地鐵隧道風機能效研究報告

劉沃鴻 王柳磊

摘 要： 為研究地鐵隧道風機能效，本文采用數值模擬結合理論分析的方法，利用AutoCAD建立隧道風機二維模型，采用CFD通用求解器Fluent對風機進行能效模擬。結果表明，影響隧道風機能效的因素包括風機流量、葉片安裝角度、電機功率、葉片翼型、內部結構及輪轂比等。最后提出了提高風機能效的建議。

關鍵詞： 隧道風機;能效;理論分析;Fluent

1 緒論

地鐵工程是一項旨在緩解城市交通壓力，提高城市空間利用效率的重要市政工程。地鐵通風空調系統是地鐵工程的重要組成部分，其設計與應用的主要目的是滿足地鐵環境空氣更新和空調溫度調節等方面的需求，同時也為地鐵乘客與工作人員提供良好的環境[1-2]。

在地鐵通風空調系統中，地鐵風機負責地鐵空間內部與外部空間的氣體交換，主要包括消防疏散、送排風、排煙等功能，對保證地鐵安全運行的重要性不言而喻[3]。據統計，地鐵通風排煙和空調系統耗電量占整個地鐵耗電量的1/2～1/3[4-5]，其中車站隧道通風系統能耗約占整個車站通風空調能耗的15%，因此對風機進行優化從而提高風機的運行效率，降低風機能耗，將在一定程度上降低公司的運營費用，實現車站節能。

2 風機能效分析

根據國內地鐵風機目前的市場需求及生產情況，我國地鐵風機可以分為三類：射流風機、雙向軸流風機（可逆轉軸流風機）、單向軸流風機[6]。

2.1 地鐵隧道風機

地鐵隧道風機（Fan for Tunnel Ventilation，以下簡稱TVF風機）為可逆轉軸流風機，具有保持風量和全壓基本不變、可正反運行等優點。同時TVF風機還具有防喘振、耐高溫及結構簡單等特性，能應用于地鐵特殊的運行環境。

TVF風機作為隧道事故冷卻風機，在地鐵系統中屬于一類負荷設備。主要用于地鐵每日運營前0.5h和運營結束后0.5h隧道的通風除濕，或列車阻塞、火災時的通風和排煙。其正轉或反轉運行由運行模式決定，以達到向隧道排風、送風的目的。風機機房一般布置在車站兩端，每端各設兩臺風機，分別對應上行線、下行線區間。當列車處于阻塞或火災工況時，區間兩端車站TVF風機視情況可單機運行或多機串、并聯運行。

2.2 隧道風機能效分析

能效指在能源利用中，發揮作用的與實際消耗的能源量之比。TVF風機能效應符合《通風機能效限定值及能效等級》[7]（GB19761-2009）及《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》[8]（GB 18613-2012），具體要求如下所示。

（1）通風機的能效等級分為3級，其中1級能效最高，3級能效最低;

（2）對于采用普通電動機的通風機，以使用區最高通風機效率作為能效等級的考核值。

ηr= qvsg1·pF·kp 1000Pr? ?（1）

式中：

ηr——通風機效率，%;

qvsg1——通風機進口滯停容積流量，單位為立方米每秒（m3/s）;

kp——壓縮機修正系數;

Pr——葉輪功率，即供給通風機葉輪的機械功率，單位為千瓦（kW）;

pF——通風機壓力，單位為帕（Pa）。

一方面，傳統風機流量設計一般以最大風量計算，其流量調整方式包括回流、設置擋板、啟停電動機以及風門等，不僅無法形成閉合回路，且風機能耗較大。另一方面，傳統風機的電氣控制采用直接或Y-△起動，無法進行軟啟動，對設備機械沖擊大，產生較大震動及噪音，使得傳動系統壽命短、電源容量大、效率較低。

本文選取了廣州地鐵NXT-17RNO? -? 16A型（正反風系列高溫消防排煙軸流通風機）TVF風機作為能效理論分析模型，從影響風機能效的幾個主要因素如電動機功率、風機流量、葉片安裝角度對風機進行具體能效分析。

NXT-17RNO? -? 16A型高溫消防排煙軸流通風機為正反風系列，采用電機直連傳動，葉輪直徑為1600mm，轉速n=730r/min， 可配用Y180L-8、Y200L-8、Y225SL-8、Y225M-8等型號電機。根據NXT-17RNO? -? 16A風機額定值繪制流量—效率、葉片安裝角度—效率圖，為有效進行風機能效分析，本文還繪制了NXT-17RNO? -? 18A風機能效圖進行對比分析，具體如下。

