基于有限元的主发电机进风道设计

刘敬知

摘 要：以160km客运内燃机车为实例，结合有限元仿真技术和性能计算，设计出了满足阻力要求的主发电机进风道，为今后的类似设计提供了参考。

关键词：内燃机车；风道；结构设计；有限元

1.背景

内燃机车上有大量需要散热的部件，要利用风道来连接风源，为其提供冷却用风。但由于空间、结构等原因，该类风道往往结构复杂且异形结构，能够巧妙的布置符合要求的风道尤为重要。本文以160km客运内燃机车为实例，并结合有限元仿真技术和性能计算，设计出了满足阻力要求的主发电机进风道，为今后的类似设计提供了参考。

2.工作原理

首次在干线内燃机车上布置冷却塔，该部件主要用于集中冷却从机车主变流器、辅助变流器以及主发电机所产生的热量。混流式主冷风机安装在冷却塔主体机架内，首先由风机将冷却空气从机车电机室吸入，经过冷却塔散热器，将冷却液冷却后，冷却空气从冷却塔底部进入主发电机冷却风道，最后对主发电机冷却，随后排向车外。部件外形具体见图1：

3. 主发电机进风道结构设计

3.1方案设计

风道设计时，应尽可能降低阻力来为整个系统腾出更多的设计余量。由于本例中受机车整体空间布局的限制，风道设计结构见图2。

3.2有限元仿真

3.2.1 网格划分

为了更准确的计算风道阻力，需要借助仿真分析软件ANSYS 14.0对箱体沿程阻力和局部阻力进行估算，本次分析主要利用几何模型处理工具ANSYS DM 、流体网格划分工具ICEM CFD及流体动力学分析软件FLUENT等软件，最终得到风道的流场分布和阻力特性。

从Creo 2.0输出到ANSYS中的模型，在ANSYS ICEM CFD中將模型处理为没有厚度的壁面来进行网格划分，针对进出口段增长了一部分管道，有利于提高CFD分析的收敛性以及分析精度。在该几何模型的基础上，使用ICEM CFD中的直接从几何体上划分网格的鲁棒性高的Octree的四面体划分网格，网格模型及流场场线见图3和图4：

3.2.2 边界条件及分析模型

边界条件见表1。

分析模型见表2。

3.2.3 分析结果

通过收敛曲线、监控变量的值是否不再变化及进出口流量差是否小于规定值来判断分析过程是否收敛，获得了风道阻力= 550pa。由于此阻力超过了设计需求，不满足要求，需要设计优化。

4.改进方案

4.1 优化项点

1）风道与冷却塔座设计了连接式倒流板2）在风道直段处，设计了均衡风速的导流板3）增大进风口，具体结构见下图5、6：

4.2 有限元仿真结果

网格划分及边界条件设置同上，最后获得优化后风道最大流速为66.31m/s，风道阻力位340pa。仿真结果满足设计要求，见图7。

5.结论

因为风道阻力与风速的平方成正比，所以在设计风道时需要尽可能的优化结构来降低风速。本文中通过优化主发电机进风道的结构，并通过有限元仿真，最终获得了满足要求的风道，并为今后类似设计提供了参考。

参考文献

[1]《计算流体力学》 王晓东译 东北大学出版社 2009.