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大功率机车用轴流冷却风机叶轮的改进设计

杨晓清 王晓放 徐胜利* / 大连理工大学能源与动力学院    

摘要:大功率电力机车发动机用冷却风机是保证机车运行安全的重要设备,但目前国内该类车用冷却风机主要依赖进口。论文在一维设计基础上,通过三维数值软件NUMECA对某大功率8轴机车用轴流冷却风机叶轮进行方案分析并改进设计,获得了性能较好的叶轮模型。在满足外形尺寸不变及限制功率的前提下,降低转速和流量,实现了出口风压相对提高并改善了效率,该冷却风机已装车运行。
关键词:轴流风机;叶轮;改进设计;数值模拟
中图分类号:TH432.1 文献标志码:A
The Improved Design of High-power Locomotive Axial Flow Cooling Fan Impeller
Abstract: The cooling fan of high-power electric locomotive engine is an important equipment that can guarantee locomotive operation safety, but now domestic cooling fans for locomotive mainly depend on import. In this paper, an axial flow cooling fan impeller for high-power 8 axle locomotive is analyzed and improved through three dimensional numerical software NUMECA based on one dimensional design. Finnaly an impeller model which has a better performance is obtained. In basically unchanging the physical size and limiting the power, reducing the speed and flow rate, and the outlet pressure is improved relatively and the efficiency is better, and the cooling fan has loading operation on locomotive.
Key words: axial flow fan; impeller; improving design; numerical simulation
0 引言
  轴流式通风机广泛应用于国民经济的各个领域,如矿井、空气调节、纺织、烧结、电站、隧道、冷却以及大型风洞[1] 。由于国内机车高速、重载的要求不断提高,机车动力设备发热量增加。为了确保机车安全稳定地运行,对冷却机车发热部件专用冷却风机的技术要求不断提高。目前,我国大功率机车多采用进口冷却风机,但在某些新型机车使用条件改变的情况下,进口风机采购周期长、成本高以及维修不便等问题难以满足国内铁路交通运输事业发展的要求。因此,发展冷却风机国产化具有重要意义。
  冷却风机是机车动力装置中的重要设备,其工作性能影响着整个机车的运行状况及安全。现有轴流冷却风机在运行条件改变时,会出现效率降低、压力降低、可靠性变差和噪声增大的问题,不能满足使用要求,因此需要对其进行改进设计。在改进设计过程中,受车厢结构形状、进出口流道及运行条件的影响,冷却风机的改进设计难度较大[2]
  CFD在叶轮机械气动设计方面的重要性可能要高于其他工程应用,如果脱离了CFD的帮助,叶轮机械设计上的困难将会是不可想象的[3] 。目前,这种数值模拟的方法可以模拟复杂程度极高的粘性、非定常流动,得到复杂流动现象中的细微结构,便于做孤立因素的优化分析,从而发现一些理论解不出、实验测不到的新现象[4]
  本文以某机车用轴流冷却风机数据为基础,根据8轴机车新要求,对其叶轮进行多方案改进设计并获得多组结构数据,以此为基础建立叶片以及叶轮实体模型,采用CFD软件NUMECA对叶轮内部流场进行了深入分析与研究,经过性能对比及制造需求,确定了最终的叶轮方案,并完成制造样机及气动试验验证。最终达到了在外形尺寸不变、转速降低、流量降低、功率不超限的前提下,实现了风压基本不变并改善了效率。
1 改进要求及方案分析
  表1中给出了原风机设计参数与新风机的设计要求。由于国内实际工程需要,电机频率和电压需要改变,电机转速降低为1 450r/min,同时要求出口风压尽可能保持不变,功率限制在19kW以内并尽可能提高效率,流量可降低为7.5m3/s。新设计要求与原设计要求相比,额定风量降低了20.21%,转速降低了17.61%,同时风机外形尺寸和功率都受到严格的限制,要保证出口风压基本不变以及效率的提高,根据风机特性初步分析,这种改进十分具有挑战性。

