多工況離心通風機的氣動方案設計與驗證

劉夢安，詹 騰

(株洲聯誠集團有限責任公司，湖南株洲412001)

?

多工況離心通風機的氣動方案設計與驗證

劉夢安，詹 騰

(株洲聯誠集團有限責任公司，湖南株洲412001)

為解決CRH5型高寒動車組牽引輔助變流器風機國產化應用，以一種多工況離心通風機為研究對象，針對應用于動車組特殊使用條件，利用流體計算軟件FLUENT，對該離心通風機的氣動方案進行了設計及試驗驗證。通過合理選擇葉輪直徑、葉片進出口角度和最優化匹配集流器、蝸殼等方法，以提高整機高效工作范圍，使之滿足使用需求。研究結果表明：該離心通風機具有多工況、高效、低噪的氣動性能優點，各項技術指標達到國外同類產品的水準，成功實現該產品國產化。

離心通風機 葉輪 多工況 流量 靜壓

0 引言

該離心通風機裝配在CRH5型高寒動車組牽引輔助變流器上，位于動車組底部的設備艙內。用于熱交換器和電抗器組件的通風冷卻。風機1和風機2并排安裝，風機1從熱交換器吸取空氣，出風口向下，直接吹出車外(道碴上)，風機2用于電抗器元件的冷卻，出風口在側面，吹到電抗器后面。風機1和風機2安裝位置見圖1。鑒于以上情況，要求該風機同時具備兩種不同工況來滿足其不同散熱單元所需的散熱要求。此類型風機以前一直從國外采購，其缺點是成本高、采購周期長、后期維護不方便等，故將此類風機國產化、系列化和批量化勢在必行。

圖1 風機安裝位置示意圖

1 氣動方案理論計算

根據用戶提供的風機技術規范可知其氣動方案要滿足的主要技術要求見表1。

通過初步計算可知風機最高效率的工作區域在工況點1附近，故以工況點1為主要參考點來設計，同時兼顧工況點2來實現多工況離心通風機的氣動方案。

表1 風機主要技術參數

(1)計算風機比轉速

由比轉速計算公式可得該風機比轉速為[1]：

根據風機選型原則，選擇成熟的離心通風機樣本。然后初步確定葉輪外徑D2=342 mm。

(2)計算風機無因次參數

由壓力系數ψ與葉片出口角β2A的關系[2-3]，可以確定風機β2A=52°。然后根據葉道中損失應最小的原則[4-5]，計算葉片進口直徑，D1/D2>1.194φ1/3，取D1=220 mm。

2 氣動方案FLUENT仿真

通過一維理論計算，設計了一款離心通風機。為了進一步分析和驗證該款風機的性能和流動情況，首先利用SolidWorks建立風機三維模型，然后導入ANSYS中的Fluent模塊進行網格劃分和模擬計算。其中，風機模擬計算模型采用k-ε模型，標準壁面函數[6]。由于風機轉速較低，忽略空氣的可壓縮性，因此邊界條件設置為速度-壓力邊界條件。最后根據迭代計算收斂的結果得到有關風機流量、全壓、靜壓、全壓效率等的氣動性能表以及風機流面和子午面的壓力分布云圖[7-8]，分別如表2和圖2所示。

表2 離心通風機仿真氣動性能表

圖2 離心通風機壓力分布云圖

從仿真結果可以看出，工況點3和工況點6為風機所需的兩個額定工況點，同時風機整體壓力分布情況比較均勻流暢，理論上可以滿足變流器的多工況冷卻要求。

3 氣動方案試驗驗證

根據標準GB/T 1236-2000工業通風機用標準化風道進行性能試驗，對該風機樣機進行空氣動力性能測量。試驗采用D型裝置進行。試驗結果如表3。

然后將仿真結果和試驗測量結果相結合進行對比分析，具體如圖3所示。

表3 離心通風機試驗測量氣動性能表

圖3 離心通風機全壓、全壓效率—流量曲線圖

由以上結果可以看出，試驗測量結果與計算機仿真結果有一定的偏差，在工況點1(0.95 m3/s)和工況點2(1.45 m3/s)的偏差值分別為4.8%和8.1%，偏差值在工程應用經驗值(≤12%)所允許的范圍內。同時該離心通風機的高效工作區域在0.80 m3/s～1.45 m3/s之間，范圍比較廣，風機氣動性能可以滿足動車組牽引輔助變流器的多工況應用要求。

