某型城際動(dòng)車組牽引變壓器冷卻單元用離心風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

王本義

（中車大連機(jī)車研究所有限公司，遼寧大連 116021）

0 引言

城際動(dòng)車組是為城際鐵路而研制的新型軌道交通運(yùn)輸車輛，具有運(yùn)能大、乘坐方便、安全可靠和節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到廣泛應(yīng)用。因城際動(dòng)車組運(yùn)行于城市之間，為減少車輛噪音對(duì)周邊居民的影響，城際動(dòng)車組對(duì)各主要部件提出了嚴(yán)苛的噪音要求。為了解決某型城際動(dòng)車組牽引變壓器冷卻單元在運(yùn)行過(guò)程中噪聲大的問題，本文從提高風(fēng)機(jī)效率降低聲源噪聲的角度，對(duì)無(wú)蝸殼離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)離心風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和降噪進(jìn)行了廣泛的研究，通過(guò)耦合多種優(yōu)化算法，兼顧多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)性能的優(yōu)化。Bonaiuti[1]通過(guò)耦合響應(yīng)面法及流場(chǎng)分析技術(shù)建立了離心葉輪多目標(biāo)、多點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，通過(guò)控制葉片形狀，提高風(fēng)機(jī)效率。劉小民[2]采用遺傳算法和三維流動(dòng)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)離心葉輪進(jìn)行了多目標(biāo)自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。李瑜[3]從降噪角度分析CRH系列動(dòng)車組冷卻裝置風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)多款動(dòng)車組風(fēng)機(jī)靜壓效率和噪聲，發(fā)現(xiàn)高效區(qū)域風(fēng)機(jī)噪聲最低。本文在參考以上研究的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)和三維流場(chǎng)仿真技術(shù)，對(duì)無(wú)蝸殼離心風(fēng)機(jī)的葉片數(shù)量、葉片形狀進(jìn)行了優(yōu)化，使葉輪內(nèi)部流場(chǎng)達(dá)到最佳狀態(tài)，提升風(fēng)機(jī)的靜壓效率，使風(fēng)機(jī)工作在高效區(qū)域，從主動(dòng)降噪的角度有效降低風(fēng)機(jī)噪聲。本文研究為今后無(wú)蝸殼離心風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和降噪提供了一種新思路。

1 風(fēng)機(jī)參數(shù)及改進(jìn)要求

1.1 離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)組成及葉輪參數(shù)

該型離心風(fēng)機(jī)為無(wú)蝸殼后向離心風(fēng)機(jī)，由集流器、離心葉輪、電機(jī)和安裝板等組成，風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。葉輪是離心風(fēng)機(jī)的主要部件，該風(fēng)機(jī)采用了9個(gè)均布的后向單圓弧板型葉片離心葉輪，離心葉輪由前盤、葉片、后盤和軸盤組成，葉輪結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，原始葉輪參數(shù)如表1所示。

圖1 離心通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2 原葉輪結(jié)構(gòu)

表1 原葉輪主要參數(shù)

1.2 改進(jìn)要求

根據(jù)牽引變壓器對(duì)冷卻單元散熱功率及噪聲的要求，對(duì)風(fēng)機(jī)提出了需求，風(fēng)機(jī)性能參數(shù)及冷卻單元噪聲限值如表2所示。按照GB/T 3767-2016[4]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的噪聲測(cè)試方法，利用聲級(jí)計(jì)測(cè)試配有原風(fēng)機(jī)的冷卻單元各測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)，計(jì)算冷卻單元噪聲聲功率為101.97 dB(A)，該噪音值遠(yuǎn)超過(guò)冷卻單元噪聲限值。為了滿足冷卻單元噪音要求，對(duì)作為噪聲源的風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化。

表2 風(fēng)機(jī)性能參數(shù)及冷卻單元噪聲限值

2 風(fēng)機(jī)優(yōu)化及分析

2.1 原風(fēng)機(jī)數(shù)值仿真計(jì)算

根據(jù)原風(fēng)機(jī)的參數(shù)，運(yùn)用UG軟件對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行參數(shù)化建模[5]，利用商業(yè)軟件CFX模擬了葉輪內(nèi)部的流動(dòng)，獲得了離心風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能[6]。為了提高近壁面區(qū)域流動(dòng)計(jì)算的準(zhǔn)確性及計(jì)算效率，對(duì)葉輪內(nèi)部壁面附近的網(wǎng)格進(jìn)行了加密控制和非等距處理，同時(shí)采用1/9周期對(duì)稱模型進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。由于風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)馬赫數(shù)小于0.3，屬于不可壓縮流動(dòng)，所以對(duì)離心風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能采用定常計(jì)算。定常流動(dòng)計(jì)算時(shí)采用了多參考系（MRF）方法，葉輪區(qū)域在相對(duì)坐標(biāo)系下求解，集流器在靜止坐標(biāo)系下求解，動(dòng)靜交界面（Frozen Rotor）用來(lái)傳遞信息。風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口邊界條件分別為流量進(jìn)口、靜壓出口，采用k-ε湍流模型，穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)采用SIMPLEC算法計(jì)算。

采用上述的計(jì)算模型、網(wǎng)格和數(shù)值計(jì)算方法對(duì)原始設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，仿真計(jì)算得到在1.75 m3/s流量下，風(fēng)機(jī)靜壓為1 272 Pa，風(fēng)機(jī)靜壓效率為56.86%，葉輪內(nèi)部流線分布如圖3所示。由圖可知，在葉輪內(nèi)葉片中部流場(chǎng)分布均勻，無(wú)渦流存在；但在靠近后盤處和靠近前盤處葉片出口存在渦流，流場(chǎng)紊亂，造成葉輪性能不佳，效率較低，噪聲較高[7]。

