基于CFD的牽引電機風扇流道優化設計

申政

（中車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412001）

基于CFD的牽引電機風扇流道優化設計

申政

（中車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412001）

牽引電機是鐵道車輛的主要動力來源。電機在高速運行時會產生很大的空氣動力噪聲。為了改進流動效率并降低噪聲，計算流體動力學（CFD）常被用于電機內部流場計算，但其計算量通常很大。文章提出了一種更簡便的電機內部流場的CFD分析方法，即僅分析電機的風機部分（離心風扇及其周邊的電機蝸殼）。計算得到的三種轉速下的電機性能曲線與實驗完全一致。從CFD仿真結果，提出了電機風扇和流道的改進方法，從而提高流動效率和降低噪聲。

牽引電機；離心風扇；CFD

牽引電機的降噪方法是當前軌道交通領域的研究熱點之一。通常，電機轉速越高發出噪聲越大。在滿足相同噪聲指標限制的情況下，較低噪聲的電機可以達到更高的轉速。通過降噪設計，可以有效地突破噪聲限制，從而提高電機轉速，提升電機輸出功率，進而提高單位重量的輸出功率。

電機牽引電機的噪聲來源主要有電磁噪聲、機械噪聲和空氣動力噪聲。通常，牽引電機在高轉速下（對于地鐵電機，通常高于 4000r/min），氣動噪聲可達70%以上。因此，降低氣動噪聲是突破高轉速下的噪聲瓶頸，從而提高電機轉速的有效措施。

在高轉速下，電機氣動噪聲的大小主要由風扇和蝸殼的設計決定。電機風扇和蝸殼對電機內空氣流動及其所引發的氣動噪聲對電機的降噪工作意義重大。

通過計算流體動力學（CFD）仿真技術對電機風扇和蝸殼內空氣的流場、壓力進行分析，并將其轉換為氣動噪聲數據，可以極大地輔助設計人員改進風扇設計，在保證通風散熱效率的同時，降低氣動噪聲。但對電機整體進行CFD分析的計算量通常很大。

由于電機的氣動噪聲主要來自電機的風機部分（離心風扇及其周邊的電機機殼），文章提出了一種更簡便的分析方法，即僅分析風機部分。使用該方法計算得到的三種轉速下的電機性能曲線與實驗完全一致。從CFD仿真結果，提出了電機風扇和流道的改進方法，從而提高流動效率和降低噪聲。

1 電機風扇內部流動CFD分析

本部分主要包括某牽引電機風扇和蝸殼的建模、流場和氣動噪聲的CFD計算結果及分析。

1.1 風扇與蝸殼的建模

某型號牽引電機風扇與蝸殼及其內部流體域的幾何形狀如圖1所示。

1.2 CFD計算設置

模型分析采用定常穩態數值模擬方法，選用軟件（CFX）中已經存在機械類型：風機型；輸送流體設定為：50℃理想氣體（Air Ideal Gas），空氣密度為1.093kg/m3；域參考壓力設為0Pa；熱量傳輸采用全熱模型（Total Energy）；湍流模型選用k-ε湍流模型。動靜結合面用凍結轉子交接面（Frozen Rotor）連接。采用標準壁面函數，壁面邊界均為無滑移壁面。動量方程的對流項采用高階格式。

邊界條件設置入口質量流量，前文提供設計參數為體積流量，根據50℃空氣下換算出相應的設計工況質量流量，如表1所示；在出口面設置靜壓101325Pa。通過調節入口的質量流量獲得風扇的氣動性能。流體時間尺度控制為自動時間尺寸，計算殘差收斂精度為10-4。在各轉速下的工況，如表1所示，為帶風機下電機對應的通風量。其中在4500r/min下的流量值為根據前兩個轉速估計的流量參數。

表1 數值計算工況設置表

1.3 分析結果

本次仿真主要對設計工況下1600r/min、3000r/min（內容略）、4500r/min三種轉速的風機內部流動分析。

（1）轉速1600r/min。圖2中，在低轉速下，即使進口流動均勻，流線在經過葉輪時仍會發生不同程度的偏轉；由于蝸殼尺寸受限，流動未經充分發展就要流出蝸殼，導致在蝸殼拐角處，有流動堆積現象，即出口非均勻。從輪盤處開始計算，10%葉高位置表示靠近輪盤的截面，50%截面為葉輪中部截面，90%葉高為近輪蓋面，如圖3所示。

圖2 流線分布圖

圖3 不同葉高劃分示意圖

圖4（a）中，葉輪輪緣距離蝸殼出口距離很近，導致高環量的氣體保持周向運動難以流出蝸殼，同時難以保持葉輪增壓的能力，故在葉輪上部接近蝸殼出口位置形成低壓區。該低壓區同時會影響周圍流道的壓力分布。相對地，下部蝸殼的距離略有增加，增壓效果就有了改善。由于輪蓋的徑向位置略大于對應輪盤的位置，故輪蓋處增壓能力略高于輪盤處。圖4（b）中，在相對于輪盤和輪蓋的不同截面上，氣流速度也體現出對應的特點。在輪盤處，速度分布不均，上部更容易流出蝸殼，而葉輪中部截面和近輪蓋截面上，氣流環量相對較大；下部氣流仍然保持一定環量流出蝸殼。作為對應，將各通道軸向截面上的平面流線顯示出來，與速度矢量分布進行對比。

