城際動車組通風(fēng)設(shè)備風(fēng)冷性能影響特性試驗研究

徐翠強(qiáng)，周偉，蘇義，汪秀平，李國飛

（1.中國中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111； 2.中南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南長沙410075）

近年來，高速動車組發(fā)展迅速，與此同時，城際動車組的服役性能也逐漸受到國內(nèi)外學(xué)者的研究和關(guān)注[1-2]. 城際動車組由于其行程距離短，提速快，因此對相關(guān)關(guān)鍵設(shè)備的可靠性要求也比較高. 牽引變壓器和牽引變流器是大功率用電器，對列車的安全性和提速能力起著至關(guān)重要的作用. 城際動車組采用動力集中的設(shè)計理念，該設(shè)計將變壓器和變流器及其冷卻裝置放置于集成一體的動力包中[3]. 相關(guān)研究顯示，高溫是導(dǎo)致關(guān)鍵電子設(shè)備傷毀的主要原因之一，溫度過高一方面會使設(shè)備的性能降低，另一方面會使系統(tǒng)整體運(yùn)行的穩(wěn)定性降低. 因此對通風(fēng)設(shè)備的風(fēng)量性能進(jìn)行研究是極有必要的[4-6]. 本文將采用截面多點風(fēng)速測量法對城際動車組運(yùn)行過程中變流器的通風(fēng)量進(jìn)行跟蹤測試，分析頭尾車運(yùn)行時的空氣動力效應(yīng)對變流器冷卻通風(fēng)性能的影響特性，以期為動車組關(guān)鍵電氣設(shè)備冷卻通風(fēng)的風(fēng)量設(shè)計提供科學(xué)依據(jù).

1 試驗方法

1.1 通風(fēng)量測量模型

風(fēng)速風(fēng)量測試基于皮托管測差壓原理，由皮托管檢測到壓差，再經(jīng)過差壓傳感器轉(zhuǎn)換為模擬量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；具體針對每一個進(jìn)出風(fēng)口的形狀、大小，布置多個風(fēng)速管，測量空氣流速，通過對進(jìn)、出風(fēng)口積分求得流量，風(fēng)速測量模型如圖1 所示.

圖1 等截面口通風(fēng)量多點風(fēng)速測量模型

以變流器出風(fēng)口截面為例，將截面等分為8 個子區(qū)域，各子區(qū)域的通風(fēng)面積分別定義為 A1、 A2、A3、 A4、 A5、 A6、 A7和 A8，在各子區(qū)域的中心位置布置靠背管風(fēng)速測點，各測點風(fēng)速分別定義為v1#、 v2#、 v3#、 v4#、 v5#、 v6#、 v7#和 v8#，則出風(fēng)口總截面通風(fēng)量為：

實際上，由于8 個子區(qū)域為總截面的等分區(qū)域，因此有：

其中， A 為總通風(fēng)截面積. 因此出風(fēng)口總截面通風(fēng)量又可以表示為：

即為8 個測點風(fēng)速的平均風(fēng)速為表征的出風(fēng)口通風(fēng)量測試模型.

1.2 測點布置

選取長株潭城際運(yùn)營線路CRH6F 動車組的1 車變壓器和7 車變流器進(jìn)行通風(fēng)量測試（見圖2）. 1 車變壓器出風(fēng)口截面尺寸為440 mm ×780 mm ，設(shè)置4 個風(fēng)速測點；7 車變流器出風(fēng)口截面尺寸為470 mm ×1440 mm ，設(shè)置8 個風(fēng)速測點. 為避免風(fēng)速測量影響截面的流場分布，采用可折彎細(xì)銅管制成靠背管，靠背管用細(xì)扎絲和強(qiáng)力膠帶固定在橫直鐵絲上，靠背管的感壓位置設(shè)置在各子區(qū)域的中心點位置；靠背管與差壓傳感器通過導(dǎo)壓軟管連接，軟管長度均在2 m 范圍內(nèi)，且采用相同的靠背管—導(dǎo)壓軟管—差壓感應(yīng)元方式，在標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞進(jìn)行標(biāo)定，得到測量差壓與來流風(fēng)速之間的數(shù)學(xué)關(guān)系.

