劉夢安，詹 騰

(株洲聯(lián)誠集團有限責(zé)任公司，湖南株洲412001)

?

多工況離心通風(fēng)機的氣動方案設(shè)計與驗證

劉夢安，詹 騰

(株洲聯(lián)誠集團有限責(zé)任公司，湖南株洲412001)

為解決CRH5型高寒動車組牽引輔助變流器風(fēng)機國產(chǎn)化應(yīng)用，以一種多工況離心通風(fēng)機為研究對象，針對應(yīng)用于動車組特殊使用條件，利用流體計算軟件FLUENT，對該離心通風(fēng)機的氣動方案進行了設(shè)計及試驗驗證。通過合理選擇葉輪直徑、葉片進出口角度和最優(yōu)化匹配集流器、蝸殼等方法，以提高整機高效工作范圍，使之滿足使用需求。研究結(jié)果表明：該離心通風(fēng)機具有多工況、高效、低噪的氣動性能優(yōu)點，各項技術(shù)指標(biāo)達到國外同類產(chǎn)品的水準(zhǔn)，成功實現(xiàn)該產(chǎn)品國產(chǎn)化。

離心通風(fēng)機 葉輪 多工況 流量 靜壓

0 引言

該離心通風(fēng)機裝配在CRH5型高寒動車組牽引輔助變流器上，位于動車組底部的設(shè)備艙內(nèi)。用于熱交換器和電抗器組件的通風(fēng)冷卻。風(fēng)機1和風(fēng)機2并排安裝，風(fēng)機1從熱交換器吸取空氣，出風(fēng)口向下，直接吹出車外(道碴上)，風(fēng)機2用于電抗器元件的冷卻，出風(fēng)口在側(cè)面，吹到電抗器后面。風(fēng)機1和風(fēng)機2安裝位置見圖1。鑒于以上情況，要求該風(fēng)機同時具備兩種不同工況來滿足其不同散熱單元所需的散熱要求。此類型風(fēng)機以前一直從國外采購，其缺點是成本高、采購周期長、后期維護不方便等，故將此類風(fēng)機國產(chǎn)化、系列化和批量化勢在必行。

圖1 風(fēng)機安裝位置示意圖

1 氣動方案理論計算

根據(jù)用戶提供的風(fēng)機技術(shù)規(guī)范可知其氣動方案要滿足的主要技術(shù)要求見表1。

通過初步計算可知風(fēng)機最高效率的工作區(qū)域在工況點1附近，故以工況點1為主要參考點來設(shè)計，同時兼顧工況點2來實現(xiàn)多工況離心通風(fēng)機的氣動方案。

表1 風(fēng)機主要技術(shù)參數(shù)

(1)計算風(fēng)機比轉(zhuǎn)速

由比轉(zhuǎn)速計算公式可得該風(fēng)機比轉(zhuǎn)速為[1]：

根據(jù)風(fēng)機選型原則，選擇成熟的離心通風(fēng)機樣本。然后初步確定葉輪外徑D2=342 mm。

(2)計算風(fēng)機無因次參數(shù)

由壓力系數(shù)ψ與葉片出口角β2A的關(guān)系[2-3]，可以確定風(fēng)機β2A=52°。然后根據(jù)葉道中損失應(yīng)最小的原則[4-5]，計算葉片進口直徑，D1/D2>1.194φ1/3，取D1=220 mm。

2 氣動方案FLUENT仿真

通過一維理論計算，設(shè)計了一款離心通風(fēng)機。為了進一步分析和驗證該款風(fēng)機的性能和流動情況，首先利用SolidWorks建立風(fēng)機三維模型，然后導(dǎo)入ANSYS中的Fluent模塊進行網(wǎng)格劃分和模擬計算。其中，風(fēng)機模擬計算模型采用k-ε模型，標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)[6]。由于風(fēng)機轉(zhuǎn)速較低，忽略空氣的可壓縮性，因此邊界條件設(shè)置為速度-壓力邊界條件。最后根據(jù)迭代計算收斂的結(jié)果得到有關(guān)風(fēng)機流量、全壓、靜壓、全壓效率等的氣動性能表以及風(fēng)機流面和子午面的壓力分布云圖[7-8]，分別如表2和圖2所示。

表2 離心通風(fēng)機仿真氣動性能表

圖2 離心通風(fēng)機壓力分布云圖

從仿真結(jié)果可以看出，工況點3和工況點6為風(fēng)機所需的兩個額定工況點，同時風(fēng)機整體壓力分布情況比較均勻流暢，理論上可以滿足變流器的多工況冷卻要求。

3 氣動方案試驗驗證

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1236-2000工業(yè)通風(fēng)機用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進行性能試驗，對該風(fēng)機樣機進行空氣動力性能測量。試驗采用D型裝置進行。試驗結(jié)果如表3。