圖3 原葉輪內(nèi)部流線分布圖

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

2.2.1 優(yōu)化流程

根據(jù)上述分析，需要對(duì)葉片進(jìn)出口角、前盤和葉輪直徑進(jìn)行優(yōu)化[8]，為了提高風(fēng)機(jī)效率和降低噪音，葉輪采用無(wú)葉擴(kuò)壓器，無(wú)葉擴(kuò)壓器能減少葉輪出口渦流強(qiáng)度，改善葉輪出口氣體的流動(dòng)，可以適當(dāng)提高風(fēng)機(jī)葉輪效率和降低噪聲[9]。為了從冷卻單元通風(fēng)系統(tǒng)匹配的校對(duì)降低系統(tǒng)噪聲，盡可能使風(fēng)機(jī)工作在高效區(qū)附近，根據(jù)原型葉輪的性能計(jì)算結(jié)果，葉片出口直徑D2可減小至380 mm。風(fēng)機(jī)性能優(yōu)化流程如圖4所示。

圖4 優(yōu)化流程圖

2.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇

根據(jù)在滿足風(fēng)機(jī)安裝尺寸的前提下，初選風(fēng)機(jī)參數(shù)如表3所示，并按照葉輪參數(shù)建立參數(shù)化流體仿真計(jì)算模型[10]，通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化方法，研究葉輪的Z、β1A、β2A對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響，確定最佳風(fēng)機(jī)方案。初始選定Z=5、7、9；β1A=10～13.5；β2A=30～36.5。對(duì)于同一款風(fēng)機(jī)，優(yōu)化風(fēng)機(jī)流場(chǎng)，使葉輪內(nèi)部流場(chǎng)更加順暢，風(fēng)機(jī)效率將會(huì)提高，噪聲會(huì)降低。因此，響應(yīng)變量選擇靜壓與靜壓效率，在滿足靜壓要求的情況下，靜壓效率盡可能高。采用Box-Behnken方法[2]制定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，利用CFX對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行計(jì)算，試驗(yàn)方案及計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表3 初選風(fēng)機(jī)參數(shù)

表4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表4中的試驗(yàn)結(jié)果，繪制β1A=11.75h、β2A=33.25h時(shí)，不同葉片數(shù)的靜壓和效率隨葉片數(shù)Z變化曲線，如圖5所示。由圖可知，葉輪靜壓效率與最佳葉片數(shù)相關(guān)，葉片過(guò)多或過(guò)少，靜壓效率均降低；在一定的進(jìn)口角和出口角條件下，靜壓隨葉片數(shù)增加而增大。在滿足靜壓要求的情況下，葉片數(shù)Z=7時(shí)，靜壓效率較高，由此確定葉輪葉片數(shù)量選用7片。

圖5 β1A=11.75h、β2A=33.25h時(shí)，不同葉片數(shù)下靜壓與效率曲線

靜壓和靜壓效率等高線圖如圖6所示，從圖中可以看出，在效率等高線中出現(xiàn)風(fēng)機(jī)靜壓效率最優(yōu)點(diǎn)，求解得到葉片進(jìn)口角β1A=11.65h，出口角β2A=33.5h。

圖6 靜壓和效率的等高線圖

2.3 結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)上述計(jì)算求得的最優(yōu)解，即D2=380 mm、Z=7、β1A=11.65h、β2A=33.5h。利用CFX對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行性能仿真計(jì)算。仿真計(jì)算得到在1.75 m3/s流量下，風(fēng)機(jī)靜壓為1 132 Pa，風(fēng)機(jī)靜壓效率為65.4%，葉輪內(nèi)部流線分布如圖7所示。由圖可知，在葉輪內(nèi)流場(chǎng)分布均勻，無(wú)明顯渦流存在，優(yōu)化后葉輪靜壓滿足要求，葉輪效率較高。

圖7 原葉輪內(nèi)部流線分布圖

為了驗(yàn)證優(yōu)化后結(jié)果的可靠性，本文對(duì)優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)按照GB/T 1236-2017[11]進(jìn)行了性能試驗(yàn)，并配牽引變壓器冷卻單元進(jìn)行噪聲測(cè)試，優(yōu)化后風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)工況下的試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 優(yōu)化后風(fēng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比優(yōu)化前后的風(fēng)機(jī)性能，從仿真結(jié)果看，優(yōu)化后風(fēng)機(jī)靜壓降低了140 Pa，但風(fēng)機(jī)靜壓效率提高了8.54%；從配冷卻單元噪聲試驗(yàn)結(jié)果看，比原風(fēng)機(jī)噪聲降低了4.47 dB(A)，優(yōu)化后噪聲滿足使用要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用數(shù)值模擬與響應(yīng)面相結(jié)合的方法，對(duì)某城際動(dòng)車組牽引變壓器冷卻單元用離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化研究，通過(guò)對(duì)氣動(dòng)性能及噪聲的分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）將數(shù)值模擬方法與響應(yīng)面方法相結(jié)合，能夠用于離心風(fēng)機(jī)的改進(jìn)和優(yōu)化；

（2）葉片進(jìn)出口角和葉片數(shù)量對(duì)風(fēng)機(jī)靜壓效率有較大影響，選擇合適的葉片數(shù)量及最佳進(jìn)出口角，有利于風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)順暢，提高風(fēng)機(jī)靜壓效率；

（3）優(yōu)化后風(fēng)機(jī)靜壓降低了140Pa，風(fēng)機(jī)靜壓效率提高了8.54%，風(fēng)機(jī)噪聲降低了4.47 dB(A)。