城际动车组通风设备风冷性能影响特性试验研究

徐翠强，周伟，苏义，汪秀平，李国飞

（1.中国中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111； 2.中南大学交通运输工程学院，轨道交通安全教育部重点实验室，湖南长沙410075）

近年来，高速动车组发展迅速，与此同时，城际动车组的服役性能也逐渐受到国内外学者的研究和关注[1-2]. 城际动车组由于其行程距离短，提速快，因此对相关关键设备的可靠性要求也比较高. 牵引变压器和牵引变流器是大功率用电器，对列车的安全性和提速能力起着至关重要的作用. 城际动车组采用动力集中的设计理念，该设计将变压器和变流器及其冷却装置放置于集成一体的动力包中[3]. 相关研究显示，高温是导致关键电子设备伤毁的主要原因之一，温度过高一方面会使设备的性能降低，另一方面会使系统整体运行的稳定性降低. 因此对通风设备的风量性能进行研究是极有必要的[4-6]. 本文将采用截面多点风速测量法对城际动车组运行过程中变流器的通风量进行跟踪测试，分析头尾车运行时的空气动力效应对变流器冷却通风性能的影响特性，以期为动车组关键电气设备冷却通风的风量设计提供科学依据.

1 试验方法

1.1 通风量测量模型

风速风量测试基于皮托管测差压原理，由皮托管检测到压差，再经过差压传感器转换为模拟量进行数据采集；具体针对每一个进出风口的形状、大小，布置多个风速管，测量空气流速，通过对进、出风口积分求得流量，风速测量模型如图1 所示.

图1 等截面口通风量多点风速测量模型

以变流器出风口截面为例，将截面等分为8 个子区域，各子区域的通风面积分别定义为 A1、 A2、A3、 A4、 A5、 A6、 A7和 A8，在各子区域的中心位置布置靠背管风速测点，各测点风速分别定义为v1#、 v2#、 v3#、 v4#、 v5#、 v6#、 v7#和 v8#，则出风口总截面通风量为：

实际上，由于8 个子区域为总截面的等分区域，因此有：

其中， A 为总通风截面积. 因此出风口总截面通风量又可以表示为：

即为8 个测点风速的平均风速为表征的出风口通风量测试模型.

1.2 测点布置

选取长株潭城际运营线路CRH6F 动车组的1 车变压器和7 车变流器进行通风量测试（见图2）. 1 车变压器出风口截面尺寸为440 mm ×780 mm ，设置4 个风速测点；7 车变流器出风口截面尺寸为470 mm ×1440 mm ，设置8 个风速测点. 为避免风速测量影响截面的流场分布，采用可折弯细铜管制成靠背管，靠背管用细扎丝和强力胶带固定在横直铁丝上，靠背管的感压位置设置在各子区域的中心点位置；靠背管与差压传感器通过导压软管连接，软管长度均在2 m 范围内，且采用相同的靠背管—导压软管—差压感应元方式，在标准风洞进行标定，得到测量差压与来流风速之间的数学关系.

图2 7车变流器、1 车变压器出风口风量测试靠背管安装图

1.3 数据采集

通风设备出风量的风速测点为靠背管风压感知测点，其感知压力通过导压软管与差压传感器连接，传感器信号通过放大器放后进行数字信号转换，由数据采集相关数据设备采集并存储至本地计算机，经数据分析系统转换成风量数据.

2 变流器风量分析

CRH6F 城际动车组的变流器进风口设置在设备舱内部，其进风来源除了从通风裙板进入设备舱内的外部环境风，还有设备舱内部的引导气流. 变流器进风口正对位置的密封裙板为通风裙板，在通风裙板内侧安装滤网以过滤外部进风的污物颗粒，本次试验中将对比分析管式迷宫格栅+滤网、现车迷宫格栅+滤网与格栅+滤网3 种不同的通风滤网形式（见图3）.

图3 不同通风裙板形式对比

2.1 运行方向的影响

当动车组车速低于5 km/h 时，变流器冷却风机为半速工作模式；当车速高于5 km/h 时，变流器风机调整为全速工作模式. 为比较不同运行交路和运行方向下列车气动效应对设备通风的影响，选取长沙—株洲、长沙—湘潭运行交路下，7 车现车迷宫+滤网式通风裙板的通风量实测数据进行分析，动车组在长沙至株洲、长沙至湘潭间往返运行的变流器出风口风量实测时程曲线如图4 所示.

图4 不同运行交路下7 车变流器出风口风量曲线图（现车迷宫格栅+滤网）

根据实车测试结果可知，当8 车作为头车运行时，7 车变流器设备靠近头车运行方向，其出风口风量在11 575 ～11 656 m3/h，高于额定工作风量10 600 m3/h；而当8 车作为尾车、7 车靠近尾车运行方向时，变流器出风口风量在10 142 ～10 258 m3/h，要低于额定工作风量10 600 m3/h.

图5 通风设备压力分布图

为定性分析头尾车效应对设备舱内变流器设备的冷却风量影响，动车组运行时，定义设备舱内部的压力为PSBC，设备舱外部压力为 PENV，风道内部压力定义为FDP . 变流器设备的进风口设置在设备舱内部、出风口为独立风道连通通风裙板至外部环境，冷却进风量一方面来源于设备舱内部气流，另一方面通过带滤网通风裙板来源于外部环境（见图5）. 设备舱内外压差可表示为 PSBC_ENV= PSBC–PENV，风道内部与设备舱内压差可表示为 PFD_SBC=PFD–PSBC，风道内部与设备舱外部压差可表示为 PFD_ENV=PFD–PENV.