圖4 不同葉高面流場對比圖（1600r/m in）

選取周向間隔45°平行于轉軸的截面，可以分析葉輪子午面與蝸殼內軸向流場的特點。圖5中為風機模型的周向截面相對位置。

圖5 角度劃分示意圖

圖6（a）中，各角度截面的靜壓系數云圖比較，進口集流器的靜壓分布較為均勻，但葉輪中存在明顯的損失區域，即壓降區。葉輪到蝸殼間靜壓變化劇烈，各周向位置亦存在很大差別。圖6（b）為各角度截面上的流線圖比較。葉輪進口，流動情況較差，蝸殼內部流動在4個斜角上很差，回流明顯。葉輪流道中部的速度變化較為復雜，各角度不一致，并且與蝸殼內部亦不統一。這說明其內部流動非常惡劣，需要改進設計。在1600r/min轉速下，風扇模型內部各位置流動情況較差，由于流量較低，對應損失并不大。

圖6 各周向截面流場示意圖（1600r/m in）

（2）轉速4500r/min。如圖7（a）所示，在不同的葉高截面上，相對其他兩個轉速，在4500r/min轉速下，靜壓系數分布有很大的改善，各葉片通道內部差別減少，尤其是在接近上部蝸殼出口處，靜壓有了明顯改善。將各通道軸向截面上的平面流線如圖7（b）所示。在上部蝸殼中速度較高，而下部蝸殼和葉輪中速度并不高。故葉輪能力未得到充分體現，而蝸殼與葉輪間徑向間隙過小，可能是導致損失加大的主要原因。

圖7 不同葉高面流場對比圖（4500r/m in）

如圖8所示，在不同周向角度截面上，從左到右分別是0°、45°、90°和135°截面，下部為180°、225°、270°和315°截面。相對其他兩個轉速，在4500r/min轉速下，90°截面上靜壓系數較低，而其他葉片通道中則有很大的改善，各葉片通道內部差別減少，葉輪有明確的擴壓作用，尤其是在接近上部蝸殼出口處，靜壓有了明顯改善。蝸殼中的擴壓效果也比較明顯。

圖8（b）為在不同的葉高截面上流線圖。相對其他兩個轉速，在4500r/min轉速下，進口流動出現明顯的分離區，葉輪流道明顯過寬，而蝸殼中流動分離區域明顯加大。

圖8 不同角度截面上靜壓系數

2 風機性能結果

采用數值計算，通過進出口總壓差得到全壓，并計算軸功率與全壓效率等參數,性能圖如圖9所示。風機模型的計算結果如表2所示。

圖9 不同轉速下風機性能與阻力特性

表2 模型性能計算結果

由于電機轉子的高速旋轉，同樣提供了空氣的壓力能，故其實驗特性顯示出即使進口氣流靜壓低的情況下，仍然可以通過整個電機。與電機轉子提供能量對應的，在無阻力情況下，即設計點流量在 1600r/min和 3000r/min下分別為0.12m3/s和0.23m3/s。

3 結論及流道修改

文章對某型號電機冷卻風扇分別進行了流場建模、CFD求解與流場分析。根據原機型的阻力實驗參數，CFD性能結果與其良好地對應在一起，即在1600r/min和3000r/min下的運行工況阻力相對最小工況，并與實驗參數差別小于10%。由此可見，該模型建模、CFD算法是可靠的。

CFD結果顯示，在上部蝸殼出口和葉片通道中，流動參數分布不均勻，回流渦結構較多；另外當轉速達到4500r/min時，葉輪內部和蝸殼中流動參數分布有一定改善，說明該風扇的設計工況應用于4500r/min轉速下。

基于以上分析，為提高流動效率降低氣動噪聲，文章提出流道改進措施如下：降低流速，加大流動通道截面積；減少管道內和管道口產生擾動氣流的障礙物，如蝸殼下側支腳結構；適當增加導流片，減小氣流出口處的速度梯度；調整風扇葉片的角度和形狀，提高風扇做功能力；蝸殼結構調整，增加與葉輪間距離，或者重新設計其他結構。

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CFD-Based Flow Path Design M odification for a Traction M otor Fan

SHEN Zheng
（CRRC Zhuzhou Electric Co.，Ltd.，Zhuzhou，Hunan 412001，China）

Traction motor is the main power provider to railroad vehicles，which produces considerable aerodynamic noise at high rotating speeds.To improve flow efficiency and reduce aerodynamic noise，CFD technique is needed for flow field analysis but often computationally costly.This paper presents an efficient way to simulate the internal flow field of the motor using CFD.Instead of the entire motor，only the fan impeller（centrifugal fan with surrounded motor case）is analyzed.Performance map with 3 rotating speeds are obtained，matching experimental results.From the CFD results，guidelines for modifying fan and flow path design are proposed to enhance flow efficiency and reduce noise.

traction motor；centrifugal fan；CFD

TM303

A

2095-980X（2017）06-0069-03

2016-05-15

申政（1987-），男，湖南祁陽人，博士，機械工程師，長期從事動力學與控制、機械振動學等領域研究工作。