張曉芳，楊帆

窄軌交流傳動機車新型通風系統(tǒng)性能匹配研究

張曉芳1，楊帆2

(中車戚墅堰機車有限公司技術中心，江蘇 常州 213011)

針對某型窄軌交流傳動內燃機車前轉向架牽引電機/牽引變流器提出的新型通風系統(tǒng)進行分析與研究，結合新型冷卻部件的性能要求、結構特點和車架風道結構的設計難點，采用三維定常、可壓縮N-S方程和-湍流模型對系統(tǒng)風道內流場進行了模擬計算，通過對該新型通風系統(tǒng)風道結構的優(yōu)化設計，實現(xiàn)風道內3個出口流量分配不均勻度小于10%的目標，且各電機進口流量均滿足1.69 kg/s的設計要求，在有限的機車空間內達到系統(tǒng)性能的最佳匹配。該成果為后續(xù)新型冷卻模式的推廣使用，進一步優(yōu)化機車布局，提高機車效率奠定基礎。

窄軌交流傳動機車；新型通風系統(tǒng)；性能匹配

近幾年，隨著與國際化的進一步接軌，窄軌交流傳動內燃機車的市場需求日益增多。同時重載鐵路技術的不斷提升以及交流傳動機車技術性能等級的提高，給機車大部件的集成化和模塊化也提出了更高的要求，機車的研發(fā)也遭遇了新的挑戰(zhàn)。由于交流傳動內燃機車空間的局限性以及車載設備的增加，一些傳統(tǒng)的機車布局結構形式已無法滿足整車的性能要求，為此，采用先進設計手段在機車上進行創(chuàng)新性設計勢在必行。本文提及的這型窄軌交流傳動內燃機車，需冷卻的電機電器部件包括主發(fā)電機、前轉向架牽引電機、后轉向架牽引電機、牽引變流器及制動電阻等。由于窄軌機車內部空間小，加之變流設備的增設，傳統(tǒng)的各自獨立的通風冷卻模式[1]已無法滿足該型機車的布局要求。為此，針對上述難題，前轉向架牽引電機和牽引變流器的冷卻，采用了一種新型冷卻模式，即將2大類部件的冷卻合二為一，實施聯(lián)合冷卻模式。

1 新型冷卻模式及特點

本文提出的新型冷卻模式，是針對交流電器部件體積大、機車空間小等特點而實施的一種新型通風冷卻布局方案，即將風冷部件(牽引電機)和水冷部件(牽引變流柜內的變流器模塊)的冷卻模式進行有機結合，充分利用各環(huán)節(jié)冷卻的溫度梯度，對發(fā)熱設備進行有效冷卻。具體表現(xiàn)在，變流器模塊與牽引電機采用同一冷卻塔作為冷卻通風單元。變流器模塊的冷卻模式不變，仍然采用冷卻塔[2]內的風機作為風源動力，通過冷卻塔上的散熱器將模塊的熱量帶走。此時，由于經與高溫冷卻液熱交換后的散熱器出口空氣溫度相對于牽引電機內繞組的溫度還存在很大的溫差，因此利用這一溫度梯度，可繼續(xù)對前轉向架牽引電機進行通風冷卻。

空氣在此系統(tǒng)中的流向為：外界空氣——聯(lián)合冷卻塔散熱器——聯(lián)合冷卻塔風機——車體風道——前轉向架牽引電機——大氣。

這種聯(lián)合冷卻模式，與傳統(tǒng)獨立冷卻模式相比，有其獨有的特點和創(chuàng)新點：

1) 集成化和模塊化程度高，與在機車上分別為受冷部件設置獨立冷卻單元的傳統(tǒng)布局相比，充分縮減了通風冷卻設備在機車上的占用空間，優(yōu)化了機車整體布置。

2) 將牽引變流柜冷卻塔風機與牽引電機通風機進行有機整合，有效降低了機車輔助功率，提高了機車效率。通過對該機車兩種方案的分析計算，整合前，牽引變流器和牽引電機消耗的總的冷卻功率為96 kW(含1個變流器冷卻塔風機和前、后轉向架2個牽引電機風機)，整合后兩者消耗的輔助功率為(含1個變流器/前轉向架牽引電機冷卻塔風機和1個后轉向架牽引電機風機)80 kW，總輔助功率可降低16 kW。

