多工况离心通风机的气动方案设计与验证

刘梦安，詹 腾

(株洲联诚集团有限责任公司，湖南株洲412001)



多工况离心通风机的气动方案设计与验证

刘梦安，詹 腾

(株洲联诚集团有限责任公司，湖南株洲412001)

为解决CRH5型高寒动车组牵引辅助变流器风机国产化应用，以一种多工况离心通风机为研究对象，针对应用于动车组特殊使用条件，利用流体计算软件FLUENT，对该离心通风机的气动方案进行了设计及试验验证。通过合理选择叶轮直径、叶片进出口角度和最优化匹配集流器、蜗壳等方法，以提高整机高效工作范围，使之满足使用需求。研究结果表明：该离心通风机具有多工况、高效、低噪的气动性能优点，各项技术指标达到国外同类产品的水准，成功实现该产品国产化。

离心通风机 叶轮 多工况 流量 静压

0 引言

该离心通风机装配在CRH5型高寒动车组牵引辅助变流器上，位于动车组底部的设备舱内。用于热交换器和电抗器组件的通风冷却。风机1和风机2并排安装，风机1从热交换器吸取空气，出风口向下，直接吹出车外(道碴上)，风机2用于电抗器元件的冷却，出风口在侧面，吹到电抗器后面。风机1和风机2安装位置见图1。鉴于以上情况，要求该风机同时具备两种不同工况来满足其不同散热单元所需的散热要求。此类型风机以前一直从国外采购，其缺点是成本高、采购周期长、后期维护不方便等，故将此类风机国产化、系列化和批量化势在必行。

图1 风机安装位置示意图

1 气动方案理论计算

根据用户提供的风机技术规范可知其气动方案要满足的主要技术要求见表1。

通过初步计算可知风机最高效率的工作区域在工况点1附近，故以工况点1为主要参考点来设计，同时兼顾工况点2来实现多工况离心通风机的气动方案。

表1 风机主要技术参数

(1)计算风机比转速

由比转速计算公式可得该风机比转速为[1]：

根据风机选型原则，选择成熟的离心通风机样本。然后初步确定叶轮外径D2=342 mm。

(2)计算风机无因次参数

由压力系数ψ与叶片出口角β2A的关系[2-3]，可以确定风机β2A=52°。然后根据叶道中损失应最小的原则[4-5]，计算叶片进口直径，D1/D2>1.194φ1/3，取D1=220 mm。

2 气动方案FLUENT仿真

通过一维理论计算，设计了一款离心通风机。为了进一步分析和验证该款风机的性能和流动情况，首先利用SolidWorks建立风机三维模型，然后导入ANSYS中的Fluent模块进行网格划分和模拟计算。其中，风机模拟计算模型采用k-ε模型，标准壁面函数[6]。由于风机转速较低，忽略空气的可压缩性，因此边界条件设置为速度-压力边界条件。最后根据迭代计算收敛的结果得到有关风机流量、全压、静压、全压效率等的气动性能表以及风机流面和子午面的压力分布云图[7-8]，分别如表2和图2所示。

表2 离心通风机仿真气动性能表

图2 离心通风机压力分布云图

从仿真结果可以看出，工况点3和工况点6为风机所需的两个额定工况点，同时风机整体压力分布情况比较均匀流畅，理论上可以满足变流器的多工况冷却要求。

3 气动方案试验验证

根据标准GB/T 1236-2000工业通风机用标准化风道进行性能试验，对该风机样机进行空气动力性能测量。试验采用D型装置进行。试验结果如表3。

然后将仿真结果和试验测量结果相结合进行对比分析，具体如图3所示。

表3 离心通风机试验测量气动性能表

图3 离心通风机全压、全压效率—流量曲线图

由以上结果可以看出，试验测量结果与计算机仿真结果有一定的偏差，在工况点1(0.95 m3/s)和工况点2(1.45 m3/s)的偏差值分别为4.8%和8.1%，偏差值在工程应用经验值(≤12%)所允许的范围内。同时该离心通风机的高效工作区域在0.80 m3/s～1.45 m3/s之间，范围比较广，风机气动性能可以满足动车组牵引辅助变流器的多工况应用要求。

根据GB/T 3767-1996声学声压法测定噪声功率级反射面上方近似自由的工程法，测量风机噪声，结果如表4。

表4 离心通风机噪声值

根据GB/T 8689-2014通风机振动检测及其限制和GB/T 1032-2012三相异步电动机试验方法，分别测量风机和电机振动值，其结果如表5。

表5 离心通风机振动值

从噪音测量表4和振动测量表5结果可以看出，该风机是一种低噪、低振动的系统，达到国际先进水平，能很好的满足用户在表1中提出的使用需求。

4 结论

CRH5型高寒动车组变流器风机在设计过程中不仅受到严格的空间和运行条件要求限制，而且还需满足多工况点气动性能要求，因此气动方案设计具有复杂性。在设计过程中，风机的气动性能和噪声是重点考虑因素。通过一维理论计算，合理选取了叶轮直径、叶片进出口角度和最优化匹配集流器、蜗壳等参数。为了进一步分析和优化一维设计的风机方案，采用Fluent模拟仿真计算，结果表明风机方案满足设计要求。通过实验验证分析，仿真结果同实验结果趋势一致，结果误差较小，说明了该设计方法的有效性。采用一维理论、三维仿真模拟计算和实验验证相结合的方式，设计的该离心通风机具有多工况、高效、低噪的气动性能优点，各项技术指标达到国外同类产品的水准，成功实现该产品的国产化，为公司赢得了该领域的市场份额，具有良好的经济效益。

[1] 李庆宜.通风机[M].北京：机械工业出版社，1983：45-52.

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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

刘梦安(1983-)，女，工程师，主要从事轨道交通产品用通风机的设计和降噪研究。

2016-07-06