圖1為隧道風機流量—效率圖，從圖中可以看出NO? -? 16A和NO? -? 18A兩種機型效率隨流量的增加出現了先升高后降低的趨勢，風機效率在兩種機型流量分別為30.93m3/h和44.05m3/h達到最高值，為75.1%。從效率最高點到效率最低點，效率下降了15.45%，兩種機型流量分別下降17.02%和17.29%。

圖2為風機葉片安裝角度—能效圖，從圖中可以看出，風機效率隨葉片安裝角度出現了升高后趨于平緩的趨勢。安裝角度為22°時NO? -? 16A機型效率最高，為72.68%;安裝角度為28°時NO? -? 18A機型效率最高，為65.49%。

由圖1、圖2綜合可知，風機取得最大效率的流量和安裝角度均隨葉輪直徑的增加而增加，而風機最大效率不隨葉輪直徑的變化發生改變，但隨安裝角度的增大而減小。因此，風機流量和葉片安裝角度能較大地影響風機能效值，合理的設計風機入口風速、風機流量和葉片安裝角度，對提高能效、減少能源浪費起到較好的作用。

此外，電動機功率對影響風機能效也起到了較大作用，具體如下表所示。

3 能效模擬分析

以NXT-17RNO? -? 16A型TVF風機為模擬對象，利用AutoCAD建立該風機二維幾何模型，采用CFD通用求解器Fluent對風機進行能效模擬，旨在對影響隧道風機能耗的因素進行分析。最后結合模擬數據對風機進行優化，提出提高風機效率的建議。

3.1模型建立

圖3為TVF風機實物圖，圖4為采用AutoCAD建立的TVF風機幾何模型，以此為模型進行模擬分析，其中AB端為風機正轉進口端、CD為出口端、E為電動機及葉片幾何模型，具體如下圖所示。

3.2 邊界條件

以圖4為模型，其中AB端為風機進風端，設定為速度入口（velocity-inlet），CD端為風機出口端，設定為自由出流outflow。采用有限體積法離散控制方程，對風機的三維定常流場進行分離式隱式求解。計算采用標準k-epsilon湍紊流模型，近壁區的流動模擬采用標準壁面函數，差分格式為二階迎風差分格式，壓力-速度耦合采用標準SIMPLE算法進行求解[9]。

3.3 模擬結果分析

利用網格工具Gambit進行網格劃分，劃分為三角形網格。模擬結果如圖7、圖8所示。

圖7為NXT-17RNO16A型軸流通風機渦流云圖，從圖中可以看出在風機入口及電機位置易產生渦流，風機效率因渦流數量增多而降低。一種易產生較大渦流損失的方法是使用帶有底座和安裝架的電機，使得靜葉支撐不能沿圓周方向均勻分布。電機底座（超出輪轂直徑）和電機安裝架均成為流道中的障礙物，由此導致較大附加噪聲和渦流損失，目前國內外一致認為應淘汰這種落后結構，且各類風機設計手冊應明確表明避免采用這種結構型式。

圖8為NXT-17RNO16A型軸流通風機速度流線圖，從風機整體的流場與氣動結構綜合考慮，在結構上風機應保證內部流道光滑、無阻，以減少不必要的內部壓力損失，進而提高風機的整體運行效率并降低噪聲。

目前B5型內置電機是國內外公認的先進電機，如上海地鐵1號線從德國進口的voith風機（如圖9、圖10所示）。其流道結構合理，出風側整流內筒（內機匣）直徑與輪轂相同，形狀為圓筒形，靜葉支撐沿圓周均勻分布，有利于提高風機效率。

（1）不同葉片翼型能效分析。TVF風機要保證在正轉和反轉工況下都具有相同或相近的風機性能，故對其葉片的翼型就有著特殊的要求——在正向和逆向送風時，翼型都能提供良好的氣動性能。

根據地鐵可逆軸流通風機翼型的使用要求，常用的翼型有3種常見形式：S形機翼翼型、S形圓弧板翼型和平直板翼型。本文對這3種常用翼型進行了流場數值模擬計算，通過對比分析，確定采用哪一種翼型更適合地鐵可逆轉軸流通風機。