3) 新型冷卻塔設備通過對材料和結構的優(yōu)化，大大降低了整車重量，滿足機車輕量化結構需求。

聯(lián)合冷卻的新模式具有許多優(yōu)越性，但同時又給聯(lián)合冷卻塔的設計帶來了新的難度。由于經熱交換后的空氣會流經相關風道，繼續(xù)冷卻牽引電機，而通常車架風道較長且結構形狀不規(guī)則，這無疑會增加整個系統(tǒng)的管網阻力，因此，必須通過冷卻塔風機的合理選型以及牽引電機冷卻風道結構優(yōu)化設計，使冷卻通風系統(tǒng)具有良好匹配性能，才能獲得設計所要求的的系統(tǒng)性能。

2 通風系統(tǒng)性能匹配原理及系統(tǒng)設計邊界要求

2.1 通風系統(tǒng)性能匹配原理

為作好整個系統(tǒng)性能匹配工作，首先從原理上要明確功能部件(聯(lián)合冷卻塔)與管網之間的關系。

由新型聯(lián)合冷卻塔與所在的管網共同構成了前轉向架牽引電機/牽引變流器新型通風系統(tǒng)。所謂管網[3]就是風機工作的系統(tǒng)，包括通風管道及其附件如過濾器、牽引電機、調節(jié)閥門等的總稱。如圖1所示。

注：1-1截面為吸氣管道進口截面；2-2截面為吸氣管道出口(通風機的進口)截面；3-3截面為排氣管道進口(通風機出口)截面；4-4截面為排氣管道出口截面。

可通過吸風段截面1-1～出風段截面4-4間各截面的伯努利方程[4]，得出風機全壓

1) 通過風機與不漏管網的氣體流量完全相等；

圖2反應了風機與管網阻力之間的關系，曲線交點即為工況點，只有當工況點對應的流量和壓力滿足系統(tǒng)要求時，可以說系統(tǒng)實現(xiàn)了良好的性能匹配。

注：1—P(全壓曲線)；2—Pst(靜壓曲線)；3—R(管網阻力曲線)

由此可以看出，系統(tǒng)的良好匹配體現(xiàn)在風機性能的良好發(fā)揮。風機全壓參數(shù)的確定，除了與管網相關附件的阻力有關外，最大的影響因素就是管網中的風道結構。它與風道結構、尺寸、氣流速度有關。另外，由于該型窄軌機車的輪徑較大，導致車體架高度空間較小，這就限制了風道腔體的高度，給風道結構設計帶來了許多不利因素。因此，為了實現(xiàn)系統(tǒng)的良好匹配，需采用流體動力學分析手段對風道進行優(yōu)化，最大程度降低風道阻力。

2.2 牽引電機/牽引變流器通風系統(tǒng)設計邊界要求

在優(yōu)化風道結構前，需明確系統(tǒng)設計的邊界條件。首先根據風機布置允許的空間大小以及風機產品平臺，提出冷卻塔風機性能參數(shù)的初始值。然后依據管網內附件的設置情況、牽引電機的冷卻要求以及系統(tǒng)工作環(huán)境，提出整個通風系統(tǒng)設計的邊界條件。

2.2.1 牽引電機/牽引變流器冷卻塔風機主要技術參數(shù)

該冷卻塔的結構型式特點及風機的比轉數(shù)，決定了其內置風機的結構型式為軸向離心式通風機，也稱為混流式通風機[5]。這種風機相比于軸流風機，能獲得較高的靜壓值。

設計時應考慮最惡劣的環(huán)境工況，即大氣環(huán)溫40 ℃時，冷卻塔風筒出口最高溫度為63 ℃；海拔高度按0 m考慮。最終風機參數(shù)全部折算成標準工況時的性能。

