機(jī)車碳纖維冷卻風(fēng)扇和鑄鋁冷卻風(fēng)扇的對(duì)比研究

欒寶奇 曹富智 董志忠 陸 巖 佟寶儀

（1.中車大連機(jī)車車輛有限公司；2.沈陽(yáng)市沈飛專用設(shè)備廠）

0 引言

機(jī)車?yán)鋮s風(fēng)扇材質(zhì)長(zhǎng)期以來(lái)一直以金屬材料為主，金屬材料因具有硬度大、變形小、屈服強(qiáng)度高等特點(diǎn)被長(zhǎng)期使用。但它也存在諸多不利因素，如阻尼性能較差，可能導(dǎo)致振動(dòng)引發(fā)的噪聲問(wèn)題；質(zhì)量大，容易引起傳動(dòng)軸的振動(dòng)而產(chǎn)生噪聲；容易出現(xiàn)空泡腐蝕和誘發(fā)疲勞裂紋現(xiàn)象等。

為了提升現(xiàn)有機(jī)車?yán)鋮s風(fēng)扇的性能，我公司于2015年開始以HXN3型機(jī)車鑄鋁冷卻風(fēng)扇為原型，研究碳纖維復(fù)合材料在機(jī)車?yán)鋮s風(fēng)扇上的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)了幾年的研制工作，碳纖維冷卻風(fēng)扇在地面試驗(yàn)、裝車試驗(yàn)和運(yùn)用考核中都體現(xiàn)出了明顯的性能優(yōu)勢(shì)。

1 風(fēng)扇設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)述

傳統(tǒng)機(jī)車?yán)鋮s風(fēng)扇的設(shè)計(jì)采用葉柵理論及二維假設(shè)方法[1]，該方法的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、快速；缺點(diǎn)是偏差較大，對(duì)風(fēng)扇的氣動(dòng)性能，尤其是對(duì)整體效率無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算，只能借助工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估算。

在碳纖維冷卻風(fēng)扇的設(shè)計(jì)階段采用了設(shè)計(jì)、建模、優(yōu)化三維一體的設(shè)計(jì)方法。風(fēng)扇設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 冷卻風(fēng)扇設(shè)計(jì)流程圖Fig.1 The design process for cooling fan

設(shè)計(jì)過(guò)程中以葉輪初步設(shè)計(jì)外形或基礎(chǔ)葉輪外形為基礎(chǔ)，進(jìn)行優(yōu)化和參數(shù)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化參數(shù)主要包括：基礎(chǔ)翼型，安裝角，各個(gè)剖面的扭轉(zhuǎn)角、弦長(zhǎng)、后掠角以及局部加厚系數(shù)。參數(shù)化設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)：基于特征、全尺寸約束、全數(shù)據(jù)相關(guān)的尺寸驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)修改。

經(jīng)過(guò)系列典型參數(shù)葉輪計(jì)算結(jié)果，采用模糊邏輯建模方法，建立出風(fēng)扇性能與風(fēng)扇參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，基于此數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建出符合設(shè)計(jì)要求的風(fēng)扇參數(shù)，然后進(jìn)行CFD模擬驗(yàn)證[2]，確定風(fēng)扇各項(xiàng)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，最后進(jìn)行樣機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證。

在風(fēng)扇參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先對(duì)基礎(chǔ)翼型進(jìn)行優(yōu)化?；A(chǔ)翼型優(yōu)化分兩部分：翼型選取與翼型參數(shù)優(yōu)化。翼型選取工作中采用專業(yè)的航空翼型計(jì)算軟件PROFILI進(jìn)行基礎(chǔ)葉片形狀的選取。在翼型優(yōu)化過(guò)程中采用兩步法，首先依據(jù)CFD數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)翼型流動(dòng)特征進(jìn)行分析（見圖2），重點(diǎn)分析流動(dòng)分離邊界的流動(dòng)特征，借助豐富的空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)翼型進(jìn)行局部修形，以盡量提供翼型上的層流區(qū)，盡量降低逆壓梯度以避免流動(dòng)分離。

圖2 冷卻風(fēng)扇流場(chǎng)特征分析Fig.2 Fluid analysis for cool fan

然后采用國(guó)際流行的響應(yīng)面優(yōu)化方法[3]對(duì)翼型參數(shù)進(jìn)行具體優(yōu)化。在設(shè)計(jì)空間內(nèi)采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論對(duì)給定的設(shè)計(jì)點(diǎn)集合進(jìn)行試驗(yàn)，得到目標(biāo)函數(shù)的響應(yīng)面模型，來(lái)預(yù)測(cè)非試驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)值[4]。

