出口苏丹CKD8S型内燃机车柴油机进气系统防风沙设计

安晓雁, 王东屏, 袁士瑞

(1　北京二七轨道交通装备有限责任公司　机车研发中心， 北京 100072；2　大连交通大学　机械工程学院, 辽宁大连 116028)



出口苏丹CKD8S型内燃机车柴油机进气系统防风沙设计

安晓雁1, 王东屏2, 袁士瑞2

(1北京二七轨道交通装备有限责任公司机车研发中心， 北京 100072；2大连交通大学机械工程学院, 辽宁大连 116028)

CKD8S型内燃机车是为苏丹铁路公司设计的交-直流电传动内燃机车，该车运用时环境温度高、风沙大且沙子的粒径较小；针对恶劣环境，该车的柴油机进气系统既要保证进气的清洁度，又要保证进气阻力满足柴油机工作的需求。首先为防风沙在有限车体空间内优化布置过滤元件，采用了全新的设计方案；其次应用CFD方法对该车柴油机进气通道的三维流场进行了数值仿真，获取内部流场的信息，得到进气通道各部分压力损失的量化结果，对风道的设计方案给予评估；进气阻力数值评估结果与该车出厂试验获得的试验数据相吻合，说明数值计算结果准确可靠，也证实此车进气系统的防风沙设计获得成功。

CKD8S型内燃机车; 防风沙; 值仿真; 进气道阻力评估

随着我国内燃机车发展，不断有非洲地区用户多车型的需求，我国内燃机车性价比高和较短的交货期是赢得用户青睐的重要因素，除去配件的采购期、生产期，缩短设计周期是每个设计部门力争做到的。传统做法是进气系统的设计较前实用车型有较大变化时应进行进气系统的试验或类比其他车型手工粗算进气腔道阻力。通过试验修改进气系统中过滤元件布置和进气通道的优化设计，这样设计周期长，试验成本高；因为腔道流场变化复杂，完全依靠类比其他车型手工粗算进气系统阻力又缺乏准确度。

针对出口苏丹CKD8S型内燃机车柴油机进气系统防风沙设计，采用新的设计程序，首先为防风沙在有限车体空间内优化布置过滤元件，设计初步的布置方案，采用三维建模，应用CFD方法对该车柴油机进气通道进行了数值仿真，获取内部流场的大量微观信息，对进气通道各部分进行压力数值评估。同时将进气风道阻力数值评估结果与该车出厂试验获得的数据相比较，验证数值计算结果的准确性。

1　结合车体有限空间设计进气系统防风沙结构

为防风沙本车柴油机进气系统采用了4级滤清，第1级为钢板网及无纺布, 第2级为4组惯性式空气滤清器, 第3级为6个纸筒滤清器,第4级为卡特比勒柴油机附件空滤器(单滤芯)；钢板网能阻隔树叶、纸片、块状物等体积较大的物体进入系统，防止进气系统的堵塞，无纺布和4组惯性式空气滤清器能滤掉空气中较大的颗粒，6个纸筒滤清器和卡特空滤器对空气进一步细滤，能滤掉空气中较小的颗粒，卡特比勒柴油机附件空滤器(单滤芯)又进一步细滤小颗粒，这样的多级滤清元件叠加使用； 6个纸筒滤清器增大了细滤的有效过滤面积和容尘量，并且进气通道安装密封，这样保证了进气过滤清洁度，起到防风沙的作用；在车体有限空间合理布置滤清元件及通道流畅是设计关键，4组惯性式空气滤清器和6个纸筒滤清器安装在进气箱内，钢板网及无纺布安装在进气箱门上，进气箱安装在柴油机输出端主发电机两侧墙上，卡特比勒柴油机附件空滤器吊装在车体内进气箱斜上方，车体两侧对称布置，系统布置图如图1所示，用CFD方法对该车柴油机进气通道进行了数值仿真和内部流场模拟，反复微调修改流程通道设计，使进气箱内部流场流畅并满足进气箱处内走廊通过能力，获得本车最佳防风沙进气系统布置图。

2　选用滤清元件及阻力分析

对所选用的滤清元件在工作中的阻力进行了分析。

根据柴油机相关参数：最大进气流量167.2 m3/min(标准工况)，柴油机增压器前(干净滤芯)≤3.7 kPa；所以单侧增压器空气体积流量按5 040 m3/h。采用4组惯性式空气滤清器并联，则每个惯性式空气滤清器流量为1 260 m3/h。