表 1 原风机设计参数与新风机设计要求

风量/(m3/s)

静压升/Pa

转速(r/min)

功率/kW

电机电压/V

电机频率/Hz

原参数

9.4

1 505

1 760

19

460

60

新要求

7.5

1 505

1 450

< 19

380

50

  影响轴流风机性能的主要因素有:叶片安装角βa、径向间隙δ、转速n及叶片数Z[5] 。由于叶轮外形尺寸受到严格限制,为了满足减少流量及转速而不降低风压的新设计要求,需要重新设计叶轮叶片。从减小流动损失、提高效率的角度考虑,为了适应不同截面上的速度三角形,应当采取改变叶片安装角和改变叶片扭曲规律的方法;从增加做功量、减少流量的角度考虑,应当采取增加叶片数及增大气流折转角的方法。对上述方法进行组合以形成不同数组的新设计方案。
2 数值模拟分析方法
2.1 网格划分

  为了减少设计周期,确定改进设计后选定的叶轮较原叶轮在新设计要求下能否有效地改善性能,应用CFD软件NUMECA对改进叶轮进行数值模拟。
  计算机网络质量是决定一个数值计算成功与否的关键因素之一,目前数值计算采用的网格可分为结构化与非结构化网格两大类[6] 。根据改进设计的叶轮几何结构数据建立三维实体模型,并应用NUMECA软件包中的Autogrid5模块生成该轴流叶轮的单通道计算网格,不同模型的网格节点数范围是914 981~9 971 249,经过调试,网格质量良好,各项参数满足数值计算的要求。计算网格见图1。

2.2 计算方法
  数值计算采用NUMECA软件包中Fine/Turbo模块的EURANUS 求解器求解三维定常雷诺平均的Navier-Stokes方程组。
  固定于转子的相对直角坐标系下的雷诺平均Navier-Stokes方程可以写成下面统一的矢量形式:

式中:FIFv分别代表无粘矢通量和粘性矢通量; Q为源项[7] 。通量FIFv在直角坐标系下可分解成3个分矢量的形式:

   

  计算中采用S-A湍流模型及网格中心式有限体积法,通过Jameson二阶中心差分格式进行空间离散,由四阶Runge-Kutta法进行时间推进,并使用了多重网格技术,结合变时间步长及残差光顺的方法以加快数值模拟计算收敛速度[8]
  由于叶轮处于冷却系统中段,并非直接连通大气,因此在计算中根据冷却通风机的工作条件及相关经验给定了计算边界条件,工作介质为可压缩空气。进口轴向进气给定流量和静温,出口给定平均静压,固壁为绝热无滑移边界,叶轮转速为r=1 450r/min。
3 计算结果及分析
  在设计过程中,不但对原始叶轮在新设计工况下做了数值模拟分析校核,同时针对原风机叶轮通过改变叶型弯角、叶片数及叶片安装角等多个方案分别进行了详细的数值模拟分析,其部分计算结果见表2。

表 2 不同方案叶轮的主要性能参数

方案

原始

a

b

c

d

e

f

g

叶片数 / 片)

9 ~ 11

叶片安装角 / °

35.8 °~ 44 °

叶型弯角变化

减小

增加

流量 /( kg/m 3 )

9.10

8.71

8.71

8.71

9.10

9.10

9.10

9.10

等熵效率 / %

79.98

79.94

78.31

77.61

72.01

81.97

84.57

81.81

功率 / k W

13.11

11.01

13.31

13.41

14.67

17.76

15.23

17.22

静压升 / Pa

998.3

857.2

1022

1017

916.1

1339

1242

1294

全压 / Pa

1336

1166

1392

1395

1365

1885

1659

1816

  表2中并未列出超出19kW功率限制的方案。通过数值计算结果发现,在外形尺寸受到严格限制、转速大幅度下降、流量也有所下降的前提下,该轴流叶轮很难达到静压升依然保持1 505Pa。按照工程实际需要,要求首先保证功率限制以及尽可能的提高风机静压升,其次保证效率,最终确定方案e的数值模拟结果较为适合,即初步定为基本满足工程需要的方案,本文主要针对改进方案进行分析。
  图2为改进后确定方案的轴流风机叶轮示意图。图3和图4为原风机和改进风机在新工况下叶片平均中径处静压以及相对速度分布云图,图5为叶片表面极限流线图,图6为叶片表面静压分布图。