基礎(chǔ)翼型優(yōu)化后，采用經(jīng)典的等環(huán)量設(shè)計(jì)方法對(duì)葉輪扭轉(zhuǎn)角和弦長(zhǎng)進(jìn)行初步布置，以得到基礎(chǔ)葉輪，對(duì)基礎(chǔ)葉輪進(jìn)行CFD模擬。CFD氣動(dòng)評(píng)估貫穿風(fēng)扇設(shè)計(jì)的始終，計(jì)算軟件及計(jì)算方案的準(zhǔn)確性和合理性對(duì)風(fēng)扇設(shè)計(jì)有較大的影響。在計(jì)算軟件方面，可采用Ansys CFX進(jìn)行風(fēng)扇的性能計(jì)算，在計(jì)算方法方面，風(fēng)扇性能的評(píng)估一般采用求解時(shí)均化的雷諾平均N-S方程的方法（RANS），通過(guò)周期性交界面及動(dòng)靜交界面等特殊處理方式，求解風(fēng)扇穩(wěn)態(tài)/非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)，通過(guò)相關(guān)的后處理軟件能夠獲得全流場(chǎng)的詳細(xì)氣動(dòng)參數(shù)，展示全三維的流場(chǎng)細(xì)節(jié)，支撐氣動(dòng)方案的性能評(píng)估及優(yōu)化設(shè)計(jì)。

由于機(jī)車?yán)鋮s風(fēng)扇具有低壓比的特點(diǎn)，在CFD模擬中存在著一定的難點(diǎn)[5]，主要體現(xiàn)在風(fēng)扇效率計(jì)算誤差大。針對(duì)此技術(shù)問(wèn)題，做了大量的技術(shù)研究工作。研究發(fā)現(xiàn)不同進(jìn)出口管道長(zhǎng)度對(duì)風(fēng)扇效率的計(jì)算結(jié)果影響極大（見表1）。在開展冷卻風(fēng)扇的設(shè)計(jì)時(shí)，完全針對(duì)冷卻風(fēng)扇的使用工況進(jìn)行模擬，確保設(shè)計(jì)參數(shù)能夠符合實(shí)際使用要求。

表1 冷卻風(fēng)扇不同進(jìn)出口長(zhǎng)度下的效率值比較Tab.1 Efficiency comparison for cooling fan

2 碳纖維風(fēng)扇的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)分析

2.1 質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

碳纖維復(fù)合材料具有低密度、高強(qiáng)度和高剛度的優(yōu)點(diǎn)（見表2），因此與鑄鋁冷卻風(fēng)扇相比，碳纖維冷卻風(fēng)扇的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量均降低了約30%（見表3）。

表2 碳纖維復(fù)合材料和鑄鋁材料的力學(xué)性能對(duì)比Tab.2 Comparison of mechanical properties of carbon fiber and cast aluminium

表3 碳纖維冷卻風(fēng)扇和鑄鋁冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的對(duì)比Tab.3 Comparison of rotational inertia of two cooling fan

質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的降低可以帶來(lái)以下優(yōu)勢(shì)：

1）主軸所受載荷和不平衡力降低、振動(dòng)更穩(wěn)定，風(fēng)扇輸出功率更平滑、穩(wěn)定。

2）降低了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的能量消耗，改善了電機(jī)運(yùn)行負(fù)荷，從而減少電機(jī)故障，延長(zhǎng)使用壽命。

3）降低了驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸承所受到的載荷，增加了軸承的使用壽命。

4）將鑄鋁葉輪改為碳纖維葉輪后，總質(zhì)量降低，故轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速得到提升。

將葉輪和主軸作為一體進(jìn)行振動(dòng)分析，轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速為

其中，C為主軸的剛度系數(shù)；m為主軸和葉輪的總質(zhì)量。

2.2 抗形變能力

由碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能決定（見表2），碳纖維冷卻風(fēng)扇的強(qiáng)度和剛度都遠(yuǎn)高于鑄鋁冷卻風(fēng)扇，因此碳纖維冷卻風(fēng)扇具有出色的抗形變能力。

