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      某型城際動(dòng)車組牽引變壓器冷卻單元用離心風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

      2020-07-23 09:07:24王本義
      機(jī)電工程技術(shù) 2020年6期
      關(guān)鍵詞:靜壓動(dòng)車組葉輪

      王本義

      (中車大連機(jī)車研究所有限公司,遼寧大連 116021)

      0 引言

      城際動(dòng)車組是為城際鐵路而研制的新型軌道交通運(yùn)輸車輛,具有運(yùn)能大、乘坐方便、安全可靠和節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)得到廣泛應(yīng)用。因城際動(dòng)車組運(yùn)行于城市之間,為減少車輛噪音對(duì)周邊居民的影響,城際動(dòng)車組對(duì)各主要部件提出了嚴(yán)苛的噪音要求。為了解決某型城際動(dòng)車組牽引變壓器冷卻單元在運(yùn)行過(guò)程中噪聲大的問題,本文從提高風(fēng)機(jī)效率降低聲源噪聲的角度,對(duì)無(wú)蝸殼離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

      國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)離心風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和降噪進(jìn)行了廣泛的研究,通過(guò)耦合多種優(yōu)化算法,兼顧多個(gè)優(yōu)化目標(biāo),實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)性能的優(yōu)化。Bonaiuti[1]通過(guò)耦合響應(yīng)面法及流場(chǎng)分析技術(shù)建立了離心葉輪多目標(biāo)、多點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,通過(guò)控制葉片形狀,提高風(fēng)機(jī)效率。劉小民[2]采用遺傳算法和三維流動(dòng)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)離心葉輪進(jìn)行了多目標(biāo)自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。李瑜[3]從降噪角度分析CRH系列動(dòng)車組冷卻裝置風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì),通過(guò)統(tǒng)計(jì)多款動(dòng)車組風(fēng)機(jī)靜壓效率和噪聲,發(fā)現(xiàn)高效區(qū)域風(fēng)機(jī)噪聲最低。本文在參考以上研究的基礎(chǔ)上,采用響應(yīng)面法、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)和三維流場(chǎng)仿真技術(shù),對(duì)無(wú)蝸殼離心風(fēng)機(jī)的葉片數(shù)量、葉片形狀進(jìn)行了優(yōu)化,使葉輪內(nèi)部流場(chǎng)達(dá)到最佳狀態(tài),提升風(fēng)機(jī)的靜壓效率,使風(fēng)機(jī)工作在高效區(qū)域,從主動(dòng)降噪的角度有效降低風(fēng)機(jī)噪聲。本文研究為今后無(wú)蝸殼離心風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和降噪提供了一種新思路。

      1 風(fēng)機(jī)參數(shù)及改進(jìn)要求

      1.1 離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)組成及葉輪參數(shù)

      該型離心風(fēng)機(jī)為無(wú)蝸殼后向離心風(fēng)機(jī),由集流器、離心葉輪、電機(jī)和安裝板等組成,風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。葉輪是離心風(fēng)機(jī)的主要部件,該風(fēng)機(jī)采用了9個(gè)均布的后向單圓弧板型葉片離心葉輪,離心葉輪由前盤、葉片、后盤和軸盤組成,葉輪結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示,原始葉輪參數(shù)如表1所示。

      圖1 離心通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

      圖2 原葉輪結(jié)構(gòu)

      表1 原葉輪主要參數(shù)

      1.2 改進(jìn)要求

      根據(jù)牽引變壓器對(duì)冷卻單元散熱功率及噪聲的要求,對(duì)風(fēng)機(jī)提出了需求,風(fēng)機(jī)性能參數(shù)及冷卻單元噪聲限值如表2所示。按照GB/T 3767-2016[4]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的噪聲測(cè)試方法,利用聲級(jí)計(jì)測(cè)試配有原風(fēng)機(jī)的冷卻單元各測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí),計(jì)算冷卻單元噪聲聲功率為101.97 dB(A),該噪音值遠(yuǎn)超過(guò)冷卻單元噪聲限值。為了滿足冷卻單元噪音要求,對(duì)作為噪聲源的風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化。