  从图3与图4的压力云图对比中可以发现,改进叶轮的增压能力有了显著的提高;从相对速度矢量图的对比中可以发现,改进叶轮的尾迹低速区有所降低,从而减小了尾迹损失,这对提高效率降低噪声十分重要。由图4的压力云图可以看出,叶轮流道内压力场除了叶片前缘滞止区外无明显压力突变区域存在,气流比较顺畅地流过通道并获得了能量,由于通道的扩压作用使得叶片出口压力明显高于进口。结合图6可以发现,通道中靠近压力面和吸力面的气流存在明显的压差。从图4的相对速度分布可以发现速度场的变化都较为均匀,在叶片吸力面有一个较明显的高速区。结合图5的极限流线图可以发现,大部分叶片表面的极限流线比较光顺,在叶片尾缘小范围内存在一定的分离损失,这个区域从叶根沿叶高方向逐渐减小,约在75%截面处基本消失;在叶片前缘附近流动比较均匀,但从75%叶高至叶顶间隙处存在一定的间隙涡,这主要是由于叶顶间隙存在造成的。对于机车用轴流风机,由于机车处在行进中,机车自身振动干扰风机的平稳运行,适当的叶顶间隙将确保风机运行安全,这也是影响风机效率的因素之一。

  通过对轴流风机叶轮的实际研究,在一维设计基础上,利用三维数值软件NUMECA对轴流风机叶轮进行多方案的分析计算,获得了能够满足实际工程需求的叶轮模型并应用在现有的高速、大功率机车上。可见,CFD商业软件在轴流式叶轮机械内部流动分析计算中起着重要作用。
4 结论
  本文针对大功率机车用轴流冷却风机新的设计要求,以原风机叶轮为母型进行了多方案改进设计,同时也考虑了实际加工制造等因素,结合三维数值模拟方法对新的设计方案进行验证。在外形尺寸受到严格限制、转速大幅度下降等苛刻条件下获得了排气压力相对提高、效率有所改善的新叶轮设计方案,满足了实际工程要求,并以此制造加工样机进行装车冷却试验运行,机车发动机冷却效果满足要求。

参 考 文 献

[1] 吕文灿.轴流式压缩机[M].北京:机械工业出版社,1980.
[2] 王晓放,李丽丽,孙涛,等.动车组轴流冷却风机气动设计与研究[J].大连理工大学学报,2009,49:364-368.
[3] J D Denton,W N Dawes. Computational fluid dynamics for turbomachinery design[J].Proc Instn Mech Engrs.1999,213:107-123.
[4] 郝开元,王维名.基于CFD的离心压缩机整级性能优化设计[J].风机技术,2012(2):36-41.
[5] 李晟.基于FLUENT软件的轴流风机设计初步研究[D].西北工业大学硕士学位论文,2004.
[6] 王维斌,田明焕,空调贯流风机湍流流场的数值模拟[J].风机技术,2012(2):27-29.
[7] 丁可金,孙玉祥,顾军威,等.船用离心通风机该机计算与实验研究[J].风机技术,2009(3):15-20.
[8] 谢蓉,高博,赵锐.非对称可逆轴流风机S型翼型的设计与性能研究[J].风机技术,2012(2):12-17.

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  评论人:不锈钢网   打分:0 分  发表时间:2015-8-7 20:30:11
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