本次研制的HXN3型機(jī)車?yán)鋮s風(fēng)扇質(zhì)心距離轉(zhuǎn)軸距離約0.4m，冷卻風(fēng)扇在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，要受到巨大的離心力和氣流作用于葉片上的法向力。

通過(guò)有限元分析得出，在轉(zhuǎn)速2 000r/min時(shí)，鑄鋁冷卻風(fēng)扇單個(gè)葉片的離心力約能達(dá)到31kN，而碳纖維冷卻風(fēng)扇約為20kN，碳纖維冷卻風(fēng)扇所受的離心應(yīng)力明顯降低（見圖4、圖5）。此時(shí)鑄鋁冷卻風(fēng)扇和碳纖維冷卻風(fēng)扇的最大應(yīng)變分別為0.05mm和0.01mm（見圖7、圖8）。由此可見，碳纖維冷卻風(fēng)扇在工作狀態(tài)下自身抗形變能力要遠(yuǎn)超鑄鋁冷卻風(fēng)扇。

通過(guò)靜力試驗(yàn)（見圖7）驗(yàn)證，對(duì)碳纖維冷卻風(fēng)扇葉片施加徑向載荷，試驗(yàn)拉力達(dá)到30.49kN時(shí)，承載孔結(jié)構(gòu)破壞。對(duì)碳纖維冷卻風(fēng)扇葉片施加軸向載荷，試驗(yàn)拉力達(dá)到3.45kN時(shí)，葉片內(nèi)部組織開始斷裂；試驗(yàn)拉力達(dá)到6.2kN時(shí)，葉片破壞。試驗(yàn)指標(biāo)遠(yuǎn)高于鑄鋁冷卻風(fēng)扇。

圖3 鑄鋁冷卻風(fēng)扇的離心應(yīng)力分析Fig.3 Centrifugal stress analysis for cast aluminum fan

圖4 碳纖維冷卻風(fēng)扇的離心應(yīng)力分析Fig.4 Centrifugal stress analysis for carbon fiber fan

圖5 鑄鋁冷卻風(fēng)扇的葉片應(yīng)變分析Fig.5 Strain analysis for cast aluminum fan

圖6 碳纖維冷卻風(fēng)扇的葉片應(yīng)變分析Fig.6 Strain analysis for carbon fiber fan

圖7 碳纖維冷卻風(fēng)扇的葉片靜力試驗(yàn)Fig.7 Static test for carbon fan

2.3 制造工藝

采用先進(jìn)的風(fēng)扇設(shè)計(jì)技術(shù)能夠設(shè)計(jì)出空氣動(dòng)力性能優(yōu)越的風(fēng)扇外形，但實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中常常面臨以下問(wèn)題：

1）風(fēng)扇葉型一般要求達(dá)到二階連續(xù)以上的精度，才能保證葉片的氣動(dòng)性能[6]，特別是葉片前緣、后緣通常采用圓弧或橢圓弧的型線避免氣流在前緣滯止點(diǎn)及后緣分離點(diǎn)產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍流摻混，保證氣流順暢過(guò)渡，傳統(tǒng)鑄鋁材料的特性無(wú)法保證這么高的精度，常常造成風(fēng)扇實(shí)際性能與理論設(shè)計(jì)出現(xiàn)較大偏差。

通過(guò)CFD模擬方法對(duì)碳纖維冷卻風(fēng)扇和鑄鋁冷卻風(fēng)扇的靜態(tài)氣動(dòng)性能進(jìn)行計(jì)算。由于碳纖維冷卻風(fēng)扇的后緣厚度小于鑄鋁冷卻風(fēng)扇后緣厚度，為了便于分析，CFD模擬方法僅設(shè)定兩者葉片的后緣厚度不同，將冷卻風(fēng)扇置于均勻氣流中，風(fēng)扇根部迎角為28°，來(lái)流速度50m/s。從兩者計(jì)算結(jié)果繪制的極曲線對(duì)比（見圖8）可以看出鑄鋁風(fēng)扇的后緣厚度明顯加速了后緣氣流的分離，最大升阻比比碳纖維冷卻風(fēng)扇高8%左右。因此冷卻風(fēng)扇后緣厚度的增大，明顯增加了翼型的阻力，必將惡化風(fēng)扇的空氣動(dòng)力特性。