      表2 風(fēng)機(jī)性能參數(shù)及冷卻單元噪聲限值

      2 風(fēng)機(jī)優(yōu)化及分析

      2.1 原風(fēng)機(jī)數(shù)值仿真計(jì)算

      根據(jù)原風(fēng)機(jī)的參數(shù),運(yùn)用UG軟件對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行參數(shù)化建模[5],利用商業(yè)軟件CFX模擬了葉輪內(nèi)部的流動(dòng),獲得了離心風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能[6]。為了提高近壁面區(qū)域流動(dòng)計(jì)算的準(zhǔn)確性及計(jì)算效率,對(duì)葉輪內(nèi)部壁面附近的網(wǎng)格進(jìn)行了加密控制和非等距處理,同時(shí)采用1/9周期對(duì)稱模型進(jìn)行計(jì)算,并對(duì)計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。由于風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)馬赫數(shù)小于0.3,屬于不可壓縮流動(dòng),所以對(duì)離心風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能采用定常計(jì)算。定常流動(dòng)計(jì)算時(shí)采用了多參考系(MRF)方法,葉輪區(qū)域在相對(duì)坐標(biāo)系下求解,集流器在靜止坐標(biāo)系下求解,動(dòng)靜交界面(Frozen Rotor)用來(lái)傳遞信息。風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口邊界條件分別為流量進(jìn)口、靜壓出口,采用k-ε湍流模型,穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)采用SIMPLEC算法計(jì)算。

      采用上述的計(jì)算模型、網(wǎng)格和數(shù)值計(jì)算方法對(duì)原始設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,仿真計(jì)算得到在1.75 m3/s流量下,風(fēng)機(jī)靜壓為1 272 Pa,風(fēng)機(jī)靜壓效率為56.86%,葉輪內(nèi)部流線分布如圖3所示。由圖可知,在葉輪內(nèi)葉片中部流場(chǎng)分布均勻,無(wú)渦流存在;但在靠近后盤處和靠近前盤處葉片出口存在渦流,流場(chǎng)紊亂,造成葉輪性能不佳,效率較低,噪聲較高[7]。

      圖3 原葉輪內(nèi)部流線分布圖

      2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

      2.2.1 優(yōu)化流程

      根據(jù)上述分析,需要對(duì)葉片進(jìn)出口角、前盤和葉輪直徑進(jìn)行優(yōu)化[8],為了提高風(fēng)機(jī)效率和降低噪音,葉輪采用無(wú)葉擴(kuò)壓器,無(wú)葉擴(kuò)壓器能減少葉輪出口渦流強(qiáng)度,改善葉輪出口氣體的流動(dòng),可以適當(dāng)提高風(fēng)機(jī)葉輪效率和降低噪聲[9]。為了從冷卻單元通風(fēng)系統(tǒng)匹配的校對(duì)降低系統(tǒng)噪聲,盡可能使風(fēng)機(jī)工作在高效區(qū)附近,根據(jù)原型葉輪的性能計(jì)算結(jié)果,葉片出口直徑D2可減小至380 mm。風(fēng)機(jī)性能優(yōu)化流程如圖4所示。

      圖4 優(yōu)化流程圖

      2.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇

      根據(jù)在滿足風(fēng)機(jī)安裝尺寸的前提下,初選風(fēng)機(jī)參數(shù)如表3所示,并按照葉輪參數(shù)建立參數(shù)化流體仿真計(jì)算模型[10],通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化方法,研究葉輪的Z、β1A、β2A對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響,確定最佳風(fēng)機(jī)方案。初始選定Z=5、7、9;β1A=10~13.5;β2A=30~36.5。對(duì)于同一款風(fēng)機(jī),優(yōu)化風(fēng)機(jī)流場(chǎng),使葉輪內(nèi)部流場(chǎng)更加順暢,風(fēng)機(jī)效率將會(huì)提高,噪聲會(huì)降低。因此,響應(yīng)變量選擇靜壓與靜壓效率,在滿足靜壓要求的情況下,靜壓效率盡可能高。采用Box-Behnken方法[2]制定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,利用CFX對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行計(jì)算,試驗(yàn)方案及計(jì)算結(jié)果如表4所示。