根據GB/T 3767-1996聲學聲壓法測定噪聲功率級反射面上方近似自由的工程法，測量風機噪聲，結果如表4。

表4 離心通風機噪聲值

根據GB/T 8689-2014通風機振動檢測及其限制和GB/T 1032-2012三相異步電動機試驗方法，分別測量風機和電機振動值，其結果如表5。

表5 離心通風機振動值

從噪音測量表4和振動測量表5結果可以看出，該風機是一種低噪、低振動的系統，達到國際先進水平，能很好的滿足用戶在表1中提出的使用需求。

4 結論

CRH5型高寒動車組變流器風機在設計過程中不僅受到嚴格的空間和運行條件要求限制，而且還需滿足多工況點氣動性能要求，因此氣動方案設計具有復雜性。在設計過程中，風機的氣動性能和噪聲是重點考慮因素。通過一維理論計算，合理選取了葉輪直徑、葉片進出口角度和最優化匹配集流器、蝸殼等參數。為了進一步分析和優化一維設計的風機方案，采用Fluent模擬仿真計算，結果表明風機方案滿足設計要求。通過實驗驗證分析，仿真結果同實驗結果趨勢一致，結果誤差較小，說明了該設計方法的有效性。采用一維理論、三維仿真模擬計算和實驗驗證相結合的方式，設計的該離心通風機具有多工況、高效、低噪的氣動性能優點，各項技術指標達到國外同類產品的水準，成功實現該產品的國產化，為公司贏得了該領域的市場份額，具有良好的經濟效益。

[1] 李慶宜.通風機[M].北京：機械工業出版社，1983：45-52.

[2] 王九長.通風機設計新方法[J].風機技術，2010(3):33-34.

[3] 譚長有，陳雪江.多工況、寬工況離心壓縮機的氣動方案設計風機技術[J].風機技術，2015(5)：31-35.

[4] 吳讓利，吳沛佳，秦國良，等.葉片型線對離心通風機性能影響的研究：中國風機學術論文集[C].《風機技術》雜志社，2014.

[5] 張玉成，儀等利，馮殿義，等.通風機設計與選型[M].北京：化學工業出版社，2011：53-60.

[6] 張振彬，袁樹杰.基于fluent的采空區流場分布數值模擬分析[J].煤炭科技，2011(2)：17-19.

[7] 張應遷，張洪才.ANSYS有限元分析從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2010:169-178.

[8] 巴鵬，李旭，任希文，張鵬飛.基于FLUENT技術的迷宮密封泄漏量分析[J].沈陽理工大學學報，2011，30(2)：8-11.

Design and verification of aerodynamic scheme for centrifugal fan in multiple load cases

LIU Meng’an，ZHAN Teng

In order to realize localization of the traction auxiliary converter fan of CRH5 alpine EMU, a centrifugal fan under multiple load cases was taken as the research object. In view of the special use conditions for the EMU, design and test of aerodynamic scheme for the centrifugal fan were carried out by FLUENT software. In order to improve the efficient working range to meet the demand of the EMU, throng the method of selecting the diameter of impeller, the import and export angle of blade, optimization matching collector and scroll casing reasonably. Research results showed that the centrifugal fan had advantages on the aerodynamic performance of multiple load cases, high efficiency and low noise. The technical indicators had reached the level of same products abroad to realize localization of the product.

centrifugal fan, impeller, multiple load cases, flow, static pressure

TH432;TK83

A

1002-6886(2016)06-0059-04

劉夢安(1983-)，女，工程師，主要從事軌道交通產品用通風機的設計和降噪研究。

2016-07-06