圖8 碳纖維冷卻風(fēng)扇和鑄鋁冷卻風(fēng)扇極曲線對(duì)比Fig.8 Polar curve contrast for cooling fan

風(fēng)扇噪聲預(yù)測(cè)借助計(jì)算流體力學(xué)（CFD）和計(jì)算聲學(xué)（CAA），使用非定常的氣動(dòng)計(jì)算結(jié)果，再采用采用聲類比法計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲[7]。其中后緣噪聲在風(fēng)扇噪聲中占很大部分，相關(guān)資料[8]研究表明，單獨(dú)翼型后緣厚度不同時(shí)，噪聲存在一定的差異。資料中針對(duì)超臨界翼型不同后緣厚度計(jì)算所得到的噪聲值（見圖4），可以看出冷卻風(fēng)扇的后緣厚度越小，風(fēng)扇的后緣噪音越低。

表4 不同后緣厚度的功率譜密度峰值頻率及聲壓級(jí)對(duì)比Tab.4 Noise contrast for cooling fan

由于加工條件的限制，采用鑄鋁材料的冷卻風(fēng)扇的葉型無(wú)法精確實(shí)現(xiàn)。而碳纖維冷卻風(fēng)扇的葉型制造可以完全模擬理論外形，有效抑制氣流的分離，從而提高風(fēng)扇的氣動(dòng)性能，降低氣動(dòng)噪聲。

2）冷卻風(fēng)扇的性能損失主要包括葉型損失、二次流損失和機(jī)械損失等，其中葉型損失和二次流損失與附面層特性直接相關(guān)[9]，而粗糙度過(guò)大會(huì)帶來(lái)附面層流動(dòng)紊亂、附面層增厚和分離加劇等負(fù)面影響，降低風(fēng)扇效率。

由于風(fēng)扇表面的氣流流動(dòng)屬于亞聲速范疇，風(fēng)扇阻力主要由摩擦阻力構(gòu)成，而風(fēng)扇表面粗糙度對(duì)氣流阻力顯然具有明顯的影響。由相關(guān)資料[10]可知，對(duì)典型軸流風(fēng)扇葉片局部進(jìn)行粘貼粗糙片試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)效率可提高2%以上。

由于加工條件的限制，采用鑄鋁材料的冷卻風(fēng)扇葉片表面粗糙度過(guò)大，粗糙度不低于3.2。而碳纖維冷卻風(fēng)扇葉片的表面粗糙度可達(dá)到0.8，摩擦阻力小，氣流能量損失低，風(fēng)扇效率高。

3）由于加工條件的限制，采用鑄鋁材料的冷卻風(fēng)扇在鑄造過(guò)程中常常會(huì)出現(xiàn)氣泡或沙眼等缺陷，加之材料本身剛度差、易變形的特點(diǎn)，冷卻風(fēng)扇長(zhǎng)時(shí)間在高溫、沙塵、腐蝕等惡劣的環(huán)境下工作容易變形和損傷。

碳纖維冷卻風(fēng)扇的制造采用夾心結(jié)構(gòu)模具工藝，將預(yù)先浸有樹脂的碳纖維布裁剪成特定形狀，并鋪覆于模具表面，在其形成的空腔內(nèi)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡的方式，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的一體化成型，具有無(wú)焊縫、無(wú)拼接的特點(diǎn)。葉片表面附有耐磨層，降低了風(fēng)扇葉片工作時(shí)的沖蝕磨損[11]，提高了風(fēng)扇葉片長(zhǎng)期運(yùn)用的可靠性，降低了風(fēng)扇氣動(dòng)性能的衰減。結(jié)構(gòu)件中機(jī)械連接部分通過(guò)在泡沫芯中埋設(shè)預(yù)埋件的方式成型。

通過(guò)碳纖維葉片與鑄鋁葉片的外觀對(duì)比（見圖9），碳纖維冷卻風(fēng)扇的幾何外形與理論外形高度契合，因此碳纖維冷卻風(fēng)扇的空氣動(dòng)力性能損失量小，同時(shí)不易變形，耐沖蝕磨損，耐沖蝕磨損，長(zhǎng)時(shí)間使用空氣動(dòng)力性能不降低，可靠性高。

圖9 碳纖維葉片（白色）與鑄鋁葉片（灰黑色）外觀對(duì)比Fig.9 Appearance comparison for cooling fan（white:carbon fiber,black:cast aluminium）

