王本義

（中車大連機車研究所有限公司，遼寧大連 116021）

0 引言

城際動車組是為城際鐵路而研制的新型軌道交通運輸車輛，具有運能大、乘坐方便、安全可靠和節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點，近年來得到廣泛應(yīng)用。因城際動車組運行于城市之間，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行過程中噪聲大的問題，本文從提高風(fēng)機效率降低聲源噪聲的角度，對無蝸殼離心風(fēng)機進行了優(yōu)化設(shè)計。

國內(nèi)外學(xué)者對離心風(fēng)機的優(yōu)化設(shè)計和降噪進行了廣泛的研究，通過耦合多種優(yōu)化算法，兼顧多個優(yōu)化目標，實現(xiàn)風(fēng)機性能的優(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、多點優(yōu)化設(shè)計方法，通過控制葉片形狀，提高風(fēng)機效率。劉小民[2]采用遺傳算法和三維流動數(shù)值模擬技術(shù)對離心葉輪進行了多目標自動優(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)機的設(shè)計，通過統(tǒng)計多款動車組風(fēng)機靜壓效率和噪聲，發(fā)現(xiàn)高效區(qū)域風(fēng)機噪聲最低。本文在參考以上研究的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法、實驗設(shè)計技術(shù)和三維流場仿真技術(shù)，對無蝸殼離心風(fēng)機的葉片數(shù)量、葉片形狀進行了優(yōu)化，使葉輪內(nèi)部流場達到最佳狀態(tài)，提升風(fēng)機的靜壓效率，使風(fēng)機工作在高效區(qū)域，從主動降噪的角度有效降低風(fēng)機噪聲。本文研究為今后無蝸殼離心風(fēng)機的優(yōu)化設(shè)計和降噪提供了一種新思路。

1 風(fēng)機參數(shù)及改進要求

1.1 離心風(fēng)機結(jié)構(gòu)組成及葉輪參數(shù)

該型離心風(fēng)機為無蝸殼后向離心風(fēng)機，由集流器、離心葉輪、電機和安裝板等組成，風(fēng)機結(jié)構(gòu)如圖1所示。葉輪是離心風(fēng)機的主要部件，該風(fēng)機采用了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)機結(jié)構(gòu)圖

圖2 原葉輪結(jié)構(gòu)

表1 原葉輪主要參數(shù)

1.2 改進要求

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)機提出了需求，風(fēng)機性能參數(shù)及冷卻單元噪聲限值如表2所示。按照GB/T 3767-2016[4]標準規(guī)定的噪聲測試方法，利用聲級計測試配有原風(fēng)機的冷卻單元各測點的聲壓級，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)機進行優(yōu)化。

表2 風(fēng)機性能參數(shù)及冷卻單元噪聲限值

2 風(fēng)機優(yōu)化及分析

2.1 原風(fēng)機數(shù)值仿真計算

根據(jù)原風(fēng)機的參數(shù)，運用UG軟件對風(fēng)機進行參數(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)機的氣動性能[6]。為了提高近壁面區(qū)域流動計算的準確性及計算效率，對葉輪內(nèi)部壁面附近的網(wǎng)格進行了加密控制和非等距處理，同時采用1/9周期對稱模型進行計算，并對計算網(wǎng)格進行了網(wǎng)格無關(guān)性驗證。由于風(fēng)機內(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)域在相對坐標系下求解，集流器在靜止坐標系下求解，動靜交界面（Frozen Rotor）用來傳遞信息。風(fēng)機進、出口邊界條件分別為流量進口、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)機模型進行了數(shù)值計算，仿真計算得到在1.75 m3/s流量下，風(fēng)機靜壓為1 272 Pa，風(fēng)機靜壓效率為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 優(yōu)化設(shè)計方案

2.2.1 優(yōu)化流程

根據(jù)上述分析，需要對葉片進出口角、前盤和葉輪直徑進行優(yōu)化[8]，為了提高風(fēng)機效率和降低噪音，葉輪采用無葉擴壓器，無葉擴壓器能減少葉輪出口渦流強度，改善葉輪出口氣體的流動，可以適當提高風(fēng)機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)機性能優(yōu)化流程如圖4所示。

圖4 優(yōu)化流程圖

2.2.2 實驗設(shè)計及參數(shù)選擇

根據(jù)在滿足風(fēng)機安裝尺寸的前提下，初選風(fēng)機參數(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)機性能的影響，確定最佳風(fēng)機方案。初始選定Z=5、7、9；β1A=10～13.5；β2A=30～36.5。對于同一款風(fēng)機，優(yōu)化風(fēng)機流場，使葉輪內(nèi)部流場更加順暢，風(fēng)機效率將會提高，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]制定實驗設(shè)計方案，利用CFX對實驗方案進行計算，試驗方案及計算結(jié)果如表4所示。

表3 初選風(fēng)機參數(shù)

表4 實驗設(shè)計方案及計算結(jié)果

根據(jù)表4中的試驗結(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)機靜壓效率最優(yōu)點，求解得到葉片進口角β1A=11.65h，出口角β2A=33.5h。

圖6 靜壓和效率的等高線圖

2.3 結(jié)果驗證

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)機進行性能仿真計算。仿真計算得到在1.75 m3/s流量下，風(fēng)機靜壓為1 132 Pa，風(fēng)機靜壓效率為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

為了驗證優(yōu)化后結(jié)果的可靠性，本文對優(yōu)化后的風(fēng)機按照GB/T 1236-2017[11]進行了性能試驗，并配牽引變壓器冷卻單元進行噪聲測試，優(yōu)化后風(fēng)機在設(shè)計工況下的試驗結(jié)果如表5所示。

表5 優(yōu)化后風(fēng)機試驗結(jié)果

對比優(yōu)化前后的風(fēng)機性能，從仿真結(jié)果看，優(yōu)化后風(fēng)機靜壓降低了140 Pa，但風(fēng)機靜壓效率提高了8.54%；從配冷卻單元噪聲試驗結(jié)果看，比原風(fēng)機噪聲降低了4.47 dB(A)，優(yōu)化后噪聲滿足使用要求。

3 結(jié)束語

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)機進行了優(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)機的改進和優(yōu)化；

（2）葉片進出口角和葉片數(shù)量對風(fēng)機靜壓效率有較大影響，選擇合適的葉片數(shù)量及最佳進出口角，有利于風(fēng)機內(nèi)部流場順暢，提高風(fēng)機靜壓效率；

（3）優(yōu)化后風(fēng)機靜壓降低了140Pa，風(fēng)機靜壓效率提高了8.54%，風(fēng)機噪聲降低了4.47 dB(A)。