冷卻塔風機參數(shù)：轉速=3 000 r/min；

風量=4.7 m3/s(20 ℃)；

全壓≥4 500 Pa(20 ℃)；

出口全壓≥3 900 Pa(20 ℃)；

冷卻塔風筒出口尺寸：790 mm。

風道的3個出口處分別通向前轉向架三位牽引電機，每個子通道出風口尺寸為490 mm × 137 mm；出口背壓為2 900 Pa以上(20 ℃)。

2.2.2 牽引通風系統(tǒng)設計的邊界要求

要求車架風道各出風口的風量均勻分布，并滿足前轉向架三位牽引電機的風量要求，且不均勻度應小于10%，即各出口風量約為1.69 kg/s，確保出口壓力2 900 Pa(20 ℃)以上。

3 前轉向架牽引電機車架風道的仿真優(yōu)化設計

3.1 原始車架風道的流場分析

根據流場的特點在建模前做以下假設：1) 空氣為穩(wěn)定流動；2) 氣體不可壓；3) 忽略重力影響。

根據上面假設將流體連續(xù)方程及N-S方程[6]表示如下：

連續(xù)方程：

N-S方程：

式中：u，u和u為速度在3個坐標軸的分量；為流體密度；為流體運動黏度；為壓力。

在分析計算過程中，選擇標準-湍流模型[7]，標準壁面函數(shù)。并采用自適應良好的四面體網格進行劃分，總體網格數(shù)量為200萬，網格質量良好。選用流量進口(總流量5.08 kg/s)、壓力出口為邊界條件，進行三維定常計算。牽引電機阻力特性根據電機臺架試驗測得。

Fluent采用有限體積法[8]求解N-S方程，數(shù)值通量用迎風格式計算，守恒變量用隱式方法計算[8]。

通過CFD模擬計算，前轉向架車架風道優(yōu)化前的網格模型及速度矢量圖見圖3和圖4。

圖3 優(yōu)化前前轉向架牽引電機風道網格模型

從CFD速度矢量圖可以看出，該車架風道結構不合理，流體在空腔內形成了較大的分離，動能損失大；且各個子風道內速度分布不合理，變化梯度較大，造成風道3個出風口風量分配不均勻。冷卻風道的1出口流量最大，與流量最小的2出口的差值為26%，超過了出口的流量不均勻度必須小于10%的設計要求，所以需要對冷卻風道的結構進行優(yōu)化。

圖4 優(yōu)化前前轉向架牽引電機風道速度矢量圖

3.2 風道的結構優(yōu)化

由于前轉向架牽引電機風道周圍還要安裝其他設備，所以風道的尺寸不可以向外部擴大，只可以向內部改變。從圖5可以看出，原風道結構棱角分明，變截面未形成漸變。

圖5 牽引電機風道優(yōu)化前幾何模型(俯視)

為了盡可能地減小風道內的旋渦強度，使風道出口的流量波動更小以及分配得更加均勻，在現(xiàn)有結構的基礎上，對風道結構進行了幾處優(yōu)化[9]，見圖6。

1) 牽引電機風道的主干道采取截面漸變過渡形式，減少了因突變造成能量損失。

2) 在車架風道的各子風道出口處增加風柵，使各個風道出口處流場更加均勻。

3.3 優(yōu)化后風道的仿真分析

為保證優(yōu)化后CFD分析結果的可比性，優(yōu)化前后對模型做相同的簡化，選擇相同的網格尺寸進行網格劃分，并采用了相同湍流模型和邊界條件。優(yōu)化后網格模型和數(shù)值模擬分別如圖7和圖8所示。從圖中可以明顯看出：風道內氣體的流動狀況較優(yōu)化前有了很大的改善，3個風道的流速分配較為均勻，且流速也較為平穩(wěn)。

圖6 牽引電機風道優(yōu)化后幾何模型(俯視)

圖7 優(yōu)化后風道網格模型

圖8 優(yōu)化后風道速度矢量圖

通過監(jiān)控優(yōu)化前后模型進出口流量是否不再變化以及流量平衡來判斷分析過程是否收斂，分析獲得了進出口流量數(shù)據如表1所示。

表1 前轉向架牽引電機風道優(yōu)化前后進、出口流量分布及阻力

通過匹配優(yōu)化，3個電機入口流量均超過要求值1.69 kg/s，且流量分配不均勻度為3%，小于10%的要求。滿足尺寸大小的冷卻塔內置風機性能完全滿足牽引電機的通風要求。從試驗的角度對優(yōu)化方案進行測試分析，進一步驗證優(yōu)化方案的可行性。