由压力的传递关系，变流器出风口内外的差压可表示为：

由于冷却风量测点布置在变流器出风口，其通风量的大小，由风道内部与设备舱外部的差压PFD_ENV决定. 在动车组运行时，设备舱内外差压呈现内正外负的微正压状态，显然当风机功率一定的情况下，设备舱内外差压 PSBC_ENV越大，设备舱内部压力 PSBC增大，设备舱内的气流更易于通过风机进入风道，出风口内外差压 PFD_ENV总体变大趋势，因此出风口冷却风量增加；反之，当设备舱内外差压 PSBC_ENV变小时，设备舱内部压力SBCP 减小，同时设备舱内部气流通过风机进入风道的阻力增大，出风口内外差压 PFD_ENV总体呈现减小趋势，因此出风口冷却风量降低. 由以上分析可知，当设备舱内外差压增大时，变流器出风口冷却风量增加；反之则降低.

图6 8编组动车组头尾车运行工况的设备舱内外差压响应

根据8 编组动车组的设备舱内外差压实车试验结果[7]，当动车组全速运行时，头车运行工况下的设备舱动态内外差压为尾车运行工况的近2 倍，如图6 所示. 试验结果为动车组以200 km/h 运行的头尾车设备舱内外差压数据，本文所研究对象为160 km/h 的8 编组城际动车组，两者的编组形式相同、运行车速差异不大，试验结果的对比显示，对于城际动车组，其头车运行时的设备舱内外差压，必定大于尾车运行工况. 因此，当城际动车组的8 车作为头车运行时，7 车变流器冷却风量要高于8 车作为尾车运行下的设备通风量.

2.2 通风裙板形式的影响

变流器进风口的通风裙板采用现车迷宫格栅+滤网、格栅+滤网和管式迷宫格栅+滤网3 种不同的通风滤网时，变流器风机半速和全速工作时的出风口冷却风量对比如表1、图7 所示.

表1 不同通风滤网形式的变流器出风口冷却风量对比m3/h

3 种通风滤网形式中，以格栅+滤网通风形式的冷却通风量最大，管式迷宫格栅+滤网通风次之，现车迷宫格栅+滤网通风最小. 从结构形式上分析，格栅+滤网形式，为裙板的格栅与滤网之间直接过渡，风阻较小，外部环境气流在风机作用下更容易进入到设备舱内，因此进风量更大；管式迷宫格栅+滤网形式通风裙板无格栅，直接由前后交错式的管式迷宫与滤网组合进风，考虑了对外部气流防雨防尘，但风阻较大，因此进风量次之；现车迷宫+滤网形式为裙板格栅+并排式迷宫+滤网组合进风，其防尘效果明显，但风阻最大，也限制了变流器进风口风量.

从牵引变流器侧裙板进风风速的对比来看，格栅+滤网（5.49 m/s）＞管式迷宫格栅（3.14 m/s）＞现车迷宫格栅（2.53 m/s），这说明现车迷宫格栅的进风阻力最大. 为降低进风阻力，同时考虑牵引变流器内部元器件防水要求，建议变流器进风裙板采用管式迷宫格栅+滤网方案.

3 变压器风量分析

选取长沙—株洲—长沙运行交路的变压器冷却风量数据，由于变压器风机工作工况无半速与全速之分，动车组全速运行时，无论是1 车头车还是尾车运行工况，1 车变压器出风口风量均维持在一个比较稳定的范围，在37413 ～7973 m /h 之间变化，如图8 所示.

图7 不同通风滤网形式

与头尾车运行影响下7 车变流器的冷却风量特性不同，1 车变压器的进风来源有3 处：设备舱进风侧裙板、设备舱内部及敞开式底板结构（见图8-b），变压器的底部敞开式底板空隙较大，亦是变压器进风的主要来源，因此变压器的冷却风量受头尾车运行的空气动力效应影响不大.

图8 1车变压器出风口风量测试结果

4 结论

本文首次开展城际动车组电气设备的冷却通风跟踪测试工作，系统分析了不同运行方向下头尾车空气动力效应、不同进风口滤网形式对设备冷却通风的影响特性，

1）当通风设备近头车运行方向时，采用现车迷宫格栅+滤网通风形式下，变流器出风量在11 575 ～11656 m3/h ，高于额定工作风量10 600 m3/h ；而近尾车运行方向时，变流器出风量在10 142 ～10 258 m3/h，要低于额定工作风量10 600 m3/h. 建议在变流器风机额定工作风量设计时，考虑空气动力效应对变流器冷却通风的影响，按照5%的余量进行工作风量设计.

2）通过比较格栅+滤网、格栅迷宫+滤网与管式迷宫+滤网3 种滤网形式的变流器冷却风量，考虑低进风阻力与牵引变流器内部元器件防水要求，建议变流器进风裙板采用管式迷宫+滤网方案.

3）采用底部开放式进风的变压器设备，其冷却出风量维持在37 413 ～7973 m /h 之间变化，受头尾车运行的空气动力效应影响不大，因为变压器的进风来源包括进风侧裙板、设备舱内部和底部敞开式底板，其中底部敞开式底部间隙较大，是变压器进风的主要来源，因此其冷却风量较为稳定.

4）未来亟待开展头尾车空气动力效应对不同编组位置（如中间车）电气设备冷却通风的影响特性试验研究，并结合理论分析和数值仿真分析、验证试验结论，为电气设备冷却通风的工作风量设计、运行过程中的通风优化提供科学建议和理论依据.