CRH3優化項目牽引電機通風道結構設計與分析

2013-11-27 05:57:50王淑玲李國清田學靜張曉玲

鐵道機車車輛 2013年4期

王鑫，王淑玲，李國清，田學靜，張曉玲

（唐山軌道客車有限責任公司，河北唐山063035）

動車組牽引電機通風道位于車體底部轉向架區域，連接牽引電機和牽引電機通風機，用于給運行中的牽引電機進行通風散熱，防止出現由于牽引電機溫度過高而造成列車運行故障問題。由于動車組運行速度的提高，牽引電機的功率也不斷提升，其散熱的要求也越來越高［1］。

由于車體結構的限制CRH3項目中的牽引電機通風道是焊接在車體底部，利用車體型腔和風道實現牽引電機的通風。而CRH3優化項目中，車體結構和轉向架枕梁較CRH3項目而言均發生變化，導致牽引電機通風道不能直接焊接在車體底部，也不能利用車體型腔的空間進行通風。針對上述問題，在CRH3優化項目中對整個風道進行了新的設計，并利用STAR—CCM+仿真軟件對兩種不同方案的通風道分別從空氣流動特性、出口風壓風量分配比例進行了對比。

1 牽引電機通風道模型設計

牽引電機通風道進風口連接牽引電機通風機，出風口為兩個，分別連接轉向架懸掛的兩個牽引電機的進風口。根據牽引電機的散熱要求和牽引電機通風機的送風要求，牽引電機通風道的進風口和出風口的風壓風量要求參見表1。

表1 牽引電機通風道進出口參數要求

除了考慮牽引電機通風道的外部結構不與車體和轉向架造成干涉外，最重要的就是要考慮風道內部氣流的分布，通過風道內部結構的變化，來改變氣流分布情況，使得風道兩個出風口處的風壓、風量接近。

經過對初期牽引電機通風道模型的修改，最終確定了兩種方案。這兩種方案中進風口大小和位置，出風口大小和位置相同，只是在氣流分布和導流方式有所區別：方案1是通過風道內部空間水平方向分割的形式實現的，方案2是通過風道內部空間垂直方向分割的形式實現的，兩種方案的模型如圖1所示。

2 理論公式與仿真計算

2.1 理論公式

牽引電機風道流場的計算分析是基于黏性、穩態雷諾時均形式的質量守恒方程，動量守恒方程。以牽引電機風道寬度為特征尺度的流場雷諾數Re＞106，流場為紊態流場。計算中采用κ-ε兩方程紊流模型來模擬紊態流體流動［2］。

圖1 牽引電機通風道兩種方案模型

流場描述微分方程為：

質量守恒方程

動量守恒方程

紊流模型描述方程為：紊動能方程：

紊動耗散率方程：

其中u、v、w分別為速度在x、y、z坐標方向上的分量（m／s）；

p為流場壓力（Pa）；ρ為空氣密度（kg／m3）；μ為動力黏度系數（Pa·s）；μt為紊流黏度系數（Pa·s）；k為紊流動能（J／kg）；ε為紊流動能耗散率（m2／s3）；C1，C2，Cμ，σk，σε分別為經驗常數，取值為1.44，1.92，0.09，1.0，1.3。

2.2 仿真計算

通過利用流體分析仿真軟件STAR—CCM+對牽引電機通風道內部壓力分布和流線分布進行了分析計算［3-4］。在計算中，主要考慮兩點，一是壓力分布情況，在保證出口壓力滿足需求的情況下，避免在部分死角或者拐角等位置出現壓力極大值，對材質的強度造成較大的影響；二是速度分布，分析在內部是否產生較多渦流，同樣可以對結構的修改提供理論依據。

（1）壓力分布

方案1牽引電機通風道壓力分布如圖2、圖3所示。方案2牽引電機通風道壓力分布如圖4、圖5所示。

（2）流速分布

方案1牽引電機通風道內部流線分布如圖6所示，方案2牽引電機通風道的內部流線分布如圖7所示。