王本義
(中車大連機(jī)車研究所有限公司,遼寧大連 116021)
城際動車組是為城際鐵路而研制的新型軌道交通運(yùn)輸車輛,具有運(yùn)能大、乘坐方便、安全可靠和節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn),近年來得到廣泛應(yīng)用。因城際動車組運(yùn)行于城市之間,為減少車輛噪音對周邊居民的影響,城際動車組對各主要部件提出了嚴(yán)苛的噪音要求。為了解決某型城際動車組牽引變壓器冷卻單元在運(yùn)行過程中噪聲大的問題,本文從提高風(fēng)機(jī)效率降低聲源噪聲的角度,對無蝸殼離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。
國內(nèi)外學(xué)者對離心風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計和降噪進(jìn)行了廣泛的研究,通過耦合多種優(yōu)化算法,兼顧多個優(yōu)化目標(biāo),實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)性能的優(yōu)化。Bonaiuti[1]通過耦合響應(yīng)面法及流場分析技術(shù)建立了離心葉輪多目標(biāo)、多點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計方法,通過控制葉片形狀,提高風(fēng)機(jī)效率。劉小民[2]采用遺傳算法和三維流動數(shù)值模擬技術(shù)對離心葉輪進(jìn)行了多目標(biāo)自動優(yōu)化設(shè)計。李瑜[3]從降噪角度分析CRH系列動車組冷卻裝置風(fēng)機(jī)的設(shè)計,通過統(tǒng)計多款動車組風(fēng)機(jī)靜壓效率和噪聲,發(fā)現(xiàn)高效區(qū)域風(fēng)機(jī)噪聲最低。本文在參考以上研究的基礎(chǔ)上,采用響應(yīng)面法、實(shí)驗(yàn)設(shè)計技術(shù)和三維流場仿真技術(shù),對無蝸殼離心風(fēng)機(jī)的葉片數(shù)量、葉片形狀進(jìn)行了優(yōu)化,使葉輪內(nèi)部流場達(dá)到最佳狀態(tài),提升風(fēng)機(jī)的靜壓效率,使風(fēng)機(jī)工作在高效區(qū)域,從主動降噪的角度有效降低風(fēng)機(jī)噪聲。本文研究為今后無蝸殼離心風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計和降噪提供了一種新思路。
該型離心風(fēng)機(jī)為無蝸殼后向離心風(fēng)機(jī),由集流器、離心葉輪、電機(jī)和安裝板等組成,風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。葉輪是離心風(fēng)機(jī)的主要部件,該風(fēng)機(jī)采用了9個均布的后向單圓弧板型葉片離心葉輪,離心葉輪由前盤、葉片、后盤和軸盤組成,葉輪結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示,原始葉輪參數(shù)如表1所示。
圖1 離心通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖
圖2 原葉輪結(jié)構(gòu)
表1 原葉輪主要參數(shù)
根據(jù)牽引變壓器對冷卻單元散熱功率及噪聲的要求,對風(fēng)機(jī)提出了需求,風(fēng)機(jī)性能參數(shù)及冷卻單元噪聲限值如表2所示。按照GB/T 3767-2016[4]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的噪聲測試方法,利用聲級計測試配有原風(fēng)機(jī)的冷卻單元各測點(diǎn)的聲壓級,計算冷卻單元噪聲聲功率為101.97 dB(A),該噪音值遠(yuǎn)超過冷卻單元噪聲限值。為了滿足冷卻單元噪音要求,對作為噪聲源的風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化。
表2 風(fēng)機(jī)性能參數(shù)及冷卻單元噪聲限值
根據(jù)原風(fēng)機(jī)的參數(shù),運(yùn)用UG軟件對風(fēng)機(jī)進(jìn)行參數(shù)化建模[5],利用商業(yè)軟件CFX模擬了葉輪內(nèi)部的流動,獲得了離心風(fēng)機(jī)的氣動性能[6]。為了提高近壁面區(qū)域流動計算的準(zhǔn)確性及計算效率,對葉輪內(nèi)部壁面附近的網(wǎng)格進(jìn)行了加密控制和非等距處理,同時采用1/9周期對稱模型進(jìn)行計算,并對計算網(wǎng)格進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。由于風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動馬赫數(shù)小于0.3,屬于不可壓縮流動,所以對離心風(fēng)機(jī)的氣動性能采用定常計算。定常流動計算時采用了多參考系(MRF)方法,葉輪區(qū)域在相對坐標(biāo)系下求解,集流器在靜止坐標(biāo)系下求解,動靜交界面(Frozen Rotor)用來傳遞信息。風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口邊界條件分別為流量進(jìn)口、靜壓出口,采用k-ε湍流模型,穩(wěn)態(tài)流場采用SIMPLEC算法計算。
采用上述的計算模型、網(wǎng)格和數(shù)值計算方法對原始設(shè)計的風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行了數(shù)值計算,仿真計算得到在1.75 m3/s流量下,風(fēng)機(jī)靜壓為1 272 Pa,風(fēng)機(jī)靜壓效率為56.86%,葉輪內(nèi)部流線分布如圖3所示。由圖可知,在葉輪內(nèi)葉片中部流場分布均勻,無渦流存在;但在靠近后盤處和靠近前盤處葉片出口存在渦流,流場紊亂,造成葉輪性能不佳,效率較低,噪聲較高[7]。
