CRH3优化项目牵引电机通风道结构设计与分析

2013-11-27王淑玲李国清田学静张晓玲

铁道机车车辆 2013年4期

王鑫，王淑玲，李国清，田学静，张晓玲

（唐山轨道客车有限责任公司，河北唐山063035）

动车组牵引电机通风道位于车体底部转向架区域，连接牵引电机和牵引电机通风机，用于给运行中的牵引电机进行通风散热，防止出现由于牵引电机温度过高而造成列车运行故障问题。由于动车组运行速度的提高，牵引电机的功率也不断提升，其散热的要求也越来越高［1］。

由于车体结构的限制CRH3项目中的牵引电机通风道是焊接在车体底部，利用车体型腔和风道实现牵引电机的通风。而CRH3优化项目中，车体结构和转向架枕梁较CRH3项目而言均发生变化，导致牵引电机通风道不能直接焊接在车体底部，也不能利用车体型腔的空间进行通风。针对上述问题，在CRH3优化项目中对整个风道进行了新的设计，并利用STAR—CCM+仿真软件对两种不同方案的通风道分别从空气流动特性、出口风压风量分配比例进行了对比。

1 牵引电机通风道模型设计

牵引电机通风道进风口连接牵引电机通风机，出风口为两个，分别连接转向架悬挂的两个牵引电机的进风口。根据牵引电机的散热要求和牵引电机通风机的送风要求，牵引电机通风道的进风口和出风口的风压风量要求参见表1。

表1 牵引电机通风道进出口参数要求

除了考虑牵引电机通风道的外部结构不与车体和转向架造成干涉外，最重要的就是要考虑风道内部气流的分布，通过风道内部结构的变化，来改变气流分布情况，使得风道两个出风口处的风压、风量接近。

经过对初期牵引电机通风道模型的修改，最终确定了两种方案。这两种方案中进风口大小和位置，出风口大小和位置相同，只是在气流分布和导流方式有所区别：方案1是通过风道内部空间水平方向分割的形式实现的，方案2是通过风道内部空间垂直方向分割的形式实现的，两种方案的模型如图1所示。

2 理论公式与仿真计算

2.1 理论公式

牵引电机风道流场的计算分析是基于黏性、稳态雷诺时均形式的质量守恒方程，动量守恒方程。以牵引电机风道宽度为特征尺度的流场雷诺数Re＞106，流场为紊态流场。计算中采用κ-ε两方程紊流模型来模拟紊态流体流动［2］。

图1 牵引电机通风道两种方案模型

流场描述微分方程为：

质量守恒方程

动量守恒方程

紊流模型描述方程为：紊动能方程：

紊动耗散率方程：

其中u、v、w分别为速度在x、y、z坐标方向上的分量（m／s）；

p为流场压力（Pa）；ρ为空气密度（kg／m3）；μ为动力黏度系数（Pa·s）；μt为紊流黏度系数（Pa·s）；k为紊流动能（J／kg）；ε为紊流动能耗散率（m2／s3）；C1，C2，Cμ，σk，σε分别为经验常数，取值为1.44，1.92，0.09，1.0，1.3。

2.2 仿真计算

通过利用流体分析仿真软件STAR—CCM+对牵引电机通风道内部压力分布和流线分布进行了分析计算［3-4］。在计算中，主要考虑两点，一是压力分布情况，在保证出口压力满足需求的情况下，避免在部分死角或者拐角等位置出现压力极大值，对材质的强度造成较大的影响；二是速度分布，分析在内部是否产生较多涡流，同样可以对结构的修改提供理论依据。

（1）压力分布

方案1牵引电机通风道压力分布如图2、图3所示。方案2牵引电机通风道压力分布如图4、图5所示。

（2）流速分布

方案1牵引电机通风道内部流线分布如图6所示，方案2牵引电机通风道的内部流线分布如图7所示。