优化前导叶结构尺寸提升重载机车冷却风机性能的研究*

李一明李宝宽/东北大学

陈中才/沈阳鼓风机通风设备有限责任公司

优化前导叶结构尺寸提升重载机车冷却风机性能的研究*

李一明李宝宽/东北大学

陈中才/沈阳鼓风机通风设备有限责任公司

提出一种用数学模型来研究重载机车冷却风机内部流场和气动性能的方法，并实现前导叶优化。采用RNG k-epsilon湍流模型和SIMPLE算法，分析了风机稳态流场和压力分布规律。计算7种前导叶结构尺寸的性能参数，以确定高效节能的最佳设计方案。结果表明：静压总体呈现先减小后增大的趋势，而全压先减小后增大再减小；叶片工作面静压分布均匀，非工作面梯度较大；前导叶叶片曲率半径200mm、圆弧叶片夹角为40°、叶片数13片时，可满足额定工况要求。

冷却风机；数值模拟；流场分析；前导叶设计；优化

0 引言

重载机车因其运行条件的特殊性，对主变压器和主变流器的冷却要求非常高，所以，冷却风机的设计尤为重要[1]。

在传统的风机设计中，人们往往仅靠实验取得数据，对于高效节能要求较高的轴流冷却风机则需要耗费大量的人力和物力资源[2-3]。而实验研究方法由于受各种条件的限制，一些参数的测量会受到许多不良因素的影响，给风机设计带来误差。并且单纯的实验难以把握风机内部的流场规律，很容易降低风机数值模拟的实用性[4-5]。

如果利用数值仿真来完成风机的设计和优化过程，就不要大量样机制作和实验筛选，对提高风机设计效率和掌握风机内部流动规律十分有益[6]。

重载机车及其冷却风机的研究和应用在国内尚处于初级阶段。唐苹森等[7]研究了韩国货运机车冷却系统中驱动电机和风机结构的改进方法；高平等[8]利用数值模拟对哈萨克斯坦KZ4A型机车冷却塔风机进行了改造，它对国内自主研发重载机车冷却风机具有指导意义。杨晓清等[9]利用数值模拟方法对大功率机车轴流冷却风机的叶轮进行了改进设计；王晓放等[10]开展了动车组轴流冷却风机的数值研究及优化改进。

重载机车冷却风机由于受到尺寸、重量、电机功率等约束，设计难度较大，通常仅依靠叶轮的优化改进已经无法满足所有工况要求[11-12]。以往，国内外业界对风机叶轮部分的研究论述较多，但对带前导叶的风机气动性能和结构尺寸设计还需要进一步的研究。

本文利用计算流体力学（CFD），对重载机车轴流冷却通风机的不同形式前导叶及其流场结构尺寸进行几何建模和数值模拟。开展了整机通流部分速度场、压力分布和叶片表面的压力分布研究。揭示了风机内部流动状态，分析了各个通流部分及气动部件对风机性能的影响。根据所得到的性能参数，采用启发式优化方法不断对前导叶进行叶型结构改进，以高效节能为目标得到了最佳设计方案，并分析风机气动性能的可靠性。

这样方便地评价、选择多个设计方案，不仅可以减少通过制造模型并实验来优化风机设计的各项投入，还可以大大缩短风机的开发周期。

1 数学模型

1.1 几何结构尺寸

重载机车冷却风机的设计是冷却塔总体布局的一大难点，它同时受到机身重量、结构尺寸和电机功率等条件的约束。本文研究对象是某风机企业开发的轴流式通风机，额定工况点在体积流量为12m3/s时，风机静压应该达到1 600Pa。根据实际尺寸建立几何模型，见图1。风机总长为0.956m，直径为0.868m，动叶片共10片，后导叶叶片数为15片。叶轮、后导叶和扩散器的结构尺寸调整已经不足以保证风机具有足够的做功能力和较高的效率。因此，需要进一步对前导叶的结构尺寸进行优化改进。

图1 轴流通风机通流部分几何结构图

采用启发式优化方法，对表1中的7个方案依次建模并进行数值模拟。反复调整前导叶叶片曲率半径、圆弧叶片夹角和叶片个数，评估风机性能，直到达到设计工况要求，确定最优设计方案。