圖3 原葉輪內(nèi)部流線分布圖
2.2.1 優(yōu)化流程
根據(jù)上述分析,需要對葉片進(jìn)出口角、前盤和葉輪直徑進(jìn)行優(yōu)化[8],為了提高風(fēng)機(jī)效率和降低噪音,葉輪采用無葉擴(kuò)壓器,無葉擴(kuò)壓器能減少葉輪出口渦流強(qiáng)度,改善葉輪出口氣體的流動,可以適當(dāng)提高風(fēng)機(jī)葉輪效率和降低噪聲[9]。為了從冷卻單元通風(fēng)系統(tǒng)匹配的校對降低系統(tǒng)噪聲,盡可能使風(fēng)機(jī)工作在高效區(qū)附近,根據(jù)原型葉輪的性能計算結(jié)果,葉片出口直徑D2可減小至380 mm。風(fēng)機(jī)性能優(yōu)化流程如圖4所示。
圖4 優(yōu)化流程圖
2.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計及參數(shù)選擇
根據(jù)在滿足風(fēng)機(jī)安裝尺寸的前提下,初選風(fēng)機(jī)參數(shù)如表3所示,并按照葉輪參數(shù)建立參數(shù)化流體仿真計算模型[10],通過響應(yīng)面優(yōu)化方法,研究葉輪的Z、β1A、β2A對風(fēng)機(jī)性能的影響,確定最佳風(fēng)機(jī)方案。初始選定Z=5、7、9;β1A=10~13.5;β2A=30~36.5。對于同一款風(fēng)機(jī),優(yōu)化風(fēng)機(jī)流場,使葉輪內(nèi)部流場更加順暢,風(fēng)機(jī)效率將會提高,噪聲會降低。因此,響應(yīng)變量選擇靜壓與靜壓效率,在滿足靜壓要求的情況下,靜壓效率盡可能高。采用Box-Behnken方法[2]制定實(shí)驗(yàn)設(shè)計方案,利用CFX對實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行計算,試驗(yàn)方案及計算結(jié)果如表4所示。
表3 初選風(fēng)機(jī)參數(shù)
表4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計方案及計算結(jié)果
根據(jù)表4中的試驗(yàn)結(jié)果,繪制β1A=11.75h、β2A=33.25h時,不同葉片數(shù)的靜壓和效率隨葉片數(shù)Z變化曲線,如圖5所示。由圖可知,葉輪靜壓效率與最佳葉片數(shù)相關(guān),葉片過多或過少,靜壓效率均降低;在一定的進(jìn)口角和出口角條件下,靜壓隨葉片數(shù)增加而增大。在滿足靜壓要求的情況下,葉片數(shù)Z=7時,靜壓效率較高,由此確定葉輪葉片數(shù)量選用7片。
圖5 β1A=11.75h、β2A=33.25h時,不同葉片數(shù)下靜壓與效率曲線
靜壓和靜壓效率等高線圖如圖6所示,從圖中可以看出,在效率等高線中出現(xiàn)風(fēng)機(jī)靜壓效率最優(yōu)點(diǎn),求解得到葉片進(jìn)口角β1A=11.65h,出口角β2A=33.5h。
圖6 靜壓和效率的等高線圖
根據(jù)上述計算求得的最優(yōu)解,即D2=380 mm、Z=7、β1A=11.65h、β2A=33.5h。利用CFX對風(fēng)機(jī)進(jìn)行性能仿真計算。仿真計算得到在1.75 m3/s流量下,風(fēng)機(jī)靜壓為1 132 Pa,風(fēng)機(jī)靜壓效率為65.4%,葉輪內(nèi)部流線分布如圖7所示。由圖可知,在葉輪內(nèi)流場分布均勻,無明顯渦流存在,優(yōu)化后葉輪靜壓滿足要求,葉輪效率較高。
圖7 原葉輪內(nèi)部流線分布圖
為了驗(yàn)證優(yōu)化后結(jié)果的可靠性,本文對優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)按照GB/T 1236-2017[11]進(jìn)行了性能試驗(yàn),并配牽引變壓器冷卻單元進(jìn)行噪聲測試,優(yōu)化后風(fēng)機(jī)在設(shè)計工況下的試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。
表5 優(yōu)化后風(fēng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果
對比優(yōu)化前后的風(fēng)機(jī)性能,從仿真結(jié)果看,優(yōu)化后風(fēng)機(jī)靜壓降低了140 Pa,但風(fēng)機(jī)靜壓效率提高了8.54%;從配冷卻單元噪聲試驗(yàn)結(jié)果看,比原風(fēng)機(jī)噪聲降低了4.47 dB(A),優(yōu)化后噪聲滿足使用要求。
本文采用數(shù)值模擬與響應(yīng)面相結(jié)合的方法,對某城際動車組牽引變壓器冷卻單元用離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化研究,通過對氣動性能及噪聲的分析,可以得到以下結(jié)論:
(1)將數(shù)值模擬方法與響應(yīng)面方法相結(jié)合,能夠用于離心風(fēng)機(jī)的改進(jìn)和優(yōu)化;
(2)葉片進(jìn)出口角和葉片數(shù)量對風(fēng)機(jī)靜壓效率有較大影響,選擇合適的葉片數(shù)量及最佳進(jìn)出口角,有利于風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場順暢,提高風(fēng)機(jī)靜壓效率;
(3)優(yōu)化后風(fēng)機(jī)靜壓降低了140Pa,風(fēng)機(jī)靜壓效率提高了8.54%,風(fēng)機(jī)噪聲降低了4.47 dB(A)。