2.1气流经惯性式空气滤清器阻力

查相关表[1]:进气口至清洁空气出口阻力≤0.22 kPa。

2.2气流经纸筒式滤清器阻力

采用6组纸筒式滤清器并联，使经过惯性式空气滤清器滤清后的空气进一步过滤，根据厂家提供纸筒式滤清器试验报告[2]，纸筒式滤清器原始阻力≤0.5 kPa。

图1　进气系统布置图

2.3气流经卡特空滤器(单滤芯)的阻力

查相关阻力曲线[3]得1.67 kPa。

2.4钢板网组成的阻力

增加无纺布安装结构如图2示，这种结构可把大部分沙尘阻挡在车外。

图2　粗滤装置安装

气体流经无纺布及钢板网的阻力≤0.3 kPa。

其中无纺布的阻力由专业生产厂试验数据获得≤0.18 kPa[4]。

2.5滤清元件总阻力

CKD8S型内燃机车方案行程中滤清元件原始总阻力≤0.22+0.5+1.67+0.3=2.69 kPa。

根据柴油机要求进气阻力≤3.7 kPa，则进气通道整行程总阻力≤1.01 kPa。

3　进气通风道三维建模和CFD数值仿真检验进气通道布置的合理性

3.1进气通风道三维建模

进气通风道三维建模如图3所示，箭头指向为空气流动方向，虚线箭头为内部空气流动方向。

3.2进气通风道三维流场的数值仿真

计算流体力学(CFD)是近代流体力学、数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学。近年来，CFD已经被越来越多地应用到各个工程领域中。通过计算机模拟获得某种流体在特定条件下的有关信息，是工程技术人员用于分析和解决问题的强有力工具[5]。应用CFD方法对CKD8S型内燃机车柴油机进气通道流场进行数值仿真，对进气道内惯性式空气滤清器到纸筒滤清器之间的腔体、纸筒滤清器到卡特单滤芯空滤器之间的腔体、卡特单滤芯空滤器和柴油机之间的钢管三维流场，分别做了数值计算。

进气通道进气箱的构成为：外界空气经过门组成、直通旋流管式滤清器粗滤后由进风口进入风道，经过直通旋流管式滤清器到纸筒滤清器之间的腔体后，从纸筒侧面进入纸筒空滤器过滤,再由6个出风口排出，通过6个进风口进入由1个出风口排出，通过纸筒滤清器到卡特单滤芯空滤器之间的腔体，进入卡特单滤芯空滤器过滤后，通过钢管进入柴油机。图4和图5分别为进气通道进气箱上部和下部的计算模型。

图3　进气通风道方案模型

图4　进气通道进气箱下部模型

图5　进气通道进气箱上部模型

进气通道进气箱下部和上部流动腔体均采用四面体非结构性网格以适应复杂的几何结构，进气箱下部网格单元数为22.88万个，进气箱上部腔体网格单元数为16.81万个，网格质量良好。

过滤器内部流场的空气流动是三维、定常、不可压缩流动。根据流场特点，描述空气流动的控制方程包括连续性方程、Reynolds 时均Navier-Stokes 方程(Reynolds-Averaged Navier-Stokes，简称RANS)以及湍流模型方程[6-7]。