然后將仿真結(jié)果和試驗測量結(jié)果相結(jié)合進行對比分析，具體如圖3所示。

表3 離心通風(fēng)機試驗測量氣動性能表

圖3 離心通風(fēng)機全壓、全壓效率—流量曲線圖

由以上結(jié)果可以看出，試驗測量結(jié)果與計算機仿真結(jié)果有一定的偏差，在工況點1(0.95 m3/s)和工況點2(1.45 m3/s)的偏差值分別為4.8%和8.1%，偏差值在工程應(yīng)用經(jīng)驗值(≤12%)所允許的范圍內(nèi)。同時該離心通風(fēng)機的高效工作區(qū)域在0.80 m3/s～1.45 m3/s之間，范圍比較廣，風(fēng)機氣動性能可以滿足動車組牽引輔助變流器的多工況應(yīng)用要求。

根據(jù)GB/T 3767-1996聲學(xué)聲壓法測定噪聲功率級反射面上方近似自由的工程法，測量風(fēng)機噪聲，結(jié)果如表4。

表4 離心通風(fēng)機噪聲值

根據(jù)GB/T 8689-2014通風(fēng)機振動檢測及其限制和GB/T 1032-2012三相異步電動機試驗方法，分別測量風(fēng)機和電機振動值，其結(jié)果如表5。

表5 離心通風(fēng)機振動值

從噪音測量表4和振動測量表5結(jié)果可以看出，該風(fēng)機是一種低噪、低振動的系統(tǒng)，達到國際先進水平，能很好的滿足用戶在表1中提出的使用需求。

4 結(jié)論

CRH5型高寒動車組變流器風(fēng)機在設(shè)計過程中不僅受到嚴(yán)格的空間和運行條件要求限制，而且還需滿足多工況點氣動性能要求，因此氣動方案設(shè)計具有復(fù)雜性。在設(shè)計過程中，風(fēng)機的氣動性能和噪聲是重點考慮因素。通過一維理論計算，合理選取了葉輪直徑、葉片進出口角度和最優(yōu)化匹配集流器、蝸殼等參數(shù)。為了進一步分析和優(yōu)化一維設(shè)計的風(fēng)機方案，采用Fluent模擬仿真計算，結(jié)果表明風(fēng)機方案滿足設(shè)計要求。通過實驗驗證分析，仿真結(jié)果同實驗結(jié)果趨勢一致，結(jié)果誤差較小，說明了該設(shè)計方法的有效性。采用一維理論、三維仿真模擬計算和實驗驗證相結(jié)合的方式，設(shè)計的該離心通風(fēng)機具有多工況、高效、低噪的氣動性能優(yōu)點，各項技術(shù)指標(biāo)達到國外同類產(chǎn)品的水準(zhǔn)，成功實現(xiàn)該產(chǎn)品的國產(chǎn)化，為公司贏得了該領(lǐng)域的市場份額，具有良好的經(jīng)濟效益。

[1] 李慶宜.通風(fēng)機[M].北京：機械工業(yè)出版社，1983：45-52.

[2] 王九長.通風(fēng)機設(shè)計新方法[J].風(fēng)機技術(shù)，2010(3):33-34.

[3] 譚長有，陳雪江.多工況、寬工況離心壓縮機的氣動方案設(shè)計風(fēng)機技術(shù)[J].風(fēng)機技術(shù)，2015(5)：31-35.

[4] 吳讓利，吳沛佳，秦國良，等.葉片型線對離心通風(fēng)機性能影響的研究：中國風(fēng)機學(xué)術(shù)論文集[C].《風(fēng)機技術(shù)》雜志社，2014.

[5] 張玉成，儀等利，馮殿義，等.通風(fēng)機設(shè)計與選型[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011：53-60.

[6] 張振彬，袁樹杰.基于fluent的采空區(qū)流場分布數(shù)值模擬分析[J].煤炭科技，2011(2)：17-19.

[7] 張應(yīng)遷，張洪才.ANSYS有限元分析從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2010:169-178.

[8] 巴鵬，李旭，任希文，張鵬飛.基于FLUENT技術(shù)的迷宮密封泄漏量分析[J].沈陽理工大學(xué)學(xué)報，2011，30(2)：8-11.

Design and verification of aerodynamic scheme for centrifugal fan in multiple load cases

LIU Meng’an，ZHAN Teng

In order to realize localization of the traction auxiliary converter fan of CRH5 alpine EMU, a centrifugal fan under multiple load cases was taken as the research object. In view of the special use conditions for the EMU, design and test of aerodynamic scheme for the centrifugal fan were carried out by FLUENT software. In order to improve the efficient working range to meet the demand of the EMU, throng the method of selecting the diameter of impeller, the import and export angle of blade, optimization matching collector and scroll casing reasonably. Research results showed that the centrifugal fan had advantages on the aerodynamic performance of multiple load cases, high efficiency and low noise. The technical indicators had reached the level of same products abroad to realize localization of the product.

centrifugal fan, impeller, multiple load cases, flow, static pressure

TH432;TK83

A

1002-6886(2016)06-0059-04

劉夢安(1983-)，女，工程師，主要從事軌道交通產(chǎn)品用通風(fēng)機的設(shè)計和降噪研究。

2016-07-06