      表3 初選風(fēng)機(jī)參數(shù)

      表4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及計(jì)算結(jié)果

      根據(jù)表4中的試驗(yàn)結(jié)果,繪制β1A=11.75h、β2A=33.25h時(shí),不同葉片數(shù)的靜壓和效率隨葉片數(shù)Z變化曲線,如圖5所示。由圖可知,葉輪靜壓效率與最佳葉片數(shù)相關(guān),葉片過(guò)多或過(guò)少,靜壓效率均降低;在一定的進(jìn)口角和出口角條件下,靜壓隨葉片數(shù)增加而增大。在滿足靜壓要求的情況下,葉片數(shù)Z=7時(shí),靜壓效率較高,由此確定葉輪葉片數(shù)量選用7片。

      圖5 β1A=11.75h、β2A=33.25h時(shí),不同葉片數(shù)下靜壓與效率曲線

      靜壓和靜壓效率等高線圖如圖6所示,從圖中可以看出,在效率等高線中出現(xiàn)風(fēng)機(jī)靜壓效率最優(yōu)點(diǎn),求解得到葉片進(jìn)口角β1A=11.65h,出口角β2A=33.5h。

      圖6 靜壓和效率的等高線圖

      2.3 結(jié)果驗(yàn)證

      根據(jù)上述計(jì)算求得的最優(yōu)解,即D2=380 mm、Z=7、β1A=11.65h、β2A=33.5h。利用CFX對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行性能仿真計(jì)算。仿真計(jì)算得到在1.75 m3/s流量下,風(fēng)機(jī)靜壓為1 132 Pa,風(fēng)機(jī)靜壓效率為65.4%,葉輪內(nèi)部流線分布如圖7所示。由圖可知,在葉輪內(nèi)流場(chǎng)分布均勻,無(wú)明顯渦流存在,優(yōu)化后葉輪靜壓滿足要求,葉輪效率較高。

      圖7 原葉輪內(nèi)部流線分布圖

      為了驗(yàn)證優(yōu)化后結(jié)果的可靠性,本文對(duì)優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)按照GB/T 1236-2017[11]進(jìn)行了性能試驗(yàn),并配牽引變壓器冷卻單元進(jìn)行噪聲測(cè)試,優(yōu)化后風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)工況下的試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

      表5 優(yōu)化后風(fēng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

      對(duì)比優(yōu)化前后的風(fēng)機(jī)性能,從仿真結(jié)果看,優(yōu)化后風(fēng)機(jī)靜壓降低了140 Pa,但風(fēng)機(jī)靜壓效率提高了8.54%;從配冷卻單元噪聲試驗(yàn)結(jié)果看,比原風(fēng)機(jī)噪聲降低了4.47 dB(A),優(yōu)化后噪聲滿足使用要求。

      3 結(jié)束語(yǔ)

      本文采用數(shù)值模擬與響應(yīng)面相結(jié)合的方法,對(duì)某城際動(dòng)車組牽引變壓器冷卻單元用離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化研究,通過(guò)對(duì)氣動(dòng)性能及噪聲的分析,可以得到以下結(jié)論:

      (1)將數(shù)值模擬方法與響應(yīng)面方法相結(jié)合,能夠用于離心風(fēng)機(jī)的改進(jìn)和優(yōu)化;

      (2)葉片進(jìn)出口角和葉片數(shù)量對(duì)風(fēng)機(jī)靜壓效率有較大影響,選擇合適的葉片數(shù)量及最佳進(jìn)出口角,有利于風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)順暢,提高風(fēng)機(jī)靜壓效率;

      (3)優(yōu)化后風(fēng)機(jī)靜壓降低了140Pa,風(fēng)機(jī)靜壓效率提高了8.54%,風(fēng)機(jī)噪聲降低了4.47 dB(A)。

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