圖2 7車變流器、1 車變壓器出風(fēng)口風(fēng)量測試靠背管安裝圖

1.3 數(shù)據(jù)采集

通風(fēng)設(shè)備出風(fēng)量的風(fēng)速測點為靠背管風(fēng)壓感知測點，其感知壓力通過導(dǎo)壓軟管與差壓傳感器連接，傳感器信號通過放大器放后進(jìn)行數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，由數(shù)據(jù)采集相關(guān)數(shù)據(jù)設(shè)備采集并存儲至本地計算機(jī)，經(jīng)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成風(fēng)量數(shù)據(jù).

2 變流器風(fēng)量分析

CRH6F 城際動車組的變流器進(jìn)風(fēng)口設(shè)置在設(shè)備艙內(nèi)部，其進(jìn)風(fēng)來源除了從通風(fēng)裙板進(jìn)入設(shè)備艙內(nèi)的外部環(huán)境風(fēng)，還有設(shè)備艙內(nèi)部的引導(dǎo)氣流. 變流器進(jìn)風(fēng)口正對位置的密封裙板為通風(fēng)裙板，在通風(fēng)裙板內(nèi)側(cè)安裝濾網(wǎng)以過濾外部進(jìn)風(fēng)的污物顆粒，本次試驗中將對比分析管式迷宮格柵+濾網(wǎng)、現(xiàn)車迷宮格柵+濾網(wǎng)與格柵+濾網(wǎng)3 種不同的通風(fēng)濾網(wǎng)形式（見圖3）.

圖3 不同通風(fēng)裙板形式對比

2.1 運(yùn)行方向的影響

當(dāng)動車組車速低于5 km/h 時，變流器冷卻風(fēng)機(jī)為半速工作模式；當(dāng)車速高于5 km/h 時，變流器風(fēng)機(jī)調(diào)整為全速工作模式. 為比較不同運(yùn)行交路和運(yùn)行方向下列車氣動效應(yīng)對設(shè)備通風(fēng)的影響，選取長沙—株洲、長沙—湘潭運(yùn)行交路下，7 車現(xiàn)車迷宮+濾網(wǎng)式通風(fēng)裙板的通風(fēng)量實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，動車組在長沙至株洲、長沙至湘潭間往返運(yùn)行的變流器出風(fēng)口風(fēng)量實測時程曲線如圖4 所示.

圖4 不同運(yùn)行交路下7 車變流器出風(fēng)口風(fēng)量曲線圖（現(xiàn)車迷宮格柵+濾網(wǎng)）

根據(jù)實車測試結(jié)果可知，當(dāng)8 車作為頭車運(yùn)行時，7 車變流器設(shè)備靠近頭車運(yùn)行方向，其出風(fēng)口風(fēng)量在11 575 ～11 656 m3/h，高于額定工作風(fēng)量10 600 m3/h；而當(dāng)8 車作為尾車、7 車靠近尾車運(yùn)行方向時，變流器出風(fēng)口風(fēng)量在10 142 ～10 258 m3/h，要低于額定工作風(fēng)量10 600 m3/h.

圖5 通風(fēng)設(shè)備壓力分布圖

為定性分析頭尾車效應(yīng)對設(shè)備艙內(nèi)變流器設(shè)備的冷卻風(fēng)量影響，動車組運(yùn)行時，定義設(shè)備艙內(nèi)部的壓力為PSBC，設(shè)備艙外部壓力為 PENV，風(fēng)道內(nèi)部壓力定義為FDP . 變流器設(shè)備的進(jìn)風(fēng)口設(shè)置在設(shè)備艙內(nèi)部、出風(fēng)口為獨立風(fēng)道連通通風(fēng)裙板至外部環(huán)境，冷卻進(jìn)風(fēng)量一方面來源于設(shè)備艙內(nèi)部氣流，另一方面通過帶濾網(wǎng)通風(fēng)裙板來源于外部環(huán)境（見圖5）. 設(shè)備艙內(nèi)外壓差可表示為 PSBC_ENV= PSBC–PENV，風(fēng)道內(nèi)部與設(shè)備艙內(nèi)壓差可表示為 PFD_SBC=PFD–PSBC，風(fēng)道內(nèi)部與設(shè)備艙外部壓差可表示為 PFD_ENV=PFD–PENV.