圖11中a、b、c分別給出3種翼型風機葉片徑向350mm處剖面上的流場相對速度矢量分布。可以看出，3種翼型葉片都沒有發生流動分離，說明葉片安裝角設計合理。機翼翼型前后緣流場流動性能最好，出口速度分布比較均勻，而且速度偏轉相對較小，流動損失最小，風機效率為66.67%。圓弧板翼型風機效率為61.75%。平直板翼型流動性能最差，流動損失最大，風機效率為60.26%。

經過以上對比分析可以看出，S形機翼翼型流動性能最好，流動損失最小，效率最高，總體性能最好。S形圓弧板翼型流動性能居中，平直板翼型流動性能最差。因此，S形機翼翼型更適合地鐵可逆轉軸流風機采用。

（2）不同輪轂比能效分析。由于地鐵隧道在日常通風、列車阻塞與火災排煙時葉輪需正反轉都能運轉，并且正反轉兩個工況風機的流量Q與全壓P要基本保持一致。因此，風機結構設計上只能采用葉輪前后無導葉的單獨葉輪級的設置。

根據空氣動力學理論，軸流風機中氣流的運動形式是旋渦流動與軸向流動疊加而成的螺旋形軸向流動，葉柵出口流動損失功耗為：

NDS=2QP/ ρω2R2 1+γ2? ? （2）

式中：

NDS——風機功率損耗，%;

ρ——空氣密度，Kg/m3;

ω——風機角速度，rad/s;

R——葉輪半徑，m;

γ——輪轂比。

在給定流量Q與全壓P條件下，適當選取較大的葉輪直徑R與輪轂比γ有益于降低軸流風機的功率損耗NDS。

4 結論

本文對地鐵隧道風機能效進行了理論分析與數值模擬。結果表明，風機流量及安裝角度等能較大影響風機能效，風機效率隨流量增加呈現先上升后下降的趨勢，隨葉片角度增大呈現先增加后趨于平緩趨勢。合理的設計風機流量、葉片安裝角度、葉片翼型及輪轂比等對提高能效、降低成本具有重要作用，具體提高隧道風機能效的建議措施如下：

（1）合理選擇風機流量：NXT-17RNO? -? 16A型流量在為30.93m3/h效率達到最高值;

（2）葉片角度應根據風機入口風速、功率、流量等進行設計安裝;

（3）可配置變頻電機功率，根據行車對數及隧道內溫度來控制風機的運行頻率;

（4）在結構上風機應保證內部流道光滑、無阻，以減少風機不必要的內部壓力損失;

（5）葉片翼型選擇S形機翼翼型可有效降低流動損失，提高能效;

（6）適當選取較大的葉輪直徑與輪轂比有益于降低軸流風機功率損耗。

地鐵通風系統設備多、耗能大，隧道風機作為通風系統重要的組成部分，提高其能效有較大的實用意義。技術人員應從最初的設備選型到后期設備運行綜合考慮，全面了解提高風機能效的措施。

參考文獻：

[1]張勝利，席德科，李華星，等.高效低噪地鐵風機氣動設計及數值模擬[J].機械設計與制造，2011（8）：216-218.

[2]胡維擷.地鐵風機及配套設備的合理選用[J].地下工程與隧道，1991（4）：30-34.

[3]程遠維.地鐵通風空調系統設計及節能研究[J].建材與裝飾，2018（40）：274-275.

[4]劉華永.動葉可調地鐵風機研究[J].流體機械，2018，46（05）：25-30.

[5]朱俊亮.地鐵通風空調系統現狀及改進可行性研究[J].節能與環保，2018（02）：62-65.

[6]田彬，席德科，徐燕飛，等.軸流通風機內部流場數值研究[J].風機技術，2004（5）：10-13.

[7]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB19761-2009.通風機能效限定值及能效等級[S].北京：中國標準出版社，2010-09-01.

[8]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB18613-2012.中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級[S].北京：中國標準出版社，2012-09-01.

[9]梁之博，席德科，趙旭，等.不同葉片翼型可逆轉地鐵軸流通風機的數值模擬[J].風機技術，2018（6）：11-13.

作者簡介： 劉沃鴻（1987—），男，漢族，廣東廣州人，碩士，工程師，研究方向：城市軌道交通機電一體化;王柳磊（1987—），男，漢族，河南駐馬店人，碩士，研究方向：城市軌道交通機電一體化。