jìn)氣系統(tǒng)阻力如表2所示。

在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速1 800 r/min下，進(jìn)氣阻力的計(jì)算結(jié)果是3.39 kPa，實(shí)驗(yàn)值為3.1 kPa，相對(duì)誤差為9.35%。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，進(jìn)氣阻力數(shù)值評(píng)估結(jié)果與該車(chē)出廠(chǎng)試驗(yàn)

獲得的數(shù)據(jù)基本吻合，說(shuō)明數(shù)值計(jì)算結(jié)果是準(zhǔn)確的，同時(shí)也證明該車(chē)的進(jìn)氣系統(tǒng)的防風(fēng)沙設(shè)計(jì)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表2　柴油機(jī)進(jìn)氣阻力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5　結(jié)論

經(jīng)過(guò)對(duì)柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)新的防風(fēng)沙設(shè)計(jì)方案的確定、對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)流場(chǎng)的數(shù)值分析及實(shí)車(chē)試驗(yàn)的綜合研究，得出如下結(jié)論：

(1)經(jīng)過(guò)數(shù)值分析結(jié)果和實(shí)車(chē)出廠(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，試驗(yàn)值和計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差為9.35%，滿(mǎn)足工程要求，說(shuō)明數(shù)值計(jì)算結(jié)果是可靠的。

(2)試驗(yàn)表明，進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)氣阻力為3.1 kPa，小于3.7 kPa，驗(yàn)證了柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的防風(fēng)沙設(shè)計(jì)方案滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

(3)應(yīng)用方案設(shè)計(jì)、數(shù)值分析及試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法對(duì)柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，是一種很好的全新設(shè)計(jì)思路。

[1]TB 2722-2008 內(nèi)燃機(jī)車(chē)用空氣濾清器[S].

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[3]Caterpillar -3500 Airfilter options-AIR FILTERS - CIRCULAR - PERFORMANCE[Z].

[4]科德寶.ViledonP15系列超耐用濾棉(過(guò)濾級(jí)別G2-G4)產(chǎn)品使用說(shuō)明[Z].寶翎無(wú)紡布(蘇州)有限公司

[5]王東屏,兆文忠,馬思群.CFD數(shù)值仿真在高速列車(chē)設(shè)計(jì)中應(yīng)用[J].鐵道學(xué)報(bào),2007,29(5):64-68.

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ANXiaoyan1，WANGDongping2，YUANShirui2

(1Locomotive R & D Center, Beijing Feb.7th Railway Transportation Equipment Co., Ltd., Beijing 100072, China；2College of Mechanical Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028 Liaoning, China)

CKD8Sdiesel locomotive is a kind of AC-DC electric diesel locomotives which is designed for Sudan Railway Company. This kind of locomotives are working in conditions combined with high temperature，heavy wind and dust. Moreover, the size of the sand is small. According to the harsh environment, the locomotive′s engine air intake system should not only guarantee the purity of the air intake, but also ensure the air intake resistance to meet the working requirements of diesel engine. First of all, in order to prevent blown sand, this paper uses a new design about optimal layout of filter elements in the finite body space. Secondly, this paper adopts the method of CFD, conducts a numeric simulation in Three-Dimensional flow field of the diesel engine′s air intake channel, gains the information of internal flow field, obtains the quantitative results of partial pressure loss of the inlet channel, and evaluates the design of air duct. The numerical evaluate results of the air intake resistance are in agreement with the experimental data which is obtained from the ex-factory experiment. It is proved that the results of numerical calculation are correct and reliable, and it also confirms that the blown sand prevention design of the air intake system is successful.

CKD8Sdiesel locomotive; blown sand prevention; numeric simulation; air intake resistance evaluation

1008-7842 (2016) 02-0037-04

??)女，高級(jí)工程師(

2016-01-05)

U262.23+5

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.08