由壓力的傳遞關(guān)系，變流器出風(fēng)口內(nèi)外的差壓可表示為：

由于冷卻風(fēng)量測點布置在變流器出風(fēng)口，其通風(fēng)量的大小，由風(fēng)道內(nèi)部與設(shè)備艙外部的差壓PFD_ENV決定. 在動車組運(yùn)行時，設(shè)備艙內(nèi)外差壓呈現(xiàn)內(nèi)正外負(fù)的微正壓狀態(tài)，顯然當(dāng)風(fēng)機(jī)功率一定的情況下，設(shè)備艙內(nèi)外差壓 PSBC_ENV越大，設(shè)備艙內(nèi)部壓力 PSBC增大，設(shè)備艙內(nèi)的氣流更易于通過風(fēng)機(jī)進(jìn)入風(fēng)道，出風(fēng)口內(nèi)外差壓 PFD_ENV總體變大趨勢，因此出風(fēng)口冷卻風(fēng)量增加；反之，當(dāng)設(shè)備艙內(nèi)外差壓 PSBC_ENV變小時，設(shè)備艙內(nèi)部壓力SBCP 減小，同時設(shè)備艙內(nèi)部氣流通過風(fēng)機(jī)進(jìn)入風(fēng)道的阻力增大，出風(fēng)口內(nèi)外差壓 PFD_ENV總體呈現(xiàn)減小趨勢，因此出風(fēng)口冷卻風(fēng)量降低. 由以上分析可知，當(dāng)設(shè)備艙內(nèi)外差壓增大時，變流器出風(fēng)口冷卻風(fēng)量增加；反之則降低.

圖6 8編組動車組頭尾車運(yùn)行工況的設(shè)備艙內(nèi)外差壓響應(yīng)

根據(jù)8 編組動車組的設(shè)備艙內(nèi)外差壓實車試驗結(jié)果[7]，當(dāng)動車組全速運(yùn)行時，頭車運(yùn)行工況下的設(shè)備艙動態(tài)內(nèi)外差壓為尾車運(yùn)行工況的近2 倍，如圖6 所示. 試驗結(jié)果為動車組以200 km/h 運(yùn)行的頭尾車設(shè)備艙內(nèi)外差壓數(shù)據(jù)，本文所研究對象為160 km/h 的8 編組城際動車組，兩者的編組形式相同、運(yùn)行車速差異不大，試驗結(jié)果的對比顯示，對于城際動車組，其頭車運(yùn)行時的設(shè)備艙內(nèi)外差壓，必定大于尾車運(yùn)行工況. 因此，當(dāng)城際動車組的8 車作為頭車運(yùn)行時，7 車變流器冷卻風(fēng)量要高于8 車作為尾車運(yùn)行下的設(shè)備通風(fēng)量.

2.2 通風(fēng)裙板形式的影響

變流器進(jìn)風(fēng)口的通風(fēng)裙板采用現(xiàn)車迷宮格柵+濾網(wǎng)、格柵+濾網(wǎng)和管式迷宮格柵+濾網(wǎng)3 種不同的通風(fēng)濾網(wǎng)時，變流器風(fēng)機(jī)半速和全速工作時的出風(fēng)口冷卻風(fēng)量對比如表1、圖7 所示.

表1 不同通風(fēng)濾網(wǎng)形式的變流器出風(fēng)口冷卻風(fēng)量對比m3/h

3 種通風(fēng)濾網(wǎng)形式中，以格柵+濾網(wǎng)通風(fēng)形式的冷卻通風(fēng)量最大，管式迷宮格柵+濾網(wǎng)通風(fēng)次之，現(xiàn)車迷宮格柵+濾網(wǎng)通風(fēng)最小. 從結(jié)構(gòu)形式上分析，格柵+濾網(wǎng)形式，為裙板的格柵與濾網(wǎng)之間直接過渡，風(fēng)阻較小，外部環(huán)境氣流在風(fēng)機(jī)作用下更容易進(jìn)入到設(shè)備艙內(nèi)，因此進(jìn)風(fēng)量更大；管式迷宮格柵+濾網(wǎng)形式通風(fēng)裙板無格柵，直接由前后交錯式的管式迷宮與濾網(wǎng)組合進(jìn)風(fēng)，考慮了對外部氣流防雨防塵，但風(fēng)阻較大，因此進(jìn)風(fēng)量次之；現(xiàn)車迷宮+濾網(wǎng)形式為裙板格柵+并排式迷宮+濾網(wǎng)組合進(jìn)風(fēng)，其防塵效果明顯，但風(fēng)阻最大，也限制了變流器進(jìn)風(fēng)口風(fēng)量.