4 試驗驗證

4.1 臺架模擬試驗

為了驗證模擬分析計算的準確性，確保系統(tǒng)上車后能滿足整車性能要求，根據GB/T 1236—2017《工業(yè)通風機用標準化風道進行性能試驗》[10]，對前轉向架牽引電機通風系統(tǒng)最終方案進行了系統(tǒng)模擬試驗。

如表2，通過對試驗結果與數(shù)值仿真計算結果之間的對比，不難看出，試驗實測與計算得出的流量值分布基本一致，均大于設計流量1.69 kg/s的要求；流量分配不均勻性雖說相比于計算值偏大，但仍在10%的設計要求范圍內；實測風道阻力值與計算值偏差4.8%，小于設計要求值1 000 Pa。這一系列對比進一步驗證了模擬分析的準確性。

表2 前轉向架牽引電機風道模擬試驗與模擬計算對比值

4.2 現(xiàn)場試驗驗證

通過對該型窄軌交流內燃機車整個通風系統(tǒng)，包括新型冷卻部件及相匹配牽引電機風道的綜合分析，完成并通過了相關部件的型式試驗，同時裝車進行了性能匹配考核試驗，對前轉向架各位牽引電機進風口進行了相關測試[11]，數(shù)據如表3。

表3 某型窄軌交流內燃機車1號機車前轉向架牽引電機靜壓測試數(shù)據

由測試數(shù)據可以看出：前轉向架三位牽引電機進口靜壓值均大于6.5inH2O(合1 618 Pa)，完全滿足該型機車牽引電機的冷卻要求。

5 結論

1) 對于該型機車空間小，交流部件大等特點，牽引電機和牽引變流器的冷卻采用了一種新型聯(lián)合冷卻模式，即風冷和水冷部件冷卻合二為一，實施聯(lián)合冷卻，采用新型集成冷卻塔。

2) 根據新型冷卻塔對系統(tǒng)風機大小及性能要求，采用了仿真手段對系統(tǒng)風道內流場進行了模擬計算，通過對風道結構的優(yōu)化，實現(xiàn)了風道3個出口流量分配不均勻度小于10%的目標，且各電機進口流量均滿足1.69 kg/s的設計要求，在有限的機車空間內達到了系統(tǒng)性能的最佳匹配。

3) 新型冷卻模式的采用，有效降低了機車輔助功率，提高了機車效率。通過對該機車傳統(tǒng)模式和新型模式2種方案的分析計算，整合前，牽引變流器和牽引電機消耗的總冷卻功率為96 kW，整合后兩者消耗的總冷卻功率為80 kW，總冷卻功率可降低16 kW。

4) 該成果為后續(xù)新型冷卻模式的推廣使用，進一步優(yōu)化機車布局，提高機車效率奠定了基礎。

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Research on performance matching of new-type ventilation system of the narrow-gauge AC transmission locomotive

ZHANG Xiaofang1, YANG Fan2

(Technology Center, CRRC Qishuyan Locomotive Co., Ltd, Changzhou 213011, China)

In this paper, a new ventilation system for front bogie traction motor/traction converter of a certain narrow-gauge AC transmission diesel locomotive was analyzed and studied. Combining the performance requirements, structural characteristics of the new cooling components and the design difficulties of the relative air duct structure, the flow field in the system duct was simulated by using three-dimensional steady, compressible N-S equation and-turbulence model. After structural optimization design, the non-uniformity of flow distribution at three outlets in the duct was less than 10%, and the inlet flow for each motor meets the design requirement of 1.69 kg/s, thus the best performance matching of the system in the limited locomotive space was achieved. It lays a foundation for the popularization and application of the new cooling mode, the further optimization of locomotive layout and the improvement of locomotive efficiency.

narrow-gauge AC transmission locomotive; new type ventilation system; performance matching

U262.2

A

1672 ? 7029(2019)10? 2578 ? 06

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.10.026

2019?06?24

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2017YFB1201302)

張曉芳(1972?)，女，福建浦城人，教授級高工，從事內燃機車系統(tǒng)設計；E?mail：zxf13861278986@163.com

(編輯 蔣學東)