随着计算机硬件的发展及CFD软件的成熟，采用CFD商业软件进行工程计算及科研辅助日趋流行。本文采用了计算精度高且适用性好的Fluent流体分析软件。

应用有限体积法中常用的SIMPLE算法对离散方程进行求解，离散方程时，对流项采用二阶迎风格式，粘性项采用二阶中心差分格式。

3.3计算结果分析

在柴油机转速1 800 r/min，流量84 m3/min，进风口压力为-1.2 kPa工况下，通过数值分析，获得柴油机进气通道进气箱内部流场的量化结果。

图6是进气箱下部壁面压力分布云图。由于空气行程较短，压力沿程损失并不大。6个出风口压力分布较均匀。进气箱下部最大压强差为进风口3与出风口6的压力之差，即为

ΔP1=-1 215.30-(-1 350.66)=135.36Pa

故进气箱下部的压力损失，即气体流经直通旋流管式滤清器到纸筒滤清器之间的腔体压力损失为135.36 Pa。

从图7中看出，入口气流经过扁平的入口后,由于迎风面的阻挡作用,有回流现象，出口的流速分布均匀。

从图8中看出，进气箱上部拐角处由于风向的改变，气流受到阻力，拐角大圆弧处压力较大。出风口由于面积较小，气体通过速度快，压力较小。

根据数值计算结果及相关元件的数据得到CKD8S型内燃机车柴油机进气通道的整个压力损失。各部分/元件所产生的压力损失如表1所示。

图6　进气箱下部壁面压力分布

图7　进气箱下部截面速度分布

图8　进气箱上部壁面的压力分布

经过计算，得到了柴油机进气通道两个腔体和钢管的压力沿程损失总和ΔP，即为进气箱下部、进气箱上部、钢管压力损失之和。

135.36+125.31+487.94=748.61Pa

则进气通道整行程总阻力≤1.01 kPa, 根据设计要求，整个行程阻力P(柴油机进气前)≤3.7 kPa。

经计算可得P=3 392.11 Pa≤3.7 kPa。计算表明该设计符合要求。

4　试验运用情况

该车出厂前进行了试验，柴油机加载时进气系统阻力如表2所示。

在柴油机转速1 800 r/min下，进气阻力的计算结果是3.39 kPa，实验值为3.1 kPa，相对误差为9.35%。试验数据表明，进气阻力数值评估结果与该车出厂试验

获得的数据基本吻合，说明数值计算结果是准确的，同时也证明该车的进气系统的防风沙设计满足设计要求。

表2　柴油机进气阻力实验结果

5　结论

经过对柴油机进气系统新的防风沙设计方案的确定、对进气系统流场的数值分析及实车试验的综合研究，得出如下结论：

(1)经过数值分析结果和实车出厂试验数据的对比，试验值和计算结果的相对误差为9.35%，满足工程要求，说明数值计算结果是可靠的。

(2)试验表明，进气系统的进气阻力为3.1 kPa，小于3.7 kPa，验证了柴油机进气系统的防风沙设计方案满足设计要求。

(3)应用方案设计、数值分析及试验验证相结合的方法对柴油机进气系统进行设计，是一种很好的全新设计思路。

[1]TB 2722-2008 内燃机车用空气滤清器[S].

[2]卢文辉.圆筒式沙漠空气滤清器检验报告, (2006)ZJZ(JL)字第W-335号[R].铁道部产品质量监督检验中心.

[3]Caterpillar -3500 Airfilter options-AIR FILTERS - CIRCULAR - PERFORMANCE[Z].

[4]科德宝.ViledonP15系列超耐用滤棉(过滤级别G2-G4)产品使用说明[Z].宝翎无纺布(苏州)有限公司

[5]王东屏,兆文忠,马思群.CFD数值仿真在高速列车设计中应用[J].铁道学报,2007,29(5):64-68.

[6]田红旗. 列车空气动力学[M].北京：中国铁道出版社, 2007.

[7]王福军. 计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社, 2004.Blown Sand Prevention Design for Diesel Engine Air Intake System of CKD8SDiesel Locomotives Exported to Sudan

ANXiaoyan1，WANGDongping2，YUANShirui2

(1Locomotive R & D Center, Beijing Feb.7th Railway Transportation Equipment Co., Ltd., Beijing 100072, China；2College of Mechanical Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028 Liaoning, China)

CKD8Sdiesel locomotive is a kind of AC-DC electric diesel locomotives which is designed for Sudan Railway Company. This kind of locomotives are working in conditions combined with high temperature，heavy wind and dust. Moreover, the size of the sand is small. According to the harsh environment, the locomotive′s engine air intake system should not only guarantee the purity of the air intake, but also ensure the air intake resistance to meet the working requirements of diesel engine. First of all, in order to prevent blown sand, this paper uses a new design about optimal layout of filter elements in the finite body space. Secondly, this paper adopts the method of CFD, conducts a numeric simulation in Three-Dimensional flow field of the diesel engine′s air intake channel, gains the information of internal flow field, obtains the quantitative results of partial pressure loss of the inlet channel, and evaluates the design of air duct. The numerical evaluate results of the air intake resistance are in agreement with the experimental data which is obtained from the ex-factory experiment. It is proved that the results of numerical calculation are correct and reliable, and it also confirms that the blown sand prevention design of the air intake system is successful.

CKD8Sdiesel locomotive; blown sand prevention; numeric simulation; air intake resistance evaluation

1008-7842 (2016) 02-0037-04

��)女，高级工程师(

2016-01-05)

U262.23+5

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.08