表1 不同设计方案前导叶结构参数表

1.2 网格模型

在数值计算中，为了减少进口及出口段对叶轮内部流态的影响，将风机模型进出口分别连接3.5m的进口风道和5.4m的出口风道。由于叶片形状复杂，叶轮部分求解域局部形状变化较大，因此将其采用四面体网格划分，并进行网格细化，叶轮部分的网格数为59万。7个设计方案模型总体网格数均在150万左右。经过网格无关性检验，已经达到足够的计算精度。图2为网格模型。

图2 轴流通风机模型网格图

1.3 控制方程

重载机车冷却风机复杂的结构和较高的叶轮转速决定了其内部流场是高雷诺数湍流流动。在数值计算中必须要考虑强流线弯曲、湍流漩涡和旋转。使用RNG k-epsilon湍流模型来修正湍流粘度，可以有效提高这方面的计算精度。

当气体在没有热交换的条件下作低速流动时，如果Ma＜0.3，气体密度相对变化值约小于3%[13]。

为了简化计算，假定风机产生的气体流动是稳定、有粘性、不可压缩流动。同时，气流在流动过程中忽略质量力的作用。

基于FLUENT软件进行二次开发，在旋转坐标系模型（MRF）下压力速度耦合方程采用SIMPLE算法。

忽略重力体积力、外部体积力以及源项，得到的质量守恒方程和动量守恒方程如下：

动量守恒方程：

湍流模型是为封闭离散的控制方程进行的工程近似，不考虑由浮力而产生的湍流动能Gb和由可压缩湍流过渡的扩散产生的波动Ym。得到的湍动能方程和湍动能耗散率方程如下：

根据RNG理论，其中：

由于旋涡影响而修正的湍流粘度：

式（7）中μt0等于式（6）中的μt，Ω是FLUENT中考虑旋涡而估计的一个量，αs是一个常量，取决于流动主要是旋涡还是适度的旋涡，本文流动为适度的旋涡取αs=0.05。k方程和e方程中的湍流Prandtl数αk=αε=1.393。

1.4 边界条件

1）操作环境：设风机进口压力为1个标准大气压，空气密度为1.2kg/m3；

2）气流进口：速度进口边界条件；

3）气流出口：压力出口边界条件；

4）壁面边界：风道内壁、叶片表面、轮毂及支撑均为不滑移固壁边界条件；

5）叶轮流体区域：移动类型为MRF，转速设置为187rad/s。

2 结果与讨论

2.1 数值模拟的实验验证

数值模拟结果可靠性检验是运用数值模拟方法分析风机气动性能的重要步骤。本文冷却塔风机的实验验证采用B型试验管道，用皮托静压管测定流量。图3所示为模拟值与实验值的风机静压曲线和全压曲线。从特性曲线图可以看出，标准k-epsilon模型无法准确地反映风机性能，而考虑湍流旋涡的RNG k-epsilon模型则可以较为准确地预测风机性能曲线，其与试验数据的偏差不超过10%。说明数值模拟结果精度良好，可靠性较高。

图3 轴流通风机特性曲线图

2.2 整机通流部分静压分布

图4为风机额定工况下子午面Y=0与Z=0的静压分布。由于前导叶和后导叶的叶片数为奇数，所以切割截面时容易出现不对称的现象。

静压由风道进口到风道出口先减小后增大，在叶轮进口处静压达到最小值，在扩散器出口处静压达到最大值。叶轮和后导叶附近压力梯度变化较大的原因是存在涡流损失、环形壁面损失和翼型损失等。

图4 额定工况下子午面上的静压分布图

2.3 整机通流部分全压分布

图5为风机额定工况下子午面上的全压分布。从图中可以看出全压总体分布规律是沿气流运动方向先减小后增大再减小。其中叶轮进口处全压值最小，叶轮出口处全压值最大。在扩散器中全压减小，体现了动压能转换为静压能的过程中存在着流动损失。