3 地面性能試驗(yàn)對(duì)比

碳纖維冷卻風(fēng)扇設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)進(jìn)行了氣動(dòng)性能試驗(yàn)，隨后使用同一臺(tái)電機(jī)進(jìn)行了鑄鋁冷卻風(fēng)扇的氣動(dòng)性能試驗(yàn)，結(jié)合圖10、圖11、圖12的性能曲線對(duì)比分析如下：

圖10 通風(fēng)量與靜壓對(duì)比曲線Fig.10 The performance curve of flow rate and static pressure

圖11 通風(fēng)量與軸功率對(duì)比曲線Fig.11 The performance curve of flow rate and shaft power

圖12 通風(fēng)量與效率對(duì)比曲線Fig.12 The performance curve of flow rate flow and efficiency

1）通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)要求的對(duì)比，碳纖維風(fēng)扇的通風(fēng)性能提高了10%，功率消耗降低了7.6%。

2）通過(guò)碳纖維風(fēng)扇與鑄鋁風(fēng)扇在實(shí)際工作點(diǎn)位置的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，碳纖維風(fēng)扇功率消耗降低23%。鑄鋁風(fēng)扇存在超功率的問(wèn)題。

3）從設(shè)計(jì)考核點(diǎn)到實(shí)際考核點(diǎn)區(qū)間，碳纖維風(fēng)扇的實(shí)際效率要高于鑄鋁風(fēng)扇。

因此采用碳纖維材質(zhì)能夠有效改善葉片的空氣動(dòng)力學(xué)性能，減少對(duì)輪軸的負(fù)載，提高風(fēng)扇效率。

4 裝車性能對(duì)比試驗(yàn)

在環(huán)境溫度、運(yùn)用條件（風(fēng)扇全速）及外部條件基本相同的情況下，保持相同的冷卻水平衡溫度，記錄冷卻風(fēng)扇的電壓、電流及噪聲值（見表4）。

通過(guò)裝車性能對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出碳纖維冷卻風(fēng)扇具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）碳纖維冷卻風(fēng)扇功率消耗比原裝鑄鋁冷卻風(fēng)扇低了15.9%～18.6%。

2）通過(guò)在相同測(cè)點(diǎn)位置測(cè)得的噪聲數(shù)據(jù)可以看出，碳纖維葉片冷卻風(fēng)扇的噪聲比原裝鑄鋁葉片冷卻風(fēng)扇降低了1～2dB(A)。

5 運(yùn)用考核

完成性能試驗(yàn)后，在沈陽(yáng)鐵路局通遼機(jī)務(wù)段配屬的2臺(tái)HXN3型內(nèi)燃機(jī)車上裝用了碳纖維冷卻風(fēng)扇進(jìn)行運(yùn)行考核。

其中，HXN30025機(jī)車，于2017年7月3日更換碳纖維風(fēng)扇并投入使用，截止2018年5月17日，該車運(yùn)行里程10.3萬(wàn)公里。HXN30045機(jī)車，于2017年7月24日更換碳纖維風(fēng)扇并投入運(yùn)用，截止2018年5月17日，該車運(yùn)行里程10.9萬(wàn)公里。

使用考核期間，通過(guò)CMD系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，在同一日期、環(huán)境溫度、牽引區(qū)段，基本相同的牽引噸數(shù)和相同的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速情況下，這兩臺(tái)機(jī)車的油水溫度比其它裝用鑄鋁冷卻風(fēng)扇的機(jī)車降低了3℃～5℃，這兩臺(tái)機(jī)車的冷卻系統(tǒng)能力有明顯改善。

6 結(jié)論

碳纖維復(fù)合材料質(zhì)量輕、剛度和強(qiáng)度高，同時(shí)還具有良好的耐化學(xué)腐蝕、耐油、耐熱空氣老化、耐低溫和阻燃性能好等特點(diǎn)。采用碳纖維復(fù)合材料，結(jié)合先進(jìn)的風(fēng)扇外形設(shè)計(jì)能力，能夠生產(chǎn)出外形高度契合理論設(shè)計(jì)的風(fēng)扇葉型，有效改善冷卻風(fēng)扇的氣動(dòng)性能，減少輪軸負(fù)載，降低功率消耗和氣動(dòng)噪聲，可以在機(jī)車通風(fēng)冷卻技術(shù)領(lǐng)域推廣使用。