從牽引變流器側(cè)裙板進(jìn)風(fēng)風(fēng)速的對比來看，格柵+濾網(wǎng)（5.49 m/s）＞管式迷宮格柵（3.14 m/s）＞現(xiàn)車迷宮格柵（2.53 m/s），這說明現(xiàn)車迷宮格柵的進(jìn)風(fēng)阻力最大. 為降低進(jìn)風(fēng)阻力，同時考慮牽引變流器內(nèi)部元器件防水要求，建議變流器進(jìn)風(fēng)裙板采用管式迷宮格柵+濾網(wǎng)方案.

3 變壓器風(fēng)量分析

選取長沙—株洲—長沙運(yùn)行交路的變壓器冷卻風(fēng)量數(shù)據(jù)，由于變壓器風(fēng)機(jī)工作工況無半速與全速之分，動車組全速運(yùn)行時，無論是1 車頭車還是尾車運(yùn)行工況，1 車變壓器出風(fēng)口風(fēng)量均維持在一個比較穩(wěn)定的范圍，在37413 ～7973 m /h 之間變化，如圖8 所示.

圖7 不同通風(fēng)濾網(wǎng)形式

與頭尾車運(yùn)行影響下7 車變流器的冷卻風(fēng)量特性不同，1 車變壓器的進(jìn)風(fēng)來源有3 處：設(shè)備艙進(jìn)風(fēng)側(cè)裙板、設(shè)備艙內(nèi)部及敞開式底板結(jié)構(gòu)（見圖8-b），變壓器的底部敞開式底板空隙較大，亦是變壓器進(jìn)風(fēng)的主要來源，因此變壓器的冷卻風(fēng)量受頭尾車運(yùn)行的空氣動力效應(yīng)影響不大.

圖8 1車變壓器出風(fēng)口風(fēng)量測試結(jié)果

4 結(jié)論

本文首次開展城際動車組電氣設(shè)備的冷卻通風(fēng)跟蹤測試工作，系統(tǒng)分析了不同運(yùn)行方向下頭尾車空氣動力效應(yīng)、不同進(jìn)風(fēng)口濾網(wǎng)形式對設(shè)備冷卻通風(fēng)的影響特性，

1）當(dāng)通風(fēng)設(shè)備近頭車運(yùn)行方向時，采用現(xiàn)車迷宮格柵+濾網(wǎng)通風(fēng)形式下，變流器出風(fēng)量在11 575 ～11656 m3/h ，高于額定工作風(fēng)量10 600 m3/h ；而近尾車運(yùn)行方向時，變流器出風(fēng)量在10 142 ～10 258 m3/h，要低于額定工作風(fēng)量10 600 m3/h. 建議在變流器風(fēng)機(jī)額定工作風(fēng)量設(shè)計時，考慮空氣動力效應(yīng)對變流器冷卻通風(fēng)的影響，按照5%的余量進(jìn)行工作風(fēng)量設(shè)計.

2）通過比較格柵+濾網(wǎng)、格柵迷宮+濾網(wǎng)與管式迷宮+濾網(wǎng)3 種濾網(wǎng)形式的變流器冷卻風(fēng)量，考慮低進(jìn)風(fēng)阻力與牽引變流器內(nèi)部元器件防水要求，建議變流器進(jìn)風(fēng)裙板采用管式迷宮+濾網(wǎng)方案.

3）采用底部開放式進(jìn)風(fēng)的變壓器設(shè)備，其冷卻出風(fēng)量維持在37 413 ～7973 m /h 之間變化，受頭尾車運(yùn)行的空氣動力效應(yīng)影響不大，因為變壓器的進(jìn)風(fēng)來源包括進(jìn)風(fēng)側(cè)裙板、設(shè)備艙內(nèi)部和底部敞開式底板，其中底部敞開式底部間隙較大，是變壓器進(jìn)風(fēng)的主要來源，因此其冷卻風(fēng)量較為穩(wěn)定.

4）未來亟待開展頭尾車空氣動力效應(yīng)對不同編組位置（如中間車）電氣設(shè)備冷卻通風(fēng)的影響特性試驗研究，并結(jié)合理論分析和數(shù)值仿真分析、驗證試驗結(jié)論，為電氣設(shè)備冷卻通風(fēng)的工作風(fēng)量設(shè)計、運(yùn)行過程中的通風(fēng)優(yōu)化提供科學(xué)建議和理論依據(jù).