图5 额定工况下子午面上的全压分布图

2.4 叶栅、叶片表面静压分布

图6为风机叶栅和叶片工作面与非工作面的静压等值线图。从气流流入方向看，叶轮沿顺时针方向转动。通过叶轮做功完成机械能与动能、压能的转化，所以静压从叶轮进口到出口逐渐在增大。叶片工作面是迎风面，静压分布较为均匀；叶片非工作面即背风面，静压梯度较大。叶轮在高速旋转容易产生涡流损失，叶顶部压力大于叶根部。

图6 叶栅和叶片表面的静压分布图

2.5 整机通流部分速度场

图7为风机通流部分子午面上的速度场。气体由风道进口流入风机后，经过前导叶导流进入叶轮；电机拖动叶轮做功将电能转化为机械能并进一步转化为气体的动能和压能，此时气流的流速最高、动压最大，同时气流的周向分速度达到最大；经过后导叶，将周向分速度转化为轴向速度，但动压仍然很大，约占全压的30%以上；气流进入扩散器完成减速增压的过程，将动压能转化为静压能。

图7 额定工况下子午面上的速度场图

2.6 前导叶结构尺寸优化

由于受尺寸、重量和电机功率的约束，重载机车冷却风机的设计成为国内外风机开发中的难题。本文研究对象要求额定工况点的体积流量12m3/s，而风机静压应该达到1 600Pa左右。经分析光对叶轮和后导叶的改进已经无法满足上述性能要求，因此本文对前导叶进行启发式优化，找到最佳设计方案。所得结果见表2。

表2 不同设计方案结果分析表

从表2可知方案6基本满足静压升的要求，是为前导叶叶片曲率半径200mm、圆弧叶片夹角为40°、13个叶片的设计方案。并且此方案效率较高，在实际应用中也能够做到高效节能。如果需要提高风机静压，而叶轮和后导叶的改进已经很困难时，设置前导叶是很有效的方法。在风机前导叶设计中，需要综合调整叶片曲率直径、叶片夹角和叶片个数。单独调整某一项，不仅无法满足要求反而还会带来许多负面影响。同时，叶片个数的增加还应考虑风机超重的问题。

3 结论

本文利用计算流体力学（CFD），对重载机车轴流冷却通风机内部流场及前导叶气动性能进行了数值研究，获得的主要结论如下：

1）叶片工作面静压分布较为均匀，非工作面静压梯度较大，叶顶部压力大于叶根部。

2）前导叶曲率直径400mm、圆弧夹角为40°、13个叶片时，可以满足该冷却风机额定工况要求。此时的风机流量为12m3/s，静压为1 590Pa，效率为78.8%。

3）标准k-epsilon模型无法准确地反映风机性能，而考虑湍流旋涡的RNG k-epsilon模型则可以较为准确地预测风机性能曲线，其与试验数据的偏差不超过10%。

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[13]丁祖荣.流体力学（上册）[M].北京：高等教育出版社，2003.

Research on Optim izing the Front Guide Vane Structure Dimension for the Im provement of a Coo ling Fan Performance in Heavy-duty Locomotive

Li Yiming,Li Baokuan/Northeastern University;
Chen Zhongcai/SBW Ventilation Equipment Co.,Ltd.

In this paper,a numericalmodel has been proposecl to study the inner flow field and aerodynamic performance and to optimize the front guide vahe.The RNG k-epsilon turbulence model and the SIMPLE algorithm were applied to this simulation to analyze the steady flow field and pressure distribution.Seven disparate structures of front guide vanes were compared to determine the best design for high-efficiency and energy-saving.The results elucidate that the static pressure decreases first and then increases，the total pressure increases after decreased first and then decreases.Compared to the homogeneous distribution in front side of vane,the pressure gradient in the back side is great.The front guide vane with 400-millimeter-diameter,40-degree angle and 13 blades canmeet the requirements of rated condition.

cooling fan;numerical simulation;flow field analysis;design of frontguide vane;optimization

TH432.1；TK05

A

1006-8155（2015）04-0032-06

10.16492/j.fjjs.2015.04.076

国家自然科学基金资助项目No.50934008

2014-11